寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀球面散射回波模型研究.docx

1、第37卷第6期2016年11月計(jì)量學(xué)報(bào)ACTAMETROLOGICASINICAdoi：10.3969/j.issn.1000-1158.2016.06.13寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀球面散射回波模型研究易志強(qiáng)，趙知?jiǎng)?，馬修準(zhǔn)，李蕓，曾嶗，姚英彪(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江杭州310018)摘要：寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀通過(guò)處理水下體積回波信號(hào)進(jìn)行流速估計(jì)，回波模型的準(zhǔn)確度決定了理論仿真的正確性。針對(duì)回波的散射特性，通過(guò)分析水層回波信號(hào)的時(shí)空關(guān)系，提出一種球面散射水層回波模型，并利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方法推導(dǎo)出該水層回波解析式。相比其他方法.該模型解析式充分體現(xiàn)了散射體模型形狀對(duì)回波的作用，更加接

2、近實(shí)際情況。對(duì)該模型下回波信號(hào)進(jìn)行頻譜和自相關(guān)特性分析，采用復(fù)相關(guān)算法估算流速c通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果證明了該回波信號(hào)模型與解析式的正確性。關(guān)鍵詞：計(jì)量學(xué)；聲學(xué)多普勒流速剖面儀；球面散射模型；回波；速度估計(jì)中圖分類號(hào)：TB937文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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基金項(xiàng)目：浙江省自然科學(xué)基金(LQ15F010007)；浙江省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸及應(yīng)用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(杭州電子科技大學(xué))開放基金(201308)作者簡(jiǎn)介：易志強(qiáng)(1976-，男.重.慶人.杭州電子科技大學(xué)講師，博士、研究方向?yàn)闊o(wú)線通信、水聲通值。Yzq1引言寬帶聲學(xué)信號(hào)解決了窄帶聲學(xué)測(cè)流技術(shù)所存在的速度分辨率和距離分辨率的矛盾”，提高了聲吶信號(hào)處理的抗干擾能力，因此在聲學(xué)多普勒流速剖面儀中應(yīng)用廣泛。在測(cè)流過(guò)程中，多普勒流速剖面儀的換能器在某一時(shí)刻接收到的信號(hào)，其實(shí)是來(lái)自大量散射體的回波信號(hào)疊加，波形十分復(fù)雜。因此建立精確的

7、水層回波模型，構(gòu)造接近實(shí)際情況的回波信號(hào),從而在一定程度上可代替實(shí)測(cè)信號(hào)，這對(duì)水層信號(hào)的特性分析和提升相關(guān)算法研究工作的效率具有重要意義。多年來(lái)，不少學(xué)者對(duì)寬帶聲學(xué)測(cè)流回波信號(hào)進(jìn)行了研究,構(gòu)造出了多種模型。文獻(xiàn)技、4、5提出橢圓平面散射模型來(lái)進(jìn)行二維海底可波分析。而關(guān)于更為復(fù)雜的三維水層回波，目前看來(lái),僅文獻(xiàn)6、7開展了相應(yīng)研究，文獻(xiàn)6引入了立體角概念，建立了橢圓圓臺(tái)散射水層回波模型；而文獻(xiàn)7則運(yùn)用空間矢域疊加的方法，建立了散射椎體模型，但上述模型在推導(dǎo)回波解析式過(guò)程中，為降低算式復(fù)雜度，均忽略了散射模型形狀對(duì)回波的影響，從而與真實(shí)情況存在一定差異。針對(duì)上述情況，本文提出一種球面散射水層回波模

8、型，該模型能較真實(shí)地反映出回波的時(shí)空特性，根據(jù)該模型推導(dǎo)出的回波解析式復(fù)雜度較低，便于解算。根據(jù)該模型推導(dǎo)出的水層回波解析表達(dá)式，分析了模型回波信號(hào)頻譜特性和自相關(guān)性，利用復(fù)相關(guān)算法，在不同信噪比條件下對(duì)水流流速進(jìn)行估算，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了球面散射模型以及回波解析式的正確性。2回波信號(hào)時(shí)空特性分析與建模2.1寬帶聲學(xué)測(cè)流發(fā)射信號(hào)模型目前，多普勒流速剖面儀其換能器發(fā)射的寬帶編碼脈沖信號(hào)的復(fù)包絡(luò)解析式一般為s（£）=a（£）eSS（1）式中：九是載波頻率,0。為載波初始相位,a（Z）為二進(jìn)制雙極性偽隨機(jī)碼序列,通常由m序列構(gòu)成。2.2水層回波的時(shí)空特性分析聲波在水中的

9、傳播模型如圖1所示和L分別表示發(fā)射脈沖的起始時(shí)刻和結(jié)尾時(shí)刻，則發(fā)射脈沖寬度為W換能器按時(shí)間窗接收回波，不同時(shí)間窗接收到的回波來(lái)自不同水層的反射。-盲區(qū)-盲區(qū)水層Zq水層水層?jì)D水層氏.水取圖1信號(hào)回波時(shí)空?qǐng)D為具體分析水層回波信號(hào)的時(shí)空特性,下面以時(shí)間窗弓，3內(nèi)的回波信號(hào)為例。發(fā)射聲波脈沖頭部首先到達(dá)水層右處，散射后部分反射波形在丁2時(shí)刻被換能器所接收。而發(fā)射聲波脈沖尾部在水層處反射后，在r2時(shí)刻也到達(dá)換能器。由此可見,換能器在4時(shí)刻接收到的信號(hào)本質(zhì)上是整個(gè)發(fā)射脈沖中各個(gè)部分于不同時(shí)刻在相應(yīng)水層反射后疊加。同理可得,發(fā)射聲波脈沖尾部在水層上處的反射回波與頭部在水層處的反射回波，同時(shí)在T.時(shí)刻抵達(dá)換

10、能器。所以，水層LU范圍內(nèi)的回波均能在時(shí)間窗丁2,3內(nèi)被接收，其中接收到水層上的回波所占比例最大,越遠(yuǎn)離水層匕2,則接收到的回波所占比例越小。同時(shí),上述過(guò)程也清楚表明了時(shí)間窗與回波水層之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。2.3球面散射水層回波模型在實(shí)際應(yīng)用中，換能器通常采用陣列發(fā)射單元,以形成特定角度波束信號(hào),所以實(shí)際接收信號(hào)是來(lái)自于立體波束空間中回波的疊加。如圖2所示，發(fā)射波束張角為a,立體角為。在此情形下,波束的水平截面呈橢圓形。隨著深度增加,橢圓形狀變大，其遠(yuǎn)端和近端產(chǎn)生的回波因時(shí)延關(guān)系，無(wú)法在同一個(gè)時(shí)間窗內(nèi)被換能器接收，從而造成測(cè)量誤差。為克服該問(wèn)題，將4、8兩點(diǎn)與C、D兩點(diǎn)所在球面之間截取的柱狀區(qū)域作為

11、水層回波的產(chǎn)生區(qū)域,構(gòu)造出一個(gè)球面散射水層回波模型，其內(nèi)各點(diǎn)產(chǎn)生的回波相互疊加構(gòu)成了時(shí)間窗烏，馬內(nèi)換能器接收到的回波信號(hào)。該模型會(huì)造成部分區(qū)域的回波被忽略（圖2中陰影部分所示），但由前面敘述可知,被忽略的區(qū)域恰好處于某個(gè)水層的邊界附近，換能器接收到回波中,該區(qū)域所占比例很小,因此對(duì)總體效果影響不大。鑒于圖2所示的散射體形狀不規(guī)則，難以實(shí)現(xiàn)各散射點(diǎn)回波總和運(yùn)算，因此通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變?yōu)閳D3所示的正球面圓錐體。散射模型內(nèi)任一球面上各個(gè)散射體與換能器之間的距離相等，該球面上反射的回波均在同一時(shí)刻抵達(dá)換能器，在保留散射體形狀信息的同時(shí)，能夠更加方便地推導(dǎo)出回波解析式。設(shè)某球面離換能器距離為Z,則回波的信號(hào)

12、延時(shí)為：Z=21/c(2)多普勒頻移所產(chǎn)生的時(shí)間尺度壓縮因子k=M，其中c為水中聲速，是散射體相對(duì)換能器運(yùn)動(dòng)速度，以遠(yuǎn)離換能器為正?？紤]水層各個(gè)深度聲波的擴(kuò)散和衰減，各個(gè)散射體回波的衰減因子為B(1),由于測(cè)速主要是利用歸一化后回波信號(hào)的相關(guān)性，所以此處沒有考慮蘭伯特定律M,即水層深度對(duì)回波幅度的衰減效應(yīng)，從而8(。的幅度符合瑞利分布，相位符合。到2兀范圍內(nèi)均勻分布。于是，距離換能器I處球面水層上的回波信號(hào)可表示為：r(t)=2nZ21-cos(e/2)-Ai)=2nZ2l-cos(0/2)8(/)sA(z-2c)(3)綜上所述,并假設(shè)水層中散射體均勻分布，勻速流動(dòng)，忽略二次散射現(xiàn)象E。于是時(shí)

13、間窗4,7內(nèi)換能器接收到的回波信號(hào)為：r(t)=j2兀"1_cos(g)r(/)d/=-cos(¥)“(/)s輪-孑)將式(4)中積分上下限做如下替代：認(rèn)=(T3-TJc/2則式(4)最終可以改寫為：(5)2n/2t1-cos(0/2)R(l)sk(t-2/c)d/(6)將式(6)推廣到任意時(shí)間窗，即換能器接收任意水層的回波信號(hào)為：KO=f(rrTek2n/2l-cos(0/2)-2/c)d/,i=1,2,3，(7)式(7)即為換能器接收的回波信號(hào)的通用解析式。下標(biāo)I表示水層序號(hào)。需要說(shuō)明的是，由于發(fā)射波束張角為。，因此實(shí)際水層深度范圍應(yīng)約為(Ti-Tc)cI0(如-恥/1

14、2海仲+礦，一cos仲+子。3回波模型仿真為驗(yàn)證模型的正確性，將實(shí)測(cè)水層回波信號(hào)與模型回波比對(duì)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自浙江臨安青山湖水庫(kù)水層回波，按當(dāng)時(shí)實(shí)際發(fā)射信號(hào)的參數(shù)指標(biāo)來(lái)設(shè)置回波模型參數(shù):載波頻率為300kHz,寬帶信號(hào)采用4階m序列調(diào)制，碼片寬度Tb=0.02ms,序列周期兀=0.3ms,重復(fù)次數(shù)N=1O1，4J,實(shí)測(cè)回波其發(fā)射聲吶波束張角為30°,立體角為4°，水層流速約為2m/s,換能器接收時(shí)間窗對(duì)應(yīng)的水層深度為4m到6m,水中聲速假設(shè)為1500m/so將上述參數(shù)代入式(7),可解算出對(duì)應(yīng)的模型回波數(shù)據(jù)。分別對(duì)比實(shí)測(cè)回波信號(hào)與模型回波的時(shí)域波形、頻譜及自相關(guān)特性，以期驗(yàn)證

15、模型回波在波形上有無(wú)嚴(yán)重失真，頻譜及自相關(guān)特性等信息有無(wú)丟失或者錯(cuò)誤，從而判斷模型回波的正確性。圖4給出了兩者的時(shí)域波形。從圖形上看，兩者之間存在較大差異。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，主要原因是由于回波信號(hào)的信噪比不僅僅只依賴于水層的深度，同樣也受到水質(zhì)的極大影響。而水質(zhì)因素往往難以在理論模型中加以真實(shí)反映。因此在構(gòu)造模型回波時(shí),其信噪比與實(shí)測(cè)值存在較大誤差,從而造成了兩者時(shí)域波形的差異。由圖5可見，實(shí)測(cè)信號(hào)因水層流動(dòng)造成多普勒頻移，從而導(dǎo)致回波信號(hào)頻譜的中心頻率產(chǎn)生偏移，頻譜略有展寬(。而回波模型的頻譜形狀與實(shí)測(cè)信號(hào)接近，同樣也存在頻率偏移及展寬，頻偏信息得以保留。圖6則給出了相關(guān)特性的對(duì)比，兩者在相關(guān)峰個(gè)

16、數(shù)和位置上基本一致，從而可得相對(duì)于實(shí)測(cè)信號(hào)，盡管時(shí)域波形有所不同，但模型回波中用于測(cè)速估算的回波信號(hào)相關(guān)特性沒有丟失或發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤，因此可以用來(lái)進(jìn)行速度估算。這里需要指出的是，根據(jù)參數(shù)設(shè)置，聲波信號(hào)的總長(zhǎng)度為3ms,頻譜主瓣寬度為1.00.50.0-0.5-1.08.08.59.09.510.010.511.0醐時(shí)間/ms(a)實(shí)測(cè)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叩凱呷N腫她M腳岫岫岫血岫岫9.09.510.010.5接收時(shí)間/ms(b)回波模型波形11.0圖4時(shí)域波形對(duì)比1001.00.80.

17、60.40.2000200300400500600頻率/kHz(a)實(shí)測(cè)回波頻譜A100200300400500600頻率/kHz(b)回波模型頻譜1.01.0-2-1012時(shí)間延i&ms(a)實(shí)測(cè)回波自相關(guān)特性圖5頻譜對(duì)比5O0.00.0-0.5-3-2-101時(shí)間延遲/ms(b)回波模型自相關(guān)特性圖6自相關(guān)特性對(duì)比1/八，相關(guān)峰個(gè)數(shù)應(yīng)為2N-1=19。而圖6中無(wú)論實(shí)測(cè)信號(hào)還是回波模型，其相關(guān)峰的數(shù)最均較發(fā)射信號(hào)有所減少。這是因?yàn)槎鄠€(gè)水層回波信號(hào)相互疊加，在一定程度上破壞了原始信號(hào)的時(shí)間分辨率所致m】。通過(guò)對(duì)比可見，采用球面散射回波模型所計(jì)算出的回波，時(shí)域波形與實(shí)測(cè)值較為接近，而頻譜

18、特性及自相關(guān)特性則基本體現(xiàn)出了實(shí)測(cè)回波所攜帶的信息，初步驗(yàn)證了模型的正確性。為進(jìn)一步驗(yàn)證模型，在不同信噪比條件下,采用復(fù)相關(guān)算法，對(duì)模型回波進(jìn)行水層流速估算，每個(gè)信噪比條件下仿真100次后獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以期驗(yàn)證是否能完成水層流速的正確估算,從而達(dá)到讓模型回波替代實(shí)測(cè)信號(hào)作為原始數(shù)據(jù)，用來(lái)完成有關(guān)水層回波信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的目的。估算結(jié)果如圖7所示?？梢钥吹?針對(duì)模型回波，復(fù)相關(guān)算法能高精度的估算出水層流速，與實(shí)測(cè)數(shù)值誤差較小，估值的標(biāo)準(zhǔn)誤差隨信噪比的提高而減小。因此，仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型以及相應(yīng)回波解析式的正確性。圖7測(cè)速均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差2信噪比/dB(b)測(cè)速標(biāo)準(zhǔn)誤差§0.020逕

19、0.0】5費(fèi)001。30.005蕖0.000本文根據(jù)水層回波散射的空時(shí)特征，構(gòu)造出一種球面散射水層回波模型，并利用坐標(biāo)變換方法推導(dǎo)出回波信號(hào)解析式。通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型回波的時(shí)頻域波形及相關(guān)峰圖形，驗(yàn)證出模型回波具備了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同樣的特性。采用復(fù)相關(guān)算法對(duì)模型回波信號(hào)進(jìn)行流速估算，對(duì)比實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果，進(jìn)一步證明了回波信號(hào)理論模型與解析式的正確性。該模型下產(chǎn)生的回波完全可以在一定程度上代替不同條件下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行相關(guān)算法的研究與設(shè)計(jì)，為研究工作帶來(lái)較大便利。參考文獻(xiàn)1BrumleyBH,CabreraRG,DeinesKL,etal.PerformanceofaBroad-BandAcous

20、ticDopplerCurrentProfilerJ.IEEEJournalofOceanicEngineering,1991,16(4)：402-407.2 齊本勝，范新南，王森，等.寬帶聲學(xué)多普勒測(cè)流儀設(shè)計(jì)J】.儀器儀表學(xué)報(bào),2003,24(4)：233-234.3 黃雄飛，苑秉成,林偉.寬帶多普勒計(jì)程儀速度解模糊方法研究JL儀器儀表學(xué)報(bào),2010,31(8)：1885-1889.4 黃雄飛，苑秉成.寬帶多普勒聲吶回波模型及特性研究J.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,36(1)；161-164.5 張占陽(yáng).寬帶多普勒計(jì)程儀測(cè)頻方法及其軟件設(shè)計(jì)D.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.6 周亦軍，彭東立.寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀回波信號(hào)模型分析J.聲學(xué)技術(shù),2012,31(2)：179-183.7 劉德鑄，孫大軍，張殿倫.利用波束散射模型分析BBADCP的性能J.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010,31(3)：307-311.8 馬淳燕.寬帶相控多普勒測(cè)速技術(shù)研究D.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2009.9 RudolphD,WilsonTA.DopplerVelocity