本發(fā)明涉及一種新的ADCP滑動(dòng)平均精細(xì)化處理方法，用于對(duì)聲學(xué)多普勒流速剖面儀測(cè)量方法的改進(jìn)，屬于水聲信號(hào)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)是一種利用多普勒原理工作的測(cè)速聲納，廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋開(kāi)發(fā)、海洋科學(xué)研究等領(lǐng)域。在整個(gè)ADCP系統(tǒng)中，算法是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂與核心，算法性能的好壞直接影響著最終的測(cè)流結(jié)果。ADCP通過(guò)換能器下水體中發(fā)生聲波脈沖，發(fā)射完畢后換能器迅速切換至接收狀態(tài)接收水體中的散射回波，通過(guò)計(jì)算回波信號(hào)中的多普勒頻偏得到水流相對(duì)于ADCP的運(yùn)動(dòng)速度，從而求得水流的流速。

ADCP相對(duì)于以往機(jī)械式的流速測(cè)量?jī)x，其主要優(yōu)勢(shì)之一是可以得到水流的剖面流速，故在測(cè)量前需對(duì)水流進(jìn)行分層，分別得到分層后每個(gè)流層的流速再繪制流速剖面圖。對(duì)于一段已接收的回波信號(hào)，ADCP系統(tǒng)通過(guò)固定長(zhǎng)度的時(shí)間門對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行劃分，不同時(shí)段的回波對(duì)應(yīng)不同深度流層，通過(guò)聲波在水體中的速度將回波的時(shí)間段與水體的空間段聯(lián)系起來(lái)。由于發(fā)射的聲脈沖是一段時(shí)長(zhǎng)的信號(hào)，故任意時(shí)刻的回波大小是發(fā)射脈沖不同部分在不同水流深度處散射體散射的疊加總和。故用于計(jì)算某一流速的單幀回波信號(hào)中總有相鄰流層的散射體的作用，使得相鄰層流速對(duì)本層流速的計(jì)算產(chǎn)生干擾。當(dāng)相鄰流層水流速度變化較大時(shí)，這種干擾作用顯得尤其明顯。就目前而言，在ADCP研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外對(duì)這一問(wèn)題的研究甚少，相關(guān)公司及研究機(jī)構(gòu)也未提出對(duì)這一問(wèn)題的官方正式解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)ADCP測(cè)量中出現(xiàn)的相鄰流速對(duì)本層流速計(jì)算時(shí)的干擾問(wèn)題，本發(fā)明提供一種新的ADCP滑動(dòng)平均精細(xì)化處理方法，對(duì)回波信號(hào)精細(xì)化處理模式，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行劃分時(shí)，相鄰兩幀信號(hào)相互重疊，使得對(duì)某一特定流層流速進(jìn)行滑動(dòng)平均處理的樣本點(diǎn)變多，從而提高測(cè)量精度，消除流速測(cè)量時(shí)的層間干擾問(wèn)題。

技術(shù)方案：一種新的ADCP滑動(dòng)平均精細(xì)化處理方法，包括以下步驟：

1.設(shè)計(jì)回波信號(hào)精細(xì)化處理模式。傳統(tǒng)的ADCP回波處理都是非精細(xì)化處理模式，在這種模式下，按照發(fā)射信號(hào)的長(zhǎng)度對(duì)接收的一段回波信號(hào)進(jìn)行等長(zhǎng)劃分，劃分后得到的信號(hào)中相鄰兩幀回波數(shù)據(jù)沒(méi)有重疊。而在精細(xì)化處理模式下，按照發(fā)射信號(hào)的長(zhǎng)度對(duì)接收的一段回波信號(hào)進(jìn)行等長(zhǎng)劃分，劃分后得到的相鄰兩幀回波數(shù)據(jù)相互重疊。重疊大小可在顯控端設(shè)置。

2.用戶利用顯控端的顯控界面的儀器配置模塊設(shè)置精細(xì)化處理時(shí)各幀回波信號(hào)的重疊率，通過(guò)異步串口將相關(guān)信息傳送到開(kāi)發(fā)板。開(kāi)發(fā)板根據(jù)接收到的回波信號(hào)的重疊率對(duì)回波進(jìn)行劃分。對(duì)于劃分后得到的單幀回波信號(hào)，利用復(fù)自相關(guān)運(yùn)算得到該幀信號(hào)中的多普勒頻偏，從而求得單幀回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的流速。

3.基于分層原理，采用滑動(dòng)平均處理方法抑制相鄰流層對(duì)本層流速計(jì)算時(shí)的干擾。滑動(dòng)平均處理的單個(gè)樣本點(diǎn)為單幀回波信號(hào)計(jì)算得到的多普勒頻偏值，用于滑動(dòng)平均的樣本點(diǎn)的選取依據(jù)為：對(duì)于某一待測(cè)的流層，若某幀回波中待測(cè)流層的散射體對(duì)這幀信號(hào)的散射時(shí)間超過(guò)該幀信號(hào)總時(shí)間的一半，則該幀信號(hào)得到的頻偏可用作為待測(cè)流層滑動(dòng)平均處理的樣本點(diǎn)。否則不用于待測(cè)流層滑動(dòng)平均處理的樣本點(diǎn)。

4.確定滑動(dòng)平均處理時(shí)各樣本點(diǎn)的加權(quán)系數(shù)。對(duì)于用于滑動(dòng)平均處理的各樣本點(diǎn)，根據(jù)分層原理，對(duì)于n點(diǎn)滑動(dòng)平均處理，分別得到各幀信號(hào)中待測(cè)流層散射體對(duì)本幀信號(hào)的作用時(shí)間占本幀信號(hào)時(shí)間總長(zhǎng)度的比值，分別記作a₁，a₂…a_n，則各樣本點(diǎn)的加權(quán)系數(shù)w₁，w₂…w_n分別為a₁/(a₁+a₂+...a_n)，a₂/(a₁+a₂+...a_n)….a_n/(a₁+a₂+...a_n)。根據(jù)各樣本點(diǎn)數(shù)值和加權(quán)系數(shù)，通過(guò)滑動(dòng)平均法得到最終的流速。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：

1.通過(guò)滑動(dòng)平均處理，有效地抑制了計(jì)算某一特定流層測(cè)速時(shí)相鄰流層對(duì)本層流速的干擾。

2.分層的精細(xì)化程度即用于滑動(dòng)平均處理的樣本數(shù)可根據(jù)當(dāng)前海洋環(huán)境的不同而改變。系統(tǒng)加強(qiáng)了開(kāi)發(fā)板與上位機(jī)的通信，精細(xì)化處理時(shí)，各幀回波信號(hào)的重疊率可根據(jù)用戶的意愿改變，開(kāi)發(fā)板會(huì)根據(jù)接收到的不同的重疊率改變算法的相應(yīng)參數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1為ADCP分層原理；

圖2(a)是非精細(xì)化處理模式下回波劃分示意圖，圖2(b)精細(xì)化處理模式下回波劃分示意圖；

圖3為發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程；

圖4(a)是非精細(xì)化處理模式下各流層預(yù)設(shè)頻偏與測(cè)量結(jié)果，圖4(b)是非精細(xì)化處理模式下2點(diǎn)滑動(dòng)平均處理后各流層預(yù)設(shè)頻偏與測(cè)量結(jié)果，圖4(c)是精細(xì)化處理模式下3點(diǎn)滑動(dòng)平均處理后各流層預(yù)設(shè)頻偏與測(cè)量結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1所示，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示水流深度，其中0到h₁這一段是盲區(qū)，h₁之后的水流深度按層厚進(jìn)行等分，h₁到h₂是第一層水流深度，h₂到h₃是第二層水流深度，以此類推。在0時(shí)刻換能器發(fā)射聲波信號(hào)，T時(shí)刻發(fā)射完成，發(fā)射信號(hào)總長(zhǎng)度為T。對(duì)于第n層水流的流速水體分層中，第n層即深度范圍在h_n～h_n+1這一段水流的流速，在算法實(shí)現(xiàn)中對(duì)應(yīng)著回波中t_n～t_n+1，t_n時(shí)刻接收的回波是聲脈沖始端在h_n+1處、末端在h_n處及其余各段在h_n～h_n+1中對(duì)應(yīng)位置處的散射疊加，用線段AB表示。t_n+1時(shí)刻接收的回波對(duì)應(yīng)聲脈沖在水中散射的區(qū)域用線段EF表示。AB、EF的方向均表示散射回波在水中的傳播方向，必有AB平行于EF，當(dāng)A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到E點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)也處于F點(diǎn)，當(dāng)線段從AB沿著線段AE(或者BF)方向運(yùn)動(dòng)到EF時(shí)，在時(shí)間軸上對(duì)應(yīng)著t_n到t_n+1這一段回波，第n層的流速信息是通過(guò)這段回波求得的。在緊接著t_n的下一個(gè)時(shí)刻，聲脈沖的始端剛開(kāi)始離開(kāi)A點(diǎn)即剛開(kāi)始離開(kāi)第n層水流，進(jìn)入第n+1層，此時(shí)該時(shí)刻的回波中已有一部分是下一個(gè)水層對(duì)回波的貢獻(xiàn)，直到t_n+1時(shí)刻，EF已完全位于第n+1層水流中，t_n+1時(shí)刻回波信號(hào)中沒(méi)有第n層散射體對(duì)回波信號(hào)的散射作用。故用于計(jì)算第n層的回波信號(hào)t_n～t_n+1中可用于計(jì)算第n層流速的信號(hào)占總信號(hào)長(zhǎng)度的二分之一，故傳統(tǒng)ADCP回波處理方式中當(dāng)前流層的測(cè)量總有下一層流層的流速對(duì)本層流速的干擾。對(duì)于計(jì)算第n-1層的回波信號(hào)t_n-1～t_n中可用于計(jì)算第n-1層流速的信號(hào)占總信號(hào)長(zhǎng)度的二分之一，可用于計(jì)算第n層流速的信號(hào)同樣占總信號(hào)長(zhǎng)度的二分之一。故對(duì)于第n層流速，在未采樣精細(xì)化處理的模式下，可采用兩點(diǎn)滑動(dòng)平均處理的方式抑制相鄰層數(shù)對(duì)本層流速的干擾，加權(quán)系數(shù)各為1/2。而進(jìn)行回波信號(hào)精細(xì)化處理后，可用于滑動(dòng)平均處理的樣本點(diǎn)數(shù)變多，處理效果變好。

圖2(a)是非精細(xì)化處理模式下回波劃分示意圖，劃分后相鄰兩幀回波間沒(méi)有重疊，圖2(b)是精細(xì)化處理模式下回波劃分示意圖，劃分后相鄰兩幀回波間有重疊，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，劃分回波信號(hào)的長(zhǎng)度大小對(duì)應(yīng)著發(fā)射信號(hào)的大小，劃分后各幀回波信號(hào)是等長(zhǎng)的。對(duì)于開(kāi)發(fā)板，設(shè)置的重疊率為a，N'是精細(xì)化處理后的分層層數(shù)，N是精細(xì)化處理前的分層層數(shù)，

則有通過(guò)精細(xì)化處理，使得滑動(dòng)平均處理時(shí)樣本點(diǎn)數(shù)變多，滑動(dòng)平均處理效果變好。

如圖3所示，用戶可根據(jù)當(dāng)前測(cè)量環(huán)境與測(cè)量要求在顯控端設(shè)置精細(xì)化處理程度，即劃分回波信號(hào)時(shí)各幀回波的重疊率。開(kāi)發(fā)板接收到顯控端傳來(lái)的重疊率，依據(jù)重疊率對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行劃分。若發(fā)射信號(hào)長(zhǎng)度為T，在非精細(xì)化處理模式下，相鄰兩幀回波信號(hào)的起始點(diǎn)間隔為T。本例中精細(xì)化處理模式設(shè)置回波信號(hào)的重疊率為50％，相鄰兩幀回波信號(hào)的起始點(diǎn)間隔為T/2。對(duì)于非精細(xì)化處理模式下的滑動(dòng)平均處理，第n層流速可用t_n-1～t_n和t_n～t_n+1這兩段信號(hào)求得的流速進(jìn)行簡(jiǎn)單滑動(dòng)平均處理得到。對(duì)于本例中重疊率為50％精細(xì)化處理模式下，t_n-1～t_n+1這一段回波共可分為3幀信號(hào)，每幀回波中第n層散射體的作用時(shí)間占回波信號(hào)的總時(shí)間分別為1/2、3/4、1/2，滑動(dòng)平均處理時(shí)各樣本點(diǎn)加權(quán)系數(shù)的計(jì)算對(duì)應(yīng)公式分別為(1/2)/(1/2+3/4+1/2)、(3/4)/(1/2+3/4+1/2)、(1/2)/(1/2+3/4+1/2)，大小分別為2/7、3/7、2/7。根據(jù)各樣本點(diǎn)大小與加權(quán)系數(shù)，通過(guò)滑動(dòng)平均處理得到最終的流速。

圖4(a)是非精細(xì)化處理模式下未進(jìn)行滑動(dòng)平均處理時(shí)各流層的仿真結(jié)果，由于各流層的預(yù)設(shè)頻偏呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，用于計(jì)算本層流速的回波信號(hào)中總有下一層水體中的散射體的散射作用，測(cè)量得到的結(jié)果整體偏大。圖4(b)是非精細(xì)化處理模式下2點(diǎn)滑動(dòng)平均處理后各流層的仿真結(jié)果，測(cè)量得到的結(jié)果相對(duì)于圖4(a)各測(cè)量值普遍降低，但對(duì)于流層突變的流速值測(cè)量誤差較大，不能反應(yīng)該流層的流速細(xì)節(jié)。圖4(c)是精細(xì)化處理模式下3點(diǎn)滑動(dòng)平均處理后各流層的仿真結(jié)果，與預(yù)設(shè)頻偏相仿，流層突變的細(xì)節(jié)也凸顯出來(lái)，測(cè)量效果較好。

一種新的ADCP滑動(dòng)平均精細(xì)化處理方法可以有效地抑制流速測(cè)量時(shí)相鄰流層對(duì)本層流速的干擾，同時(shí)可根據(jù)當(dāng)前環(huán)境調(diào)整劃分的各回波重疊率，適時(shí)地調(diào)整精細(xì)化處理程度，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。