宽带声学多普勒流量剖面仪的系统仿真

90年代初发展起来的宽带声学多普勒流量剖面仪克服了传统窄带ADCP存在距离分辨力与速度分辨力之间的矛盾，从而解决了低速浅水河流流量(流速)精确测量的问题，是一种有着广泛应用前景的先进水文遥测仪器。文章中着重分析了BBADCP(宽带声学多普勒流量剖面仪)如何通过时间选通采样从河流不同深度返回的后向散射回波，实现测距离的目的；如何测量回波的多普勒频移，实现测流速的目的。文中从二维信号矢量的角度分析了多普勒频移调制和解调的过程，推导出提取速度信息的信号处理方法。文中最后采取等效基带仿真方法，运用匹配滤波器理论设计了一个BBADCP系统模型，通过仿真手段验证了文中对BBADCP的分析结果。     

宽带声学多普勒流速剖面仪作用距离估计

宽带声学多普勒流速剖面仪,由于其具有很高的空间分辨率和时间分辨率,所以在水文、运输、测控等方面都有很广泛的应用,而其最大作用距离对于其应用范围具有重要意义。根据主动声纳方程各项的意义,分析了深度单元厚度、温度和频率等条件因素对宽带声学多普勒流速剖面仪作用距离的影响,从而对宽带声学多普勒流速剖面仪的最大作用距离进行估计,得到理论计算值。将理论计算值与RDI公司的宽带声学多普勒流速剖面仪作用距离进行比较,作用距离范围吻合性很好。对BBADCP以及具有相同工作原理的声相关计程仪、多普勒计程仪和NBADCP进行对比分析,指出它们在作用距离上的区别。     

相控阵ADCP编码信号相移波束形成

相对于活塞式声学多普勒流速剖面仪,相控阵声学多普勒流速剖面仪的换能器体积大大缩小,并且依托相控阵本身的物理特性,无需进行声速补偿。利用窄带相控阵声学多普勒流速剖面仪系统进行编码信号的发射与接收,从而提高相控阵声学多普勒流速剖面仪的设备性能。首先介绍了相控阵ADCP的波束形成方法,然后分别介绍了相控阵的相移波束形成和时延波束形成原理,对编码信号相移相控波束形成情况下,相控阵发射和接收信号波束开角进行了对比,并对作用距离、测量精度、系统复杂度等系统性能进行了分析。分析结果表明:窄带相控阵声学多普勒流速剖面仪可以进行编码信号的发射和接收,能够提高系统的空间分辨率和测量精度,从而提高相控阵声学多普勒流速剖面仪的性能。     

声学多普勒海流剖面仪误差源分析

介绍了声学多普勒海流剖面仪的测速原理．推导了多普勒海流剖面仪的速度解算方法．同时指出测量中存在的误差源并对其进行分析．研究了消除或减小误差的方法．为提高多普勒海流剖面仪的测量精度提供了理论依据和可行的方法。     

声学多普勒测速仪标校技术研究

为了提高声学多普勒测速仪输出速度的准确度,安装过程中测速基阵与载体之间的偏差角不可忽略,安装偏差角包括航向偏角,横摇角及纵摇角三类。介绍了一种三维空间上的多普勒标定技术,通过高精度的GPS导航仪以及多普勒测速仪对海底测速,利用速度比值差校准航偏角。通过纵向剖面的几何关系,从航偏角出发进而获得纵摇角和横摇角的大小,完成了三维方向上多普勒测速仪的校准,使多普勒测速仪坐标系与载体坐标系能够进行精确转换,从而提高了声学多普勒测速仪输出速度的准确度。外场试验较好地证明了该方法的有效性,分析结论看出在二维平面上,造成误差的原因主要在于安装偏角的航向偏角,而在三维空间上,尤其垂向速度,误差主要由纵摇角和横摇角产生。该方法可以快速地对三维安装偏角进行校准,运算量小,并且在对海水测速后续研究中可以形成一套体系。     

TRDI(CM 600kHz)流量计在新河水文站中的应用

随着科学技术的不断发展,传统的河流流量测验方式难以满足社会对水资源监控的要求,亟需探寻新的技术手段提高流量监测的自动化程度,解决流量推求滞后的问题。该文通过引进TRDI(CM 600kHz)水平式声学多普勒流速剖面仪,将其安设于新河水文站用于袂花江河道的在线测流,针对实测流速进行了后续率定工作。结果表明:各项精度指标达到了相关规范要求,说明整体上TRDI(CM 600kHz)型水平式声学多普勒流速剖面仪在新河水文站是适用的。     

国产宽带相控阵声学多普勒海流剖面仪

自从提出用多普勒技术测量海流的原理后，海洋科学工作者一直把它作为高新技术进行研究。声学多普勒海流剖面仪的问世被认为是海洋测流技术的重大突破。本文介绍了我国自行研制的宽带相控阵声学多普勒海流剖面仪(BBPAADCP)的测流原理、组成和目前取得的效果。     

走航式ADCP与单频测深比测分析

目前河流流量测量中比较先进的仪器是走航式ADCP,因其测流历时短、效率高得到推广使用,它的使用将在防洪减灾、堤防工程监测等方面发挥巨大的作用。通过对走航式ADCP、单频测深仪比测实验,分析其误差来源和精度,验证了在特殊的水下地形测量过程中,走航式ADCP不仅能完成流量测验同时也可以替代单频测深仪完成水下地形测量任务,从而为走航式ADCP系统应用及推广提供科学的依据。     

宽带声学多普勒计程仪性能试验分析

宽带声学多普勒计程仪与窄带声学多普勒计程仪相比,具有更高的测速精度和更广泛的应用价值。其中宽带信号的编码形式是提升宽带多普勒计程仪性能的重要因素。文章利用宽带测速的标准差公式分析了宽带多普勒测速精度的误差来源,提出了采用差分全球定位系统（Differential Global Positioning System,DGPS）和iXSEA公司的Octans光纤罗经组合测速参考系统进行测速精度考核的试验方法,分别对63、31和15阶（即码元数）的三种m码形式的编码序列脉冲,在高航速和低航速下,进行了对地和对水的测速考核试验以及数据分析。试验结果表明,宽带声学多普勒计程仪具有比传统计程仪测速精度高、稳定性好的特点。文章为宽带多普勒计程仪在实际应用中的参数选择提供了重要的试验依据。     

宽带声学多普勒流速剖面仪球面散射回波模型研究

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。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。     

Velocity measurement by vibro-acoustic Doppler

We describe the theoretical principles of a new Doppler method, which uses the acoustic response of a moving object to a highly localized dynamic radiation force of the ultrasound field to calculate the velocity of the moving object according to Doppler frequency shift. This method, named vibro-acoustic Doppler (VAD), employs two ultrasound beams separated by a slight frequency difference, Δf, transmitting in an X-focal configuration. Both ultrasound beams experience a frequency shift because of the moving objects and their interaction at the joint focal zone produces an acoustic frequency shift occurring around the low-frequency (Δf) acoustic emission signal. The acoustic emission field resulting from the vibration of the moving object is detected and used to calculate its velocity. We report the formula that describes the relation between Doppler frequency shift of the emitted acoustic field and the velocity of the moving object. To verify the theory, we used a string phantom. We also tested our method by measuring fluid velocity in a tube. The results show that the error calculated for both string and fluid velocities is less than 9.1%. Our theory shows that in the worst case, the error is 0.54% for a 25° angle variation for the VAD method compared with an error of -82.6% for a 25° angle variation for a conventional continuous wave Doppler method. An advantage of this method is that, unlike conventional Doppler, it is not sensitive to angles between the ultrasound beams and direction of motion.     

ADCP测量水深的过滤与插值方法

声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)对河道流量进行测量有赖于准确的深度测量,在遇到错误的深度测量时应采用合理的数值对错误帧进行深度插值,以增加计算准确度。文章分析了ADCP在斜坡河底环境下进行深度测量的理论标准差,在此基础上提出了使用四波束深度标准差与平均值的比值来进行深度过滤的新方法,并采用对历史保存的深度测量值进行拟合预测计算,为无效帧进行更为准确的深度插值。该方法相对于以往的水深过滤方法,进一步的增加了对水深异常值的过滤能力,提高了流量的计算精度。     

基于多普勒特征恢复的声矢量阵鲁棒自适应波束形成方法

在短快拍、信号导向矢量失配环境下,传统的自适应波束形成方法性能受到影响,对角加载技术是提高算法在复杂环境下性能鲁棒性的重要技术之一。针对水声环境和水声信号特点,提出一种基于声矢量阵的自适应波束形成方法。该方法利用水声信号的多普勒频率信息,在不同环境下自适应地选择最优对角加载因子,确定波束形成的权矢量,从而实现提取期望目标信号、抑制干扰和噪声的目的。无需任何用户参数,鲁棒性强、估计精度高。最后基于声矢量阵进行仿真实验,仿真结果证明了所提出的方法能够有效地获取目标信号,具有较好的抗干扰能力。     

A Doppler radar for multiple targets

A programmable instrument for the simultaneous measurement of velocities and acceleration or deceleration of different objects becomes possible through the use of spectral analysis of the Doppler signal. Programmable gain and frequency synthesis is under software control. Spectra for different segments of the Doppler time series are displayed versus time. When scaled, velocity versus time is displayed. By integration, velocity versus distance could also be displayed. Curve fitting is applied to chosen segments so that velocity and acceleration or retardation can be calculated. The raw digitized Doppler signals as well as calculated results are stored on disk for further off-line review and editing     

超声水表流量测量特性分析及校准方法

提出一种单声道超声水表分段流量测量特性的校准方法。当管道内流体分布处于层流状态时(Re≤2000),取线平均流速v与面平均流速两者比例系数为常数;湍流时(Re≥4000),两者比例系数与雷诺数呈复杂函数关系,采用拟合直线方程的方法;过渡流时(2000相似文献   

水下声信标信号的多脉冲匹配滤波改进方法

水下声信标信号检测是搜寻黑匣子的重要技术之一。针对水下声信标信号声源级低、脉冲宽度窄所带来的检测难题,充分利用声信标信号周期短、相邻脉冲信号相关性强等特点,提出了一种基于多脉冲积分的改进匹配滤波方法,通过前后脉冲匹配方法克服标准信号匹配处理中因信号畸变带来的匹配处理增益下降,通过多脉冲累积提高积分增益。通过仿真实验验证,当取多脉冲累积数为6时,在理想白噪声环境下,所提改进方法比传统单脉冲匹配滤波检测性能提高约4 dB,特别是在存在明显多普勒影响下,传统方法适应性下降,所提改进方法有9 dB的性能提高。通过对湖上实验数据的处理也验证了所提方法的有效性。     

相关时延估计误差对测频误差的影响

声学多普勒测速技术采用宽带编码信号进行多普勒频移估计时会产生测频误差,该误差来源主要分为两种：（1）宽带信号频谱不对称;（2）相关时延存在估计误差。文章主要讨论相关时延估计误差对测频误差的影响,分析了其产生的原因以及该误差对测频误差的影响。忽略相关函数简化误差以及滤波后频点不对称,推导得到由相关时延估计误差导致的测频误差的解析式。进行了仿真和湖试数据分析,不同频移下的测频误差与理论测频误差一致,不同填充系数下的实际测速误差与理论测频误差变化趋势相同。该对比结果验证了相关时延估计误差会对测频误差产生影响,证明了由相关时延估计误差导致的测频误差的解析式可信。     

基于ADCP的明渠断面流速分布研究

利用StreamPro型声学多普勒流速剖面仪(ADCP)对北京拒马河上的胜天渠渠段流速分布进行了测试,选择上下游顺直、断面规则的测验位置,采用不同于常规测流的试验方法,将断面分割成若干条垂线,采用固定垂线法进行流速测验,得到每条垂线上不同水深位置的准确流速,获得了典型河道断面形状时的流速分布特征.在此基础上,研究了水文测流常用的中泓一点法、一点法、单垂线法、三点法等流速面积法在规则明渠流量计算时的流速代表性,从而为收集不同条件的现场流速分布数据,形成典型渠道流速分布数据库,进一步研究水文监测理论积累经验.