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。     

回波信号限幅对声学多普勒测速偏差的影响

声学多普勒测速设备常采用复协方差算法测量多普勒频移，当回波信号出现限幅时会产生频移测量偏差，进而导致测速偏差。文章基于复协方差算法分析了回波信号限幅引起多普勒测速偏差问题的原因，得出限幅后频移测量偏差随真实频移变化而呈现正弦振荡变化的规律，分别使用窄带和宽带发射信号完成回波限幅仿真计算。基于声学多普勒测速仿真器和海上试验完成了对声学多普勒测速设备回波限幅数据的采集，仿真和试验数据结果与理论分析结果一致。     

河流截面流量与速度水位关系的拟合研究

基于声学多普勒流速剖面仪测得的不同水位河流截面的平均流速,研究了走航式宽带声学多普勒流量测量系统中,流量与速度水位关系的拟合表达式。采用窄深矩形截面和梯形截面流速分布模型,结合声学多普勒流速剖面仪求得不同水位下的平均流速值,在MATLAB平台下,对两种不同截面中流量与速度水位关系进行了拟合,并求得均方根误差检验拟合的精度。仿真结果表明:通过走航式宽带声学多普勒流量测量算法求得的河流截面流量,与由流速分布模型求得的流量真值间的误差,满足单次流量测验允许的误差要求,表明给出的流量与速度水位关系拟合公式能够较好地表现河流截面的流量变化趋势。对于天然明渠流量推算具有重要的参考价值。     

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。     

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。     

一种解决BBADCP测速模糊的方法

宽带声学多普勒海流剖面仪采用重复相位编码信号和复协方差方法进行频移量的估计．具有较高的测速精度,但是在测速上具有速度模糊,在不改变原有的系统结构的基础上对宽带多普勒海流剖面仪的信号处理方法进行改进,提出采用回波自相关的第一个旁瓣的位置解决测速模糊的方法,并推导了计算公式。最后进行了数字计算和仿真。结果证明了这种方法的正确性和可行性。     

相控阵多普勒计程仪的相控波束形成

多普勒计程仪采用相控阵进行声波信号的发射和接收,不仅能够大大缩小换能器的体积,提高计程仪的适装性,还能依托相控阵本身的物理特性,无需进行声速补偿,所以在低频段获得了较多的应用。首先介绍了一维线阵波束形成的基本原理,然后分析了一维线阵的波束形成,获取多普勒计程仪发射波束及接收波束的方法,最后利用自制平面相控阵的水池测试结果与理论计算进行对比,结果表明,自制的相控阵满足多普勒计程仪的使用需求,为宽带大深度多普勒计程仪的制作奠定了基础。     

国内相控阵ADCP技术的开发研究

声学多普勒海流剖面仪（ADCP）是海洋勘测领域的一项高新技术,ADCP的相控阵技术在换能器阵体积重量不增大的条件下进一步提高了测量范围和测速精度。本文着重介绍我们开发相控阵ADCP的情况及实时处理的湖上试验结果。试验表明相控阵ADCP测流原理是可行的,测量精度可达到1cm/s。     

改进的相控阵多普勒计程仪波束形成技术

目前相控阵式多普勒计程仪的基阵体积比活塞式多普勒计程仪已经缩减了很多,该技术只需通过一个收发共用的平面基阵实现信号的发射和接收,可以同时形成4个方向的波束,大大减小了基阵的尺寸,同时还消除了声速变化对测速的影响。但在中深度和大深度多普勒计程仪设备中,换能器基阵的体积仍然限制了其适装的载体种类。以多普勒计程仪小型化思想为核心,分析了密排相控阵多普勒计程仪波束形成技术,对多普勒计程仪进行集成化、小型化设计。针对密排相控阵波束形成技术,比较其发射指向性、声源级、信噪比、系统复杂度与稀疏相控阵的差异。分析表明,在相同频率、相同发射功率以及相同尺寸的条件下,密排相控阵的收发联合响应较稀疏相控阵提高近6 dB。同时在相同测速作用距离的条件下,利用密排相控阵技术可以减少换能器阵元数,从而减小换能器尺寸,达到小型化的目的。     

宽带多普勒测速技术中跨周期模糊问题的研究

宽带声学多普勒流速剖面仪,利用伪随机编码调制发射脉冲信号以及复相关算法计算各水层反射回波的多普勒频移,进而达到测速的目的。复相关算法中,在排除模糊速度干扰的情况下,测速精度与脉冲信号的长度存在正比的关系。而脉冲宽度越长,所用来调制发射脉冲信号的编码阶数也越高,随之带来的便是速度模糊的问题。在复相关测频算法的基础上,针对长编码脉冲信号出现的周期性测频模糊情况,利用短编码脉冲信号的测频结果作为判别标准,选取恰当的周期性频偏作为计算结果,既提高了测速精度,又解决了精度提高所带来的周期性速度模糊问题,并且在实际应用中,提高了低信噪比条件下的测速精度。     

一种提高多普勒测速仪测频精度的方法

多普勒测速仪是水面或水下平台速度测量的主要设备。提出了利用随机样本一致(Random Sample Consensus,RANSAC)算法来估计多普勒频移,从而使速度测量具有更高的稳定性。多普勒测速仪信号处理的核心是测量多普勒频移,该方法利用回波复相关相位是多普勒频移的一次函数来估计多普勒频移,进而计算得到平台速度,在估计频移时采用RANSAC算法以提高测频精度。为了验证方法有效性,对信号形式为连续波(Continuous Wave,CW)脉冲对的情形进行了仿真。结果表明,提出方法的稳定性得到明显提高。     

一种低失真度多普勒测速仪回波模型的构建和分析研究

为了支撑研究并评估多普勒测速仪（Doppler Velocity Log,DVL）信号处理算法的性能,需模拟海底回波信号,故需构建失真度低的海底回波模型。文章提出了扇环形海底回波模型,在此基础上,构建了一种基于散射理论的海底回波优化模型。将此优化模型和传统模型进行了对比分析,结果表明,优化模型较传统模型,与真实海底回波之间的包络特性误差更小,宽带回波的包络特性误差降低了20%以上,验证了所构建的回波模型的有效性和优越性。     

相位编码信号声学多普勒测流中的波形参数优化方法

针对相位编码声学多普勒测流中发射信号参数固定引起的适应性不强的问题,在基于信号模糊函数及其模的二阶导数的基础上,提出了两种根据测量需求和环境条件调整发射信号波形参数的优化方法,它们是分层精度约束下取得最佳速度估计精度的波形参数优化方法以及测速精度约束下实现最细分层厚度的波形参数优化方法,分别给出了参数优化的原理和具体的操作步骤。理论分析和实验数据分析结果均表明,相对于缺省参数信号,优化参数方法得到的信号具有明显的性能优势,且优化程度与理论预测基本相符。     

宽带声学多普勒流速剖面仪的中频正交采样算法

宽带声学多普勒流速剖面仪(Broadband Acoustic Doppler Current Profile,BBADCP)发射由伪随机编码调制的正弦信号,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BBADCP的信号处理。