寬帶聲學多普勒流速剖面儀的中頻正交采樣算法.docxVIP

1、聲學技術(shù)TechnicalAcoustics寬帶聲學多普勒流速剖面儀的中頻正交采樣算法彭東立，馬海濤，許偉杰(中國科學院聲學研究所東海研究站，上海200032)摘要：寬帶聲學多普勒流速剖面儀(BroadbandAcousticDopplerCurrentProfile,BBADCP)發(fā)射由偽隨機緘碼調(diào)制的正弦信號，信號帶寬在頻域上產(chǎn)生展寬，成為帶通信號。寬帶回波信號的處理多采用正交解調(diào)的方法，但此方法對采樣率的要求較高，硬件較難實現(xiàn)。利用數(shù)字中頻正交采樣法來實現(xiàn)，大大降低了采樣頻率，并且針對BBADCP解模糊速度的要求，進行了寬帶回波信號的仿真試驗，結(jié)果證明插值的數(shù)字中頻正交采樣法適合于BBA

2、DCP的信號處理。關(guān)鍵詞：聲學多普勒流速剖面儀；中頻正交采樣：模糊速度；復(fù)協(xié)方差算法中圖分類號：TN911.7文獻標識碼：A文童編號：1000-3630(2013)-01-0015-04DOI編碼：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引言聲學多普勒流速剖面儀(AcousticDopplerCurrentProfile,ADCP),是一種利用換能器發(fā)射的聲脈沖，在隨水流運動的懸浮物質(zhì)中所產(chǎn)生回波的多普勒頻移，而進行流速測量的儀器。當頻率為久的聲波在海水中傳播時，有一部分能量被隨海流而動的散射體散射回來，這些回波信號經(jīng)接收處理后可以測得其頻率為fr.根據(jù)

6、多普勒頻移原理，只要聲源(或接收器)與散射體之間有相對運動，則萬云fo,其差值為為：fd=fr-JQ=-fo其中：u為收發(fā)換能器與散射體的徑向相對速度，c為聲速，a為掠射角。收精日期：2012-04-13;修回日2012-07-08作者簡介：彭東立(1980-),男，湖北隨州人，博士，研究方向為水次信號處理.通訊作者：彭東立,E-mail:bemou2000寬帶聲學多普勒流速剖面儀(BroadbandAcousticDopplerCurrentProfile»BBADCP),使用具有隨機噪聲統(tǒng)計特性的偽隨機碼，對寬脈沖進行相位調(diào)制。接收回波信號時，使用同樣的偽隨機碼進行相干解調(diào)，獲得

7、兩路正交的解調(diào)信號。利用脈沖對的復(fù)協(xié)方差算法，可以獲取BBADCP回波信號的多普勒頻移，進而可準確測定特定水層的流速。偽隨機碼調(diào)制的脈沖信號在頻域發(fā)生了頻段展寬，傳統(tǒng)方法是采用模擬方法實現(xiàn)信號的正交變換，此方法的缺點是本振信號不正交時，會產(chǎn)生虛假信號I氣為了減小模擬方法帶來的誤差，可在正交變換之前就對信號進行數(shù)字采樣，利用軟件實現(xiàn)信號的正交變換，此方法的缺點是對A/D采樣的要求比較高，對中高頻信號來說，硬件上較難實現(xiàn)。對中頻寬帶信號可以利用低通濾波法、插值法和多相濾波法等中頻數(shù)字正交化處理方法獲取正交雙通道信號。低通濾波法幾乎在整個頻帶內(nèi)都具有相對較平坦的鏡頻抑制比，信號的歸化帶寬在40%左右

8、時也可以達到170dB左右的鏡頻抑制比，所以本文對偽隨機碼調(diào)制的寬帶回波信號采用低通濾波法進行正交變換，仿真結(jié)果表明，數(shù)字中頻正交采樣法適合于BBADCP的回波信號處理。1ADCP的正交解調(diào)在ADCP中可以通過模擬正交解調(diào)獲得基帶信號的復(fù)數(shù)形式，再利用脈沖對的復(fù)協(xié)方差算法獲得同波信號的多普勒頻偏，進而得到水流的分層流速。設(shè)回波信號為y*（f）=/cos2而+2礦f+e（2）式中：4為回波幅值，人為載頻，人為多普勒頻偏,。為初始相位。模擬正交解調(diào)如圖1所示。cos(2鞏。圖I信號的模擬正交解調(diào)Fig.lThesimulatedquadraturedemodulationofthesignal復(fù)信

9、號蹈復(fù)相關(guān)運算首先用相互正交的兩路信號分別與輸入信號做乘法運算，得到兩路混頻信號，再分別進行低通濾波，濾除混頻信號中的高頻部分，得到兩路信號仙）和ZW：，（。=；4血2形+創(chuàng)（3a）f2（0=|/cos2nfdt+0（3b）把兩路信號合成復(fù)信號為§cos（2咐+e）+isin（2咐+6）=§時山裕）"）對復(fù)函數(shù)做復(fù)相關(guān)運算，有4e"初（SM）.4cT（2"+6）df二2e，2.rJo224由式（5）可以看出，復(fù)相關(guān)值與發(fā)射信號的載頻及初始相位無關(guān)，僅與回波信號的多普勒頻偏有關(guān)。對復(fù)相關(guān)函數(shù)求取一階譜矩，就可以得到回波信號的多普勒頻偏，進而計算分

10、層水流流速。圖1為用模擬方法實現(xiàn)信號正交變換的原理框圖，該方法的主要缺點是需要產(chǎn)生正交的兩個本振信號海（2戒，）和sin（2戒）,當這兩個本振信號不正交時，就會產(chǎn)生虛假信號，而用模擬本振的方法來進行虛假抑制是非常困難的。為減小模擬方法帶來的誤差，可進行數(shù)字混頻正交變換。數(shù)字混頻正交變換利用模擬信號f（t）數(shù)字化采樣后形成數(shù)字序列f（n）,然后與兩個數(shù)字正交本振序列cos（2戒）和sin（2從）相乘，再通過數(shù)字低通濾波來實現(xiàn)，如圖2所示。由于兩個正交本振序列的形成和相乘都是數(shù)學運算的結(jié)果，使正交性可以得到保證。利用數(shù)字混頻進行正交變換的主要缺點是需要在高頻進行采樣數(shù)字化，從而對A/D采樣的要求比

11、較高。圖2數(shù)字混頻的正交變換Fig.2TheorthogonaltransformofthedigitalfrequencymixingLPF復(fù)相關(guān)運算2BBADCP的數(shù)字中頻正交采樣BBADCP發(fā)射的偽隨機編碼調(diào)制的脈沖信號屬于寬帶信號。為了避免模擬正交解調(diào)本振信號正交性帶來的虛假信號，也為了避免數(shù)字混頻正交變換的高采樣率要求，本文采用數(shù)字中頻正交采樣的低通濾波法進行BBADCP回波信號處理。假設(shè)一個寬帶信號可以表示為/（。=如）cos2戒f+6（/）（6）式中：力。）、。分別為包絡(luò)和相位調(diào)制函數(shù)，L為載頻或中頻。按以下采樣頻率對其進行采樣匕=器j=°，1，2式（7）中，m選取的最

12、大值要滿足帶通采樣定理。采樣后的序列為：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嚴()，為偶數(shù)(-1尸(-1)(T2q()，為奇數(shù)式中：/()=/()cos,。(”)=/()sin6()分別為基帶信號的同相分量和正交分量。由式(8)可以看出，只需進行符號修正，可直接由采樣值交替得到信號的同相分量/()和正交分量0”)。通過低通濾波器，并進行1/2抽取的/、。兩路輸出信號在時間上相差一個采樣周期，如果要得到相同時刻的1、Q值，就需要

13、對時域采樣信號進行插值，使兩路信號在時域?qū)R，如圖3所示。cos（2瓦”戶1,0,-1,0sin（2盼）=0,】,0,-1圖3低通濾波的數(shù)字中頻正交采祥Fig.3ThequadraturesamplingofIFsignalinlowpassfilter3模糊速度的區(qū)域判別文獻5介紹了一種利用時延估計對模糊速度進行區(qū)間判別的方法。文獻6在時延變化的邊界區(qū)域，結(jié)合復(fù)協(xié)方差算法進行修正，從而避免由時延誤差帶來的區(qū)間誤判。在邊界區(qū)域的判別中，文獻6規(guī)定了1/4的可疑范圍，增加了判別的復(fù)雜度。本文仍然是利用時延估計對模糊速度進行區(qū)間判別，但在區(qū)間判別的方式上進行了簡化。假設(shè)二相相位編碼信號重復(fù)一次，編

14、碼信號的脈間時延與速度的對應(yīng)關(guān)系如式(9)所示，即脈間時延與速度成線性關(guān)系。半y(9)其中：A為碼元數(shù)，t為碼元寬度。速度的真實值V與采用復(fù)協(xié)方差法得到的計算v/v<,圖4真實速度與復(fù)協(xié)方差法計算速度之間的關(guān)系Fig.4Therelationshipbetweentruevelocityandambiguousvelocitycalculatedviacomplexcorrelationmethod值此之間的關(guān)系如圖4所示，其中，實線對應(yīng)的是真實速度值，梅花點對應(yīng)的是由復(fù)協(xié)方差算法得到的模糊速度值，為解決模糊問題，必須準確地判斷模糊速度值所在的模糊區(qū)間，即需要確定值。速度的真實值y與計算

15、速度&的關(guān)系式如式(10)所示:v=2mva+veizn=0,±l,±2-(10)其中：*為模糊速度，-va<vc<vao由式(1)可知，水流流速與多普勒頻偏成正比，則式(10)中的速度關(guān)系可轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率關(guān)系：刀=2戒+/,m=0,±l,±2(11)其中：九為模糊頻率，-皿<撲由式(11)得m=(DEa(12)其中：力為由時延估計得到的頻偏值，包含模湖區(qū)間，計算精度不高，在模糊區(qū)間的邊緣，可能會由于計算的不準確引起s值的跳變；人為由復(fù)協(xié)方差法計算得到的頻偏值，而復(fù)協(xié)方差法是由反正切值計算而來，在模糊區(qū)間的邊緣會發(fā)生函數(shù)值正負號的變

16、化，不包含模糊區(qū)間，計算精度高。與人的差值即為模糊區(qū)間X區(qū)間數(shù)目由于ADCP的回波信號受疊加和噪聲的影響，所以由時延估計得到的頻偏值為精度不高，由其計算得到模糊區(qū)間數(shù)值巾會偏離整數(shù)值。若為=300kHz,£=31,*2,每個碼元中填充六個正弦波，碼元寬度1=20四，加性高斯白噪聲干擾，信噪比為I0dB,由信號時延估計的Cramer-Rao下限可知叫編碼脈沖時延估計的標準方差為其中：T=以為信號寬度(取一段碼元的長度)，陽為信號帶寬(碼元寬度的倒數(shù))，S/N為信噪比。模糊區(qū)間寬度對應(yīng)的時延變化量為AT®2v=»3.33pscJo即時延估計標準差的Cramer-Rao

17、下限要比區(qū)間寬度小一個數(shù)量級，所以直接對計算得到的模糊區(qū)間數(shù)值m取整，即可得到模糊區(qū)間數(shù)目A/,避免了文獻6中對模糊區(qū)間的再次劃分，簡化了計算方法。利用時延估計的方法解決寬帶ADCP的速度模糊問題的流程圖如圖5所示。4寬帶信號回波仿真假設(shè)發(fā)射信號的中心頻率(即中頻頻率)為300kHz,波束寬度為4.2。，發(fā)射信號的掠射角為70。，寬帶信號采用6階的m序列調(diào)制，碼元數(shù)為63位,時延計算”值復(fù)相關(guān)法計算速度*|m值修正丁1'獲得精確流速值v時延計算”值復(fù)相關(guān)法計算速度*|m值修正丁1'獲得精確流速值v圖5BBADCP的計算流程圖Fig.5Thecalculationflowchar

18、tofBBADCP編碼重復(fù)次數(shù)為4,每個碼元寬度包含四個信號周期，回波信號的采樣頻率為240kHzo為了模擬真實的海水回波，假設(shè)回波信號的復(fù)包絡(luò)符合瑞利分布，多普勒頻偏符合高斯分布，隨機相位在(0,2冗)之間符合均勻分布，得到回波信號的時域波形和頻譜如圖6所示也00.20.40.60.811.21.41.61.82"ms(a)回波時域信號0|瞄頗IA150200250300350400450/kHz(b)網(wǎng)波頻漕z/ms(c)回波自相關(guān)函數(shù)Fig.6圖6回波模擬信號的時域波形及頻諧Wavefonn,spectrumandautocorrelationofvolumereverbera

19、tionsignal利用第3節(jié)中的數(shù)字中頻正交采樣方法，計算-1010m/s之間的速度誤差，利用第4節(jié)中介紹的解速度模糊的方法，計算結(jié)果如圖7所示。由圖6(a)可見，本文所介紹的中頻正交采樣方法能夠很好地對測速模糊區(qū)間進行校正，不會發(fā)生區(qū)間誤判。由圖6(b)可見，單次測速誤差均在0.04m/s之內(nèi)，再通過計算平均，速度誤差可以降低到O.OIm/s之內(nèi)，符合BBADCP的精度1%的要求。5結(jié)論本文在BBADCP正交解調(diào)進行寬帶回波信號.10-8-6-4-20246810模擬速度/(ms。(a)m(ft的修正0.040.020-0.02-0.04F0.8-6-4-20246810模擬速度/(m)(

20、b)速度計尊精度圖7計算結(jié)果的桁值修正及計算精度Fig.7ThemodificationofmvaJueandthecalculationaccuracyofcalculatedresults處理的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字中頻正交采樣方法，大大降低了接收信號的采樣頻率，降低了對接收信號的處理要求。結(jié)合BBADCP對回波信號模糊速度的處理要求，利用數(shù)字中頻正交采樣的方法進行仿真，能夠很好地解決速度模糊問題，速度誤差也可控制在允許的精度范圍之內(nèi)，證明本方法在BBADCP上的使用是可行的。參考文獻IMillerKS,RochwargcrMM.Acovarianceapproachtospectralmome

21、ntestimation(J).IEEETrans,Inform.Theory.1972,18(5):588-596.2朱昊，劉文麻.復(fù)自相關(guān)技術(shù)在聲學多普勘流速剖面儀中的應(yīng)用及其定點DSP實現(xiàn)J.兵工學報,2006,27(3):451-457.ZHUHao,LIUWenyao.ImplementationofacomplexselfcorrelationmethodonADCPanditsrealizationonfixedDSPJ.ACTAARMAMEMTARII,2006,27(3):451-457.3 物小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用ML電子工業(yè)出版社,2001.YANGXiaoniu.LOUCaiyi,XUJianliang.Theoryandapplicationofsoftwareradio(M.PublishingHouseofElectronicsIndustry,2001.4 楊明磊，陳伯孝，張守宏.寬帶信號的中頻正交采樣JJ.現(xiàn)代宿達,2007,29(3):47-51.YANGMinglei,CHENBaixiao,ZHANGShouhong.QuadraturesamplingofwidebandIFsignalJ.ModemRadar,2007,29(3):