CN105572650A - 一种宽带复相关流速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带复相关流速测量方法，采用时间交替采样技术对回波信号进行采样得到离散采样序列，分别对离散采样序列作复相关算法处理和互谱自相关算法处理，复相关算法处理过程中增加复相关点数，并采用奇偶两路并行复相关处理保证流速测量的实时性，互谱自相关算法处理对时间交替采样数据作互谱插值延时估计得到时延值，采用该延时值粗测流速值作为流速值大小区间的判断标准，辅助复相关算法流速测量，修正流速测量量程；优点是复相关算法处理和互谱自相关算法处理相辅相成，通过采用时间交替采样技术提高信号的采样率，结合互谱自相关算法粗测的流速值辅助复相关算法进行流速测量，测量精度高，且测量量程宽。

Description

一种宽带复相关流速测量方法

技术领域

本发明涉及一种流速测量方法，尤其是涉及一种宽带复相关流速测量方法。

背景技术

随着资源日益匮乏,开发海洋水域资源成为经济发展的急迫需求。海洋水域的流速为海洋水域环境的重要参数，也是海洋水域活动的重要依据。现有的流速测量方法主要是基于宽带复相关技术，文献《宽带多普勒海流计测速方法研究》提出基于宽带复相关算法的流速研究。该文献中，流速测量的具体过程为：首先利用脉冲信号发生器产生单频脉冲信号，采用M序列码对该单频脉冲信号进行二进制编码得到子脉冲信号，将多个子脉冲信号依次进行拼接得到调制脉冲信号；接收该调制脉冲信号经海洋水域反射回的信号，并采集得到该信号的回波信号；最后采用宽带复相关算法对该回波信号进行处理，得到流速。

该流速测量方法中，回波信号是一个含噪声的随机信号，回波信号的强度、噪声干扰和回波信号的传播损耗等都影响流速测量的精度，复相关算法能够滤除一定的白噪声，具有较好的抗干扰能力，由此该流速测量方法精度较高，但是复相关算法在对回波信号进行处理的过程中，得到的回波信号的复相关函数的相位信息具有周期性,流速的测量范围受到了限制，由此该方法量程较窄。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量精度高，且测量量程宽的宽带复相关流速测量方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种宽带复相关流速测量方法，包括以下步骤：

①获取回波信号

①-1利用脉冲信号发生器生成频率为f₀的单频脉冲信号，f₀＝1.5MHz；

①-2采用码元数为L、码元宽度为Δτ的M序列码对单频脉冲信号进行二进制编码得到子脉冲信号，码元数L＝15，码元宽度Δτ为填充10个单频脉冲信号周期，将子脉冲信号的长度记为T，T＝L×Δτ，符号×为乘运算符号；

①-3将多个子脉冲信号在待测流速的海洋水域中依次连续发射，依次连续发射的多个子脉冲信号组成一个调制脉冲信号，将该调制脉冲信号记为s(t)，t为时域时间；

①-4获取该调制脉冲信号s(t)经海洋水域反射回的信号，将该反射回的信号记为s'(t)，根据s'(t)得到待处理的回波信号rr(t)，rr(t)＝s'(t)+δ(t)；其中δ(t)为白噪声信号；

②对回波信号rr(t)依次进行前置放大处理、带通滤波处理和低通滤波处理，得到预采样信号，将预采样信号记为r(t)；

③采用交替采样模块对预采样信号r(t)进行四路时间交替采样得到离散采样序列r(n)，n为离散序列号，n＝1，2，3，…；交替采样模块包括第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器、第四模数转换器和四选一选择器，第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和第四模数转换器和四选一选择器的四个选择端一一对应连接，第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和第四模数转换器对预采样信号r(t)进行采样，四选一选择器依次选择第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和第四模数转换器，第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和第四模数转换器的采样信号经四选一选择器依次输出按序拼接为离散采样序列r(n)；

④对离散采样序列r(n)分别作复相关算法处理和互谱自相关算法处理；

复相关算法处理的具体过程为：

a.采用DDS模块产生正交调制信号，采用该正交调制信号对离散采样序列r(n)作数字调制，得到两路正交信号序列，分别记为I(n)和Q(n)；采用I(n)和Q(n)构造第一复数序列X(n)，将I(n)作为第一复数序列X(n)的实部信号，Q(n)作为第一复数序列X(n)的虚部信号，则第一复数序列表示X(n)＝I(n)+jQ(n)，其中j表示复数的虚部单位；

b.将第一复数序列X(n)按照奇数和偶数离散序列号分为两个复数序列，将离散序列号为奇数的复数序列称为第二复数序列，记为X(2m+1)，将离散序列号为偶数的复数序列称为第三复数序列，记为X(2m+2)，m＝0，1，2，3，…；

c.将第一复数序列X(n)的复相关函数记为R₁(n)，将第二复数序列X(2m+1)的复相关函数记为R₂(n)，将第三复数序列X(2m+2)的复相关函数记为R₃(n)， $R_2\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}X(2m+1+l)X^{*}(2m+1),R_3\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{N^{\′\′}}{\Σ}}X(2m+2+l)X^{*}(2m+2),$ 其中N'表示第二复数序列X(2m+1)的复相关长度，N”表示第三复数序列X(2m+2)的复相关长度，且l为采样时延值且其取值为1个M序列码的编码长度，N＝f_s×(t₁-t₀)，f_s为交替采样模块的采样频率，t₀为交替采样模块的采样起始时刻，t₁交替采样模块的采样结束时刻，X(2m+1+l)＝I(2m+1+l)+jQ(2m+1+l)，X(2m+2+l)＝I(2m+2+l)+jQ(2m+2+l)，I(2m+1+l)为I(2m+1)延时l的表达式，I(2m+2+l)为I(2m+2)延时l的表达式，Q(2m+1+l)为Q(2m+1)时延l的表达式，Q(2m+2+l)为Q(2m+2)时延l的表达式；符号*为共轭运算符，X^*(2m+1)为X(2m+1)的共轭复数序列，X^*(2m+2)为X(2m+2)的共轭复数序列；

d.将R₂(n)和R₃(n)代入公式R₁(n)＝R₂(n)+R₃(n)中得到R₁(n)，将R₁(n)的实部记为Re(R₁(n))，将将R₁(n)的虚部记为Im(R₁(n))；

e.将第一复数序列X(n)的复相关函数R₁(n)的相位角记为θ，采用反正切函数求解相位角θ，即 $\mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{\mathrm{Im}\left(R_1\right(n))}{\mathrm{Re}\left(R_1\right(n))}\right);$

f.将多普勒频偏记为f_d，采用公式其中q为相干重复周期，即q＝f_s×T；

g.将复相关测量的流速记为v_c，采用公式计算得到v_c，c为水中的声速，c＝1500m/s；

互谱自相关算法处理的具体过程为：

a.将离散采样序列r(n)的频谱记为r'(k)，离散采样序列r(n)的自相关函数频谱记为R(k)，k表示频域的序列号，k＝0，1，2，3，…；

b.采用FFT运算计算得到频谱r'(k)，令R(k)＝r'(k)×r'(k)；

c.对自相关函数频谱R(k)作插值处理后再进行IFFT运算，得到离散采样序列r(n)的自相关函数，将离散采样序列r(n)的自相关函数记为R'(t)；

d.通过离散采样序列r(n)的自相关函数R'(t)确定第一旁瓣出现的时刻，将第一旁瓣出现的时刻记为T₁；将不发生频偏的理想状态下第一旁瓣出现的时刻记为T₂，其中T₂＝T

e.将发生多普勒时延的差值记为ΔT，ΔT＝T₁-T₂；

f.将自相关测量的流速记为v_z，采用公式计算得到自相关测量的流速v_z；

⑤将流速修正参数记为α，α＝[(v_z-v_c)/2v_max]，v_max为模糊速度，v_max＝c/4f₀T，符号“[]”为取整运算符；

⑥采用公式v＝v_c+α2v_max计算得到待测流速v。

与现有技术相比，本发明的优点在于采用时间交替采样技术对回波信号进行采样得到离散采样序列，另外分别对离散采样序列作复相关算法处理和互谱自相关算法处理，时间交替采样在保证采样精度的前提下提高了采样率，复相关算法处理过程中相应增加了复相关点数，并采用奇偶两路并行复相关运算处理，在提高复相关算法的测流精度的基础上，提高计算速度，保证流速测量的实时性，互谱自相关算法处理通过对时间交替采样数据作互谱插值延时估计，提高时延值的估计精度，减小流速大小区间的判断误差，实现宽量程流速测量，采用该延时值粗测流速值，该粗测流速值不存在测量模糊问题，可作为流速值大小区间的判断标准，辅助复相关算法流速测量，克服复相关算法流速测量可能存在模糊值和流速测量量程的局限性问题，修正流速测量量程，由此复相关算法处理和互谱自相关算法处理相结合，通过采用时间交替采样技术提高信号的采样率，结合互谱自相关算法粗测的流速值辅助复相关算法进行流速测量，测量精度高，且测量量程宽。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：一种宽带复相关流速测量方法，包括以下步骤：

①获取回波信号

①-1利用脉冲信号发生器生成频率为f₀的单频脉冲信号，f₀＝1.5MHz；

①-2采用码元数为L、码元宽度为Δτ的M序列码对单频脉冲信号进行二进制编码得到子脉冲信号，码元数L＝15，码元宽度Δτ为填充10个单频脉冲信号周期，将子脉冲信号的长度记为T，T＝L×Δτ，符号×为乘运算符号；

①-3将多个(即至少两个)子脉冲信号在待测流速的海洋水域中依次连续发射，依次连续发射的多个子脉冲信号组成一个调制脉冲信号，将该调制脉冲信号记为s(t)，t为时域时间；

①-4获取该调制脉冲信号s(t)经海洋水域反射回的信号，将该反射回的信号记为s'(t)，根据s'(t)得到待处理的回波信号rr(t)，rr(t)＝s'(t)+δ(t)；其中δ(t)为白噪声信号；

②对回波信号rr(t)依次进行前置放大处理、带通滤波处理和低通滤波处理，得到预采样信号，将预采样信号记为r(t)；

③采用交替采样模块对预采样信号r(t)进行四路时间交替采样得到离散采样序列r(n)，n为离散序列号，n＝1，2，3，…；交替采样模块包括第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器、第四模数转换器和四选一选择器，第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和第四模数转换器和四选一选择器的四个选择端一一对应连接，第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和第四模数转换器对预采样信号r(t)进行采样，四选一选择器依次选择第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和第四模数转换器，第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和第四模数转换器的采样信号经四选一选择器依次输出按序拼接为离散采样序列r(n)；

④对离散采样序列r(n)分别作复相关算法处理和互谱自相关算法处理；

复相关算法处理的具体过程为：

a.采用DDS(DirectDigitalSynthesizer，直接数字式频率合成器)模块产生正交调制信号，采用该正交调制信号对离散采样序列r(n)作数字调制，得到两路正交信号序列，分别记为I(n)和Q(n)；采用I(n)和Q(n)构造第一复数序列X(n)，将I(n)作为第一复数序列X(n)的实部信号，Q(n)作为第一复数序列X(n)的虚部信号，则第一复数序列表示X(n)＝I(n)+jQ(n)，其中j表示复数的虚部单位；

b.将第一复数序列X(n)按照奇数和偶数离散序列号分为两个复数序列，将离散序列号为奇数的复数序列称为第二复数序列，记为X(2m+1)，将离散序列号为偶数的复数序列称为第三复数序列，记为X(2m+2)，m＝0，1，2，3，…；

c.将第一复数序列X(n)的复相关函数记为R₁(n)，将第二复数序列X(2m+1)的复相关函数记为R₂(n)，将第三复数序列X(2m+2)的复相关函数记为R₃(n)， $R_2\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}X(2m+1+l)X^{*}(2m+1),R_3\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{N^{\′\′}}{\Σ}}X(2m+2+l)X^{*}(2m+2),$ 其中N'表示第二复数序列X(2m+1)的复相关长度，N”表示第三复数序列X(2m+2)的复相关长度，且l为采样时延值且其取值为1个M序列码的编码长度，N＝f_s×(t₁-t₀)，f_s为交替采样模块的采样频率，t₀为交替采样模块的采样起始时刻，t₁交替采样模块的采样结束时刻，f_s、t₀和t₁为在交替采样模块中采用现有常规设置方法设定的参数，X(2m+1+l)＝I(2m+1+l)+jQ(2m+1+l)，X(2m+2+l)＝I(2m+2+l)+jQ(2m+2+l)，I(2m+1+l)为I(2m+1)延时l的表达式，I(2m+2+l)为I(2m+2)延时l的表达式，Q(2m+1+l)为Q(2m+1)时延l的表达式，Q(2m+2+l)为Q(2m+2)时延l的表达式；符号*为共轭运算符，X^*(2m+1)为X(2m+1)的共轭复数序列，X^*(2m+2)为X(2m+2)的共轭复数序列；

d.将R₂(n)和R₃(n)代入公式R₁(n)＝R₂(n)+R₃(n)中得到R₁(n)，将R₁(n)的实部记为Re(R₁(n))，将将R₁(n)的虚部记为Im(R₁(n))；

e.将第一复数序列X(n)的复相关函数R₁(n)的相位角记为θ，采用反正切函数求解相位角θ，即 $\mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{\mathrm{Im}\left(R_1\right(n))}{\mathrm{Re}\left(R_1\right(n))}\right);$

f.将多普勒频偏记为f_d，采用公式其中q为相干重复周期，即q＝f_s×T；

g.将复相关测量的流速记为v_c，采用公式计算得到v_c，c为水中的声速，c＝1500m/s；

互谱自相关算法处理的具体过程为：

a.将离散采样序列r(n)的频谱记为r'(k)，离散采样序列r(n)的自相关函数频谱记为R(k)，k表示频域的序列号，k＝0，2，3，…；

b.采用FFT运算计算得到频谱r'(k)，令R(k)＝r'(k)×r'(k)；

c.对自相关函数频谱R(k)作插值处理后再进行IFFT运算，得到离散采样序列r(n)的自相关函数，将离散采样序列r(n)的自相关函数记为R'(t)；

d.通过离散采样序列r(n)的自相关函数R'(t)确定第一旁瓣出现的时刻，将第一旁瓣出现的时刻记为T₁；将不发生频偏的理想状态下第一旁瓣出现的时刻记为T₂，其中T₂＝T

e.将发生多普勒时延的差值记为ΔT，ΔT＝T₁-T₂；

f.将自相关测量的流速记为v_z，采用公式计算得到自相关测量的流速v_z；

⑤将流速修正参数记为α，α＝[(v_z-v_c)/2v_max]，v_max为模糊速度，v_max＝c/4f₀T，符号“[]”为取整运算符；

⑥采用公式v＝v_c+α2v_max计算得到待测流速v。

本实施例中，交替采样模块和DDS模块均采用其技术领域的成熟产品。

Claims (1)

1.一种宽带复相关流速测量方法，其特征在于包括以下步骤：

①获取回波信号

①-1利用脉冲信号发生器生成频率为f₀的单频脉冲信号，f₀＝1.5MHz；

①-2采用码元数为L、码元宽度为Δτ的M序列码对单频脉冲信号进行二进制编码得到子脉冲信号，码元数L＝15，码元宽度Δτ为填充10个单频脉冲信号周期，将子脉冲信号的长度记为T，T＝L×Δτ，符号×为乘运算符号；

①-3将多个子脉冲信号在待测流速的海洋水域中依次连续发射，依次连续发射的多个子脉冲信号组成一个调制脉冲信号，将该调制脉冲信号记为s(t)，t为时域时间；

①-4获取该调制脉冲信号s(t)经海洋水域反射回的信号，将该反射回的信号记为s'(t)，根据s'(t)得到待处理的回波信号rr(t)，rr(t)＝s'(t)+δ(t)；其中δ(t)为白噪声信号；

②对回波信号rr(t)依次进行前置放大处理、带通滤波处理和低通滤波处理，得到预采样信号，将预采样信号记为r(t)；

③采用交替采样模块对预采样信号r(t)进行四路时间交替采样得到离散采样序列r(n)，n为离散序列号，n＝1，2，3，…；交替采样模块包括第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器、第四模数转换器和四选一选择器，第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和第四模数转换器和四选一选择器的四个选择端一一对应连接，第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和第四模数转换器对预采样信号r(t)进行采样，四选一选择器依次选择第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和第四模数转换器，第一模数转换器、第二模数转换器、第三模数转换器和第四模数转换器的采样信号经四选一选择器依次输出按序拼接为离散采样序列r(n)；

④对离散序列r(n)分别作复相关算法处理和互谱自相关算法处理；

复相关算法处理的具体过程为：

a.采用DDS模块产生正交调制信号，采用该正交调制信号对离散采样序列r(n)作数字调制，得到两路正交信号序列，分别记为I(n)和Q(n)；采用I(n)和Q(n)构造第一复数序列X(n)，将I(n)作为第一复数序列X(n)的实部信号，Q(n)作为第一复数序列X(n)的虚部信号，则第一复数序列表示X(n)＝I(n)+jQ(n)，其中j表示复数的虚部单位；

b.将第一复数序列X(n)按照奇数和偶数离散序列号分为两个复数序列，将离散序列号为奇数的复数序列称为第二复数序列，记为X(2m+1)，将离散序列号为偶数的复数序列称为第三复数序列，记为X(2m+2)，m＝0，1，2，3，…；

c.将第一复数序列X(n)的复相关函数记为R₁(n)，将第二复数序列X(2m+1)的复相关函数记为R₂(n)，将第三复数序列X(2m+2)的复相关函数记为R₃(n)， $R_2\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}X(2m+1+l)X^{*}(2m+1),R_3\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{N^{\′\′}}{\Σ}}X(2m+2+l)X^{*}(2m+2),$ 其中N'表示第二复数序列X(2m+1)的复相关长度，N”表示第三复数序列X(2m+2)的复相关长度，且l为采样时延值且其取值为1个M序列码的编码长度，N＝f_s×(t₁-t₀)，f_s为交替采样模块的采样频率，t₀为交替采样模块的采样起始时刻，t₁交替采样模块的采样结束时刻，X(2m+1+l)＝I(2m+1+l)+jQ(2m+1+l)，X(2m+2+l)＝I(2m+2+l)+jQ(2m+2+l)，I(2m+1+l)为I(2m+1)延时l的表达式，I(2m+2+l)为I(2m+2)延时l的表达式，Q(2m+1+l)为Q(2m+1)时延l的表达式，Q(2m+2+l)为Q(2m+2)时延l的表达式；符号*为共轭运算符，X^*(2m+1)为X(2m+1)的共轭复数序列，X^*(2m+2)为X(2m+2)的共轭复数序列；

d.将R₂(n)和R₃(n)代入公式R₁(n)＝R₂(n)+R₃(n)中得到R₁(n)，将R₁(n)的实部记为Re(R₁(n))，将将R₁(n)的虚部记为Im(R₁(n))；

e.将第一复数序列X(n)的复相关函数R₁(n)的相位角记为θ，采用反正切函数求解相位角θ，即 $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{Im}\left(R_1\right(n\left)\right)}{\mathrm{Re}\left(R_1\right(n\left)\right)}\right);$

f.将多普勒频偏记为f_d，采用公式其中q为相干重复周期，即q＝f_s×T；

g.将复相关测量的流速记为v_c，采用公式计算得到v_c，c为水中的声速，c＝1500m/s；

互谱自相关算法处理的具体过程为：

a.将离散采样序列r(n)的频谱记为r'(k)，离散采样序列r(n)的自相关函数频谱记为R(k)，k表示频域的序列号，k＝0，1，2，3，…；

b.采用FFT运算计算得到频谱r'(k)，令R(k)＝r'(k)×r'(k)；

c.对自相关函数频谱R(k)作插值处理后再进行IFFT运算，得到离散采样序列r(n)的自相关函数，将离散序列r(n)的自相关函数记为R'(t)；

d.通过离散采样序列r(n)的自相关函数R'(t)确定第一旁瓣出现的时刻，将第一旁瓣出现的时刻记为T₁；将不发生频偏的理想状态下第一旁瓣出现的时刻记为T₂，其中T₂＝T

e.将发生多普勒时延的差值记为ΔT，ΔT＝T₁-T₂；

f.将自相关测量的流速记为v_z，采用公式ΔT计算得到自相关测量的流速v_z；

⑤将流速修正参数记为α，α＝[(v_z-v_c)/2v_max]，v_max为模糊速度，v_max＝c/4f₀T，符号“[]”为取整运算符；

⑥采用公式v＝v_c+α2v_max计算得到待测流速v。