宽带声学多普勒流速剖面仪的中频正交采样算法.docx

1、声学技术TechnicalAcoustics宽带声学多普勒流速剖面仪的中频正交采样算法彭东立，马海涛，许伟杰(中国科学院声学研究所东海研究站，上海200032)摘要：宽带声学多普勒流速剖面仪(BroadbandAcousticDopplerCurrentProfile,BBADCP)发射由伪随机缄码调制的正弦信号，信号带宽在频域上产生展宽，成为带通信号。宽带回波信号的处理多采用正交解调的方法，但此方法对采样率的要求较高，硬件较难实现。利用数字中频正交采样法来实现，大大降低了采样频率，并且针对BBADCP解模糊速度的要求，进行了宽带回波信号的仿真试验，结果证明插值的数字中频正交采样法适合于BBA

2、DCP的信号处理。关键词：声学多普勒流速剖面仪；中频正交采样：模糊速度；复协方差算法中图分类号：TN911.7文献标识码：A文童编号：1000-3630(2013)-01-0015-04DOI编码：10.396%j.issnl0053630.2013.01.004ThequadraturesamplingmethodforbroadbandacousticDopplercurrentprofilePENGDong-li,MAHai-tao,XUWei-jie(ShanghaiAcousticLaboratory,InstituteofAcoustics,ChineseAcademyofScie

3、nces,Shanghai200032,China)Abstract:ThesignaltransmittedbyBroadbandAcousticDopplerCiirrentProfilerisakindofpseudo-randomcodingsignal.Theimpulsesignalisabroadbandsignalduetofrequencyspectrumspreading.ThereverberationsignalofBBADCPisprocessedwithquadraturedemodulation,whileitisdifficulttorealizebecause

4、oftherequiredhighsamplingrate.Digitalquadraturesamplingofintermediatefrequency(IF)signalisusedtodecreasethesamplingrate.Accordingtotherequirementofresolvingtheambiguityvelocity,thebroadbandreverberationsignalissimulatedtocalculatethevelocityofcurrent.Theresultverifiesthattheproposedmethodisappropria

5、tetosignalprocessingofBBADCPKeyword:acousticDopplercurrentprofile;quadraturesamplingofIFsignal;ambiguityvelocity;complexcovarianceapproach0引言声学多普勒流速剖面仪(AcousticDopplerCurrentProfile,ADCP),是一种利用换能器发射的声脉冲，在随水流运动的悬浮物质中所产生回波的多普勒频移，而进行流速测量的仪器。当频率为久的声波在海水中传播时，有一部分能量被随海流而动的散射体散射回来，这些回波信号经接收处理后可以测得其频率为fr.根据

6、多普勒频移原理，只要声源(或接收器)与散射体之间有相对运动，则万云fo,其差值为为：fd=fr-JQ=-fo其中：u为收发换能器与散射体的径向相对速度，c为声速，a为掠射角。收精日期：2012-04-13;修回日2012-07-08作者简介：彭东立(1980-),男，湖北随州人，博士，研究方向为水次信号处理.通讯作者：彭东立,E-mail:bemou2000宽带声学多普勒流速剖面仪(BroadbandAcousticDopplerCurrentProfile»BBADCP),使用具有随机噪声统计特性的伪随机码，对宽脉冲进行相位调制。接收回波信号时，使用同样的伪随机码进行相干解调，获得

7、两路正交的解调信号。利用脉冲对的复协方差算法，可以获取BBADCP回波信号的多普勒频移，进而可准确测定特定水层的流速。伪随机码调制的脉冲信号在频域发生了频段展宽，传统方法是采用模拟方法实现信号的正交变换，此方法的缺点是本振信号不正交时，会产生虚假信号I气为了减小模拟方法带来的误差，可在正交变换之前就对信号进行数字采样，利用软件实现信号的正交变换，此方法的缺点是对A/D采样的要求比较高，对中高频信号来说，硬件上较难实现。对中频宽带信号可以利用低通滤波法、插值法和多相滤波法等中频数字正交化处理方法获取正交双通道信号。低通滤波法几乎在整个频带内都具有相对较平坦的镜频抑制比，信号的归化带宽在40%左右

8、时也可以达到170dB左右的镜频抑制比，所以本文对伪随机码调制的宽带回波信号采用低通滤波法进行正交变换，仿真结果表明，数字中频正交采样法适合于BBADCP的回波信号处理。1ADCP的正交解调在ADCP中可以通过模拟正交解调获得基带信号的复数形式，再利用脉冲对的复协方差算法获得同波信号的多普勒频偏，进而得到水流的分层流速。设回波信号为y*（f）=/cos2而+2矿f+e（2）式中：4为回波幅值，人为载频，人为多普勒频偏,。为初始相位。模拟正交解调如图1所示。cos(2巩。图I信号的模拟正交解调Fig.lThesimulatedquadraturedemodulationofthesignal复信

9、号蹈复相关运算首先用相互正交的两路信号分别与输入信号做乘法运算，得到两路混频信号，再分别进行低通滤波，滤除混频信号中的高频部分，得到两路信号仙）和ZW：，（。=；4血2形+创（3a）f2（0=|/cos2nfdt+0（3b）把两路信号合成复信号为§cos（2咐+e）+isin（2咐+6）=§时山裕）"）对复函数做复相关运算，有4e"初（SM）.4cT（2"+6）df二2e，2.rJo224由式（5）可以看出，复相关值与发射信号的载频及初始相位无关，仅与回波信号的多普勒频偏有关。对复相关函数求取一阶谱矩，就可以得到回波信号的多普勒频偏，进而计算分

10、层水流流速。图1为用模拟方法实现信号正交变换的原理框图，该方法的主要缺点是需要产生正交的两个本振信号海（2戒，）和sin（2戒）,当这两个本振信号不正交时，就会产生虚假信号，而用模拟本振的方法来进行虚假抑制是非常困难的。为减小模拟方法带来的误差，可进行数字混频正交变换。数字混频正交变换利用模拟信号f（t）数字化采样后形成数字序列f（n）,然后与两个数字正交本振序列cos（2戒）和sin（2从）相乘，再通过数字低通滤波来实现，如图2所示。由于两个正交本振序列的形成和相乘都是数学运算的结果，使正交性可以得到保证。利用数字混频进行正交变换的主要缺点是需要在高频进行采样数字化，从而对A/D采样的要求比

11、较高。图2数字混频的正交变换Fig.2TheorthogonaltransformofthedigitalfrequencymixingLPF复相关运算2BBADCP的数字中频正交采样BBADCP发射的伪随机编码调制的脉冲信号属于宽带信号。为了避免模拟正交解调本振信号正交性带来的虚假信号，也为了避免数字混频正交变换的高采样率要求，本文采用数字中频正交采样的低通滤波法进行BBADCP回波信号处理。假设一个宽带信号可以表示为/（。=如）cos2戒f+6（/）（6）式中：力。）、。分别为包络和相位调制函数，L为载频或中频。按以下采样频率对其进行采样匕=器j=°，1，2式（7）中，m选取的最

12、大值要满足带通采样定理。采样后的序列为：f(n)=A(n)cos2t=4()cos&()A（n）cos2兀（端+】）2/n+l'玄羿m)-Q()sincos4卜q(n)sin(3(«)sin(普旦m)=(8)2m+(一1严()，为偶数(-1尸(-1)(T2q()，为奇数式中：/()=/()cos,。(”)=/()sin6()分别为基带信号的同相分量和正交分量。由式(8)可以看出，只需进行符号修正，可直接由采样值交替得到信号的同相分量/()和正交分量0”)。通过低通滤波器，并进行1/2抽取的/、。两路输出信号在时间上相差一个采样周期，如果要得到相同时刻的1、Q值，就需要

13、对时域采样信号进行插值，使两路信号在时域对齐，如图3所示。cos（2瓦”户1,0,-1,0sin（2盼）=0,】,0,-1图3低通滤波的数字中频正交采祥Fig.3ThequadraturesamplingofIFsignalinlowpassfilter3模糊速度的区域判别文献5介绍了一种利用时延估计对模糊速度进行区间判别的方法。文献6在时延变化的边界区域，结合复协方差算法进行修正，从而避免由时延误差带来的区间误判。在边界区域的判别中，文献6规定了1/4的可疑范围，增加了判别的复杂度。本文仍然是利用时延估计对模糊速度进行区间判别，但在区间判别的方式上进行了简化。假设二相相位编码信号重复一次，编

14、码信号的脉间时延与速度的对应关系如式(9)所示，即脉间时延与速度成线性关系。半y(9)其中：A为码元数，t为码元宽度。速度的真实值V与采用复协方差法得到的计算v/v<,图4真实速度与复协方差法计算速度之间的关系Fig.4Therelationshipbetweentruevelocityandambiguousvelocitycalculatedviacomplexcorrelationmethod值此之间的关系如图4所示，其中，实线对应的是真实速度值，梅花点对应的是由复协方差算法得到的模糊速度值，为解决模糊问题，必须准确地判断模糊速度值所在的模糊区间，即需要确定值。速度的真实值y与计算

15、速度&的关系式如式(10)所示:v=2mva+veizn=0,±l,±2-(10)其中：*为模糊速度，-va<vc<vao由式(1)可知，水流流速与多普勒频偏成正比，则式(10)中的速度关系可转变为频率关系：刀=2戒+/,m=0,±l,±2(11)其中：九为模糊频率，-皿<扑由式(11)得m=(DEa(12)其中：力为由时延估计得到的频偏值，包含模湖区间，计算精度不高，在模糊区间的边缘，可能会由于计算的不准确引起s值的跳变；人为由复协方差法计算得到的频偏值，而复协方差法是由反正切值计算而来，在模糊区间的边缘会发生函数值正负号的变

16、化，不包含模糊区间，计算精度高。与人的差值即为模糊区间X区间数目由于ADCP的回波信号受叠加和噪声的影响，所以由时延估计得到的频偏值为精度不高，由其计算得到模糊区间数值巾会偏离整数值。若为=300kHz,£=31,*2,每个码元中填充六个正弦波，码元宽度1=20四，加性高斯白噪声干扰，信噪比为I0dB,由信号时延估计的Cramer-Rao下限可知叫编码脉冲时延估计的标准方差为其中：T=以为信号宽度(取一段码元的长度)，阳为信号带宽(码元宽度的倒数)，S/N为信噪比。模糊区间宽度对应的时延变化量为AT®2v=»3.33pscJo即时延估计标准差的Cramer-Rao

17、下限要比区间宽度小一个数量级，所以直接对计算得到的模糊区间数值m取整，即可得到模糊区间数目A/,避免了文献6中对模糊区间的再次划分，简化了计算方法。利用时延估计的方法解决宽带ADCP的速度模糊问题的流程图如图5所示。4宽带信号回波仿真假设发射信号的中心频率(即中频频率)为300kHz,波束宽度为4.2。，发射信号的掠射角为70。，宽带信号采用6阶的m序列调制，码元数为63位,时延计算”值复相关法计算速度*|m值修正丁1'获得精确流速值v时延计算”值复相关法计算速度*|m值修正丁1'获得精确流速值v图5BBADCP的计算流程图Fig.5Thecalculationflowchar

18、tofBBADCP编码重复次数为4,每个码元宽度包含四个信号周期，回波信号的采样频率为240kHzo为了模拟真实的海水回波，假设回波信号的复包络符合瑞利分布，多普勒频偏符合高斯分布，随机相位在(0,2冗)之间符合均匀分布，得到回波信号的时域波形和频谱如图6所示也00.20.40.60.811.21.41.61.82"ms(a)回波时域信号0|瞄颇IA150200250300350400450/kHz(b)网波频漕z/ms(c)回波自相关函数Fig.6图6回波模拟信号的时域波形及频谐Wavefonn,spectrumandautocorrelationofvolumereverbera

19、tionsignal利用第3节中的数字中频正交采样方法，计算-1010m/s之间的速度误差，利用第4节中介绍的解速度模糊的方法，计算结果如图7所示。由图6(a)可见，本文所介绍的中频正交采样方法能够很好地对测速模糊区间进行校正，不会发生区间误判。由图6(b)可见，单次测速误差均在0.04m/s之内，再通过计算平均，速度误差可以降低到O.OIm/s之内，符合BBADCP的精度1%的要求。5结论本文在BBADCP正交解调进行宽带回波信号.10-8-6-4-20246810模拟速度/(ms。(a)m(ft的修正0.040.020-0.02-0.04F0.8-6-4-20246810模拟速度/(m)(

20、b)速度计尊精度图7计算结果的桁值修正及计算精度Fig.7ThemodificationofmvaJueandthecalculationaccuracyofcalculatedresults处理的基础上，利用数字中频正交采样方法，大大降低了接收信号的采样频率，降低了对接收信号的处理要求。结合BBADCP对回波信号模糊速度的处理要求，利用数字中频正交采样的方法进行仿真，能够很好地解决速度模糊问题，速度误差也可控制在允许的精度范围之内，证明本方法在BBADCP上的使用是可行的。参考文献IMillerKS,RochwargcrMM.Acovarianceapproachtospectralmome

21、ntestimation(J).IEEETrans,Inform.Theory.1972,18(5):588-596.2朱昊，刘文麻.复自相关技术在声学多普勘流速剖面仪中的应用及其定点DSP实现J.兵工学报,2006,27(3):451-457.ZHUHao,LIUWenyao.ImplementationofacomplexselfcorrelationmethodonADCPanditsrealizationonfixedDSPJ.ACTAARMAMEMTARII,2006,27(3):451-457.3 物小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用ML电子工业出版社,2001.YANGXiaoniu.LOUCaiyi,XUJianliang.Theoryandapplicationofsoftwareradio(M.PublishingHouseofElectronicsIndustry,2001.4 杨明磊，陈伯孝，张守宏.宽带信号的中频正交采样JJ.现代宿达,2007,29(3):47-51.YANGMinglei,CHENBaixiao,ZHANGShouhong.QuadraturesamplingofwidebandIFsignalJ.ModemRadar,2007,29(3):