宽带声学多普勒流速剖面仪球面散射回波模型研究.docx

1、第37卷第6期2016年11月计量学报ACTAMETROLOGICASINICAdoi：10.3969/j.issn.1000-1158.2016.06.13宽带声学多普勒流速剖面仪球面散射回波模型研究易志强，赵知劲，马修准，李芸，曾崂，姚英彪(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018)摘要：宽带声学多普勒流速剖面仪通过处理水下体积回波信号进行流速估计，回波模型的准确度决定了理论仿真的正确性。针对回波的散射特性，通过分析水层回波信号的时空关系，提出一种球面散射水层回波模型，并利用坐标旋转方法推导出该水层回波解析式。相比其他方法.该模型解析式充分体现了散射体模型形状对回波的作用，更加接

2、近实际情况。对该模型下回波信号进行频谱和自相关特性分析，采用复相关算法估算流速c通过与实测数据进行对比,结果证明了该回波信号模型与解析式的正确性。关键词：计量学；声学多普勒流速剖面仪；球面散射模型；回波；速度估计中图分类号：TB937文献标识码：A文章编号：1000-1158(2016)06"0610田5ResearchonSphericalScatteringEchoModelforBroadbandAcousticDopplerCurrentProfilerYIZhi-qiang,ZHAOZhi-jin,MAXiu-zhun,LIYun,ZENGRong,YAOYing-biao

3、(CollegeofTelcconimunicalionEngineering,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)Abstract:ThebroadbandacousticDopplercurrentprofilerestimatescurrentvelocitybyprocessingunderwatervolumeecho.Theaccuracyoftheechomode)decidesthecorrectnessoftheoreticalsimulation.Accordingtothescatteringcha

4、racteristicsofecho,asphericalscatteringmodelwasproposedthroughanalyzingthespace-timerelationofecho.Usingthecoordinaterotationmethod,theanalyticalformulaofechowasderived.Comparedtoothermethods,theformulafullyreflectstheeffectofscatteringmodelshapetoechoandmatchesrealitymoreexactly.Thespectrumandautoc

5、orrelationfeatureoftheechomodelwereanalyzed,andthecurrentvelocitywasestimatedbyemployingthecomplexself-correlationalgorithm.Bycomparisonwiththemeasureddata,theresultsshowtheechomodelandanalyticformulaarecorrectKeywords：metrology；acousticdopplcrcurrentprofiler；sphericalscatteringmodel；echo；velocityes

6、timation收稿日期：2015-06-22；修回日期：20160-15基金项目：浙江省自然科学基金(LQ15F010007)；浙江省数据存储传输及应用技术研究重点实验室(杭州电子科技大学)开放基金(201308)作者简介：易志强(1976-，男.重.庆人.杭州电子科技大学讲师，博士、研究方向为无线通信、水声通值。Yzq1引言宽带声学信号解决了窄带声学测流技术所存在的速度分辨率和距离分辨率的矛盾”，提高了声呐信号处理的抗干扰能力，因此在声学多普勒流速剖面仪中应用广泛。在测流过程中，多普勒流速剖面仪的换能器在某一时刻接收到的信号，其实是来自大量散射体的回波信号叠加，波形十分复杂。因此建立精确的

7、水层回波模型，构造接近实际情况的回波信号,从而在一定程度上可代替实测信号，这对水层信号的特性分析和提升相关算法研究工作的效率具有重要意义。多年来，不少学者对宽带声学测流回波信号进行了研究,构造出了多种模型。文献技、4、5提出椭圆平面散射模型来进行二维海底可波分析。而关于更为复杂的三维水层回波，目前看来,仅文献6、7开展了相应研究，文献6引入了立体角概念，建立了椭圆圆台散射水层回波模型；而文献7则运用空间矢域叠加的方法，建立了散射椎体模型，但上述模型在推导回波解析式过程中，为降低算式复杂度，均忽略了散射模型形状对回波的影响，从而与真实情况存在一定差异。针对上述情况，本文提出一种球面散射水层回波模

8、型，该模型能较真实地反映出回波的时空特性，根据该模型推导出的回波解析式复杂度较低，便于解算。根据该模型推导出的水层回波解析表达式，分析了模型回波信号频谱特性和自相关性，利用复相关算法，在不同信噪比条件下对水流流速进行估算，并与实测数据进行对比，验证了球面散射模型以及回波解析式的正确性。2回波信号时空特性分析与建模2.1宽带声学测流发射信号模型目前，多普勒流速剖面仪其换能器发射的宽带编码脉冲信号的复包络解析式一般为s（£）=a（£）eSS（1）式中：九是载波频率,0。为载波初始相位,a（Z）为二进制双极性伪随机码序列,通常由m序列构成。2.2水层回波的时空特性分析声波在水中的

9、传播模型如图1所示和L分别表示发射脉冲的起始时刻和结尾时刻，则发射脉冲宽度为W换能器按时间窗接收回波，不同时间窗接收到的回波来自不同水层的反射。-盲区-盲区水层Zq水层水层妇水层氏.水取图1信号回波时空图为具体分析水层回波信号的时空特性,下面以时间窗弓，3内的回波信号为例。发射声波脉冲头部首先到达水层右处，散射后部分反射波形在丁2时刻被换能器所接收。而发射声波脉冲尾部在水层处反射后，在r2时刻也到达换能器。由此可见,换能器在4时刻接收到的信号本质上是整个发射脉冲中各个部分于不同时刻在相应水层反射后叠加。同理可得,发射声波脉冲尾部在水层上处的反射回波与头部在水层处的反射回波，同时在T.时刻抵达换

10、能器。所以，水层LU范围内的回波均能在时间窗丁2,3内被接收，其中接收到水层上的回波所占比例最大,越远离水层匕2,则接收到的回波所占比例越小。同时,上述过程也清楚表明了时间窗与回波水层之间的对应关系。2.3球面散射水层回波模型在实际应用中，换能器通常采用阵列发射单元,以形成特定角度波束信号,所以实际接收信号是来自于立体波束空间中回波的叠加。如图2所示，发射波束张角为a,立体角为。在此情形下,波束的水平截面呈椭圆形。随着深度增加,椭圆形状变大，其远端和近端产生的回波因时延关系，无法在同一个时间窗内被换能器接收，从而造成测量误差。为克服该问题，将4、8两点与C、D两点所在球面之间截取的柱状区域作为

11、水层回波的产生区域,构造出一个球面散射水层回波模型，其内各点产生的回波相互叠加构成了时间窗乌，马内换能器接收到的回波信号。该模型会造成部分区域的回波被忽略（图2中阴影部分所示），但由前面叙述可知,被忽略的区域恰好处于某个水层的边界附近，换能器接收到回波中,该区域所占比例很小,因此对总体效果影响不大。鉴于图2所示的散射体形状不规则，难以实现各散射点回波总和运算，因此通过坐标旋转变为图3所示的正球面圆锥体。散射模型内任一球面上各个散射体与换能器之间的距离相等，该球面上反射的回波均在同一时刻抵达换能器，在保留散射体形状信息的同时，能够更加方便地推导出回波解析式。设某球面离换能器距离为Z,则回波的信号

12、延时为：Z=21/c(2)多普勒频移所产生的时间尺度压缩因子k=M，其中c为水中声速，是散射体相对换能器运动速度，以远离换能器为正。考虑水层各个深度声波的扩散和衰减，各个散射体回波的衰减因子为B(1),由于测速主要是利用归一化后回波信号的相关性，所以此处没有考虑兰伯特定律M,即水层深度对回波幅度的衰减效应，从而8(。的幅度符合瑞利分布，相位符合。到2兀范围内均匀分布。于是，距离换能器I处球面水层上的回波信号可表示为：r(t)=2nZ21-cos(e/2)-Ai)=2nZ2l-cos(0/2)8(/)sA(z-2c)(3)综上所述,并假设水层中散射体均匀分布，匀速流动，忽略二次散射现象E。于是时

13、间窗4,7内换能器接收到的回波信号为：r(t)=j2兀"1_cos(g)r(/)d/=-cos(¥)“(/)s轮-孑)将式(4)中积分上下限做如下替代：认=(T3-TJc/2则式(4)最终可以改写为：(5)2n/2t1-cos(0/2)R(l)sk(t-2/c)d/(6)将式(6)推广到任意时间窗，即换能器接收任意水层的回波信号为：KO=f(rrTek2n/2l-cos(0/2)-2/c)d/,i=1,2,3，(7)式(7)即为换能器接收的回波信号的通用解析式。下标I表示水层序号。需要说明的是，由于发射波束张角为。，因此实际水层深度范围应约为(Ti-Tc)cI0(如-耻/1

14、2海仲+矿，一cos仲+子。3回波模型仿真为验证模型的正确性，将实测水层回波信号与模型回波比对。实测数据来自浙江临安青山湖水库水层回波，按当时实际发射信号的参数指标来设置回波模型参数:载波频率为300kHz,宽带信号采用4阶m序列调制，码片宽度Tb=0.02ms,序列周期兀=0.3ms,重复次数N=1O1，4J,实测回波其发射声呐波束张角为30°,立体角为4°，水层流速约为2m/s,换能器接收时间窗对应的水层深度为4m到6m,水中声速假设为1500m/so将上述参数代入式(7),可解算出对应的模型回波数据。分别对比实测回波信号与模型回波的时域波形、频谱及自相关特性，以期验证

15、模型回波在波形上有无严重失真，频谱及自相关特性等信息有无丢失或者错误，从而判断模型回波的正确性。图4给出了两者的时域波形。从图形上看，两者之间存在较大差异。经分析发现，主要原因是由于回波信号的信噪比不仅仅只依赖于水层的深度，同样也受到水质的极大影响。而水质因素往往难以在理论模型中加以真实反映。因此在构造模型回波时,其信噪比与实测值存在较大误差,从而造成了两者时域波形的差异。由图5可见，实测信号因水层流动造成多普勒频移，从而导致回波信号频谱的中心频率产生偏移，频谱略有展宽(。而回波模型的频谱形状与实测信号接近，同样也存在频率偏移及展宽，频偏信息得以保留。图6则给出了相关特性的对比，两者在相关峰个

16、数和位置上基本一致，从而可得相对于实测信号，尽管时域波形有所不同，但模型回波中用于测速估算的回波信号相关特性没有丢失或发生严重错误，因此可以用来进行速度估算。这里需要指出的是，根据参数设置，声波信号的总长度为3ms,频谱主瓣宽度为1.00.50.0-0.5-1.08.08.59.09.510.010.511.0醐时间/ms(a)实测回波波形1.00.5)0.0-0.5-id8.01.00.5)0.0-0.5-id8.0l.Or0.2-o.ogM叩凯呷N肿她M脚岫岫岫血岫岫9.09.510.010.5接收时间/ms(b)回波模型波形11.0图4时域波形对比1001.00.80.

17、60.40.2000200300400500600频率/kHz(a)实测回波频谱A100200300400500600频率/kHz(b)回波模型频谱1.01.0-2-1012时间延i&ms(a)实测回波自相关特性图5频谱对比5O0.00.0-0.5-3-2-101时间延迟/ms(b)回波模型自相关特性图6自相关特性对比1/八，相关峰个数应为2N-1=19。而图6中无论实测信号还是回波模型，其相关峰的数最均较发射信号有所减少。这是因为多个水层回波信号相互叠加，在一定程度上破坏了原始信号的时间分辨率所致m】。通过对比可见，采用球面散射回波模型所计算出的回波，时域波形与实测值较为接近，而频谱

18、特性及自相关特性则基本体现出了实测回波所携带的信息，初步验证了模型的正确性。为进一步验证模型，在不同信噪比条件下,采用复相关算法，对模型回波进行水层流速估算，每个信噪比条件下仿真100次后获取统计数据，以期验证是否能完成水层流速的正确估算,从而达到让模型回波替代实测信号作为原始数据，用来完成有关水层回波信号处理算法设计与验证的目的。估算结果如图7所示。可以看到,针对模型回波，复相关算法能高精度的估算出水层流速，与实测数值误差较小，估值的标准误差随信噪比的提高而减小。因此，仿真结果验证了模型以及相应回波解析式的正确性。图7测速均值和标准误差2信噪比/dB(b)测速标准误差§0.020迳

19、0.0】5费001。30.005蕖0.000本文根据水层回波散射的空时特征，构造出一种球面散射水层回波模型，并利用坐标变换方法推导出回波信号解析式。通过对比实测数据与模型回波的时频域波形及相关峰图形，验证出模型回波具备了实测数据同样的特性。采用复相关算法对模型回波信号进行流速估算，对比实测与仿真结果，进一步证明了回波信号理论模型与解析式的正确性。该模型下产生的回波完全可以在一定程度上代替不同条件下实测数据，从而进行相关算法的研究与设计，为研究工作带来较大便利。参考文献1BrumleyBH,CabreraRG,DeinesKL,etal.PerformanceofaBroad-BandAcous

20、ticDopplerCurrentProfilerJ.IEEEJournalofOceanicEngineering,1991,16(4)：402-407.2 齐本胜，范新南，王森，等.宽带声学多普勒测流仪设计J】.仪器仪表学报,2003,24(4)：233-234.3 黄雄飞，苑秉成,林伟.宽带多普勒计程仪速度解模糊方法研究JL仪器仪表学报,2010,31(8)：1885-1889.4 黄雄飞，苑秉成.宽带多普勒声呐回波模型及特性研究J.武汉理工大学学报,2012,36(1)；161-164.5 张占阳.宽带多普勒计程仪测频方法及其软件设计D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.6 周亦军，彭东立.宽带声学多普勒流速剖面仪回波信号模型分析J.声学技术,2012,31(2)：179-183.7 刘德铸，孙大军，张殿伦.利用波束散射模型分析BBADCP的性能J.哈尔滨工程大学学报,2010,31(3)：307-311.8 马淳燕.宽带相控多普勒测速技术研究D.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009.9 RudolphD,WilsonTA.DopplerVelocity