一種寬帶復(fù)相關(guān)流速測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種流速測量方法，尤其是涉及一種寬帶復(fù)相關(guān)流速測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著資源日益匱乏，開發(fā)海洋水域資源成為經(jīng)濟發(fā)展的急迫需求。海洋水域的流 速為海洋水域環(huán)境的重要參數(shù)，也是海洋水域活動的重要依據(jù)?，F(xiàn)有的流速測量方法主要 是基于寬帶復(fù)相關(guān)技術(shù)，文獻《寬帶多普勒海流計測速方法研究》提出基于寬帶復(fù)相關(guān)算法 的流速研究。該文獻中，流速測量的具體過程為:首先利用脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生單頻脈沖信 號，采用Μ序列碼對該單頻脈沖信號進行二進制編碼得到子脈沖信號，將多個子脈沖信號依 次進行拼接得到調(diào)制脈沖信號;接收該調(diào)制脈沖信號經(jīng)海洋水域反射回的信號，并采集得 到該信號的回波信號;最后采用寬帶復(fù)相關(guān)算法對該回波信號進行處理，得到流速。
[0003] 該流速測量方法中，回波信號是一個含噪聲的隨機信號，回波信號的強度、噪聲干 擾和回波信號的傳播損耗等都影響流速測量的精度，復(fù)相關(guān)算法能夠濾除一定的白噪聲， 具有較好的抗干擾能力，由此該流速測量方法精度較高，但是復(fù)相關(guān)算法在對回波信號進 行處理的過程中，得到的回波信號的復(fù)相關(guān)函數(shù)的相位信息具有周期性，流速的測量范圍 受到了限制，由此該方法量程較窄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種測量精度高，且測量量程寬的寬帶復(fù)相關(guān) 流速測量方法。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種寬帶復(fù)相關(guān)流速測量方法， 包括以下步驟：
[0006] ①獲取回波信號
[0007] ①-1利用脈沖信號發(fā)生器生成頻率為fQ的單頻脈沖信號，fQ= 1.5MHz;
[0008] ①-2采用碼元數(shù)為L、碼元寬度為△ τ的Μ序列碼對單頻脈沖信號進行二進制編碼 得到子脈沖信號，碼元數(shù)L=15,碼元寬度Δτ為填充10個單頻脈沖信號周期，
將子脈沖信號的長度記為T，T = LX Δ τ，符號X為乘運算符號；
[0009] ①-3將多個子脈沖信號在待測流速的海洋水域中依次連續(xù)發(fā)射，依次連續(xù)發(fā)射的 多個子脈沖信號組成一個調(diào)制脈沖信號，將該調(diào)制脈沖信號記為s(t)，t為時域時間；
[0010] ①-4獲取該調(diào)制脈沖信號s(t)經(jīng)海洋水域反射回的信號，將該反射回的信號記為 8'（〇，根據(jù)8'（〇得到待處理的回波信號^(〇，^(〇 = 8'（〇+5(〇;其中5(〇為白噪聲信 號；
[0011] ②對回波信號rr(t)依次進行前置放大處理、帶通濾波處理和低通濾波處理，得到 預(yù)采樣信號，將預(yù)采樣信號記為r (t);
[0012] ③采用交替采樣模塊對預(yù)采樣信號r(t)進行四路時間交替采樣得到離散采樣序 列r(n)，n為離散序列號，1!=1，2,3，一；交替采樣模塊包括第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換 器、第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第四模數(shù)轉(zhuǎn)換器和四選一選擇器，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第四模數(shù)轉(zhuǎn)換器和四選一選擇器的四個選擇端一一對應(yīng)連接，第一模數(shù) 轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第四模數(shù)轉(zhuǎn)換器對預(yù)采樣信號r(t)進行采樣， 四選一選擇器依次選擇第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第四模數(shù)轉(zhuǎn) 換器，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第四模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣信號經(jīng) 四選一選擇器依次輸出按序拼接為離散采樣序列r(n);
[0013]④對離散采樣序列r(n)分別作復(fù)相關(guān)算法處理和互譜自相關(guān)算法處理；
[0014]復(fù)相關(guān)算法處理的具體過程為：
[0015] a.采用DDS模塊產(chǎn)生正交調(diào)制信號，采用該正交調(diào)制信號對離散采樣序列r(n)作 數(shù)字調(diào)制，得到兩路正交信號序列，分別記為I(n)和Q(n);采用I(n)和Q(n)構(gòu)造第一復(fù)數(shù)序 列X(n)，將I(n)作為第一復(fù)數(shù)序列X(n)的實部信號，Q(n)作為第一復(fù)數(shù)序列X(n)的虛部信 號，則第一復(fù)數(shù)序列表示X(n) = I(n)+jQ(n)，其中j表示復(fù)數(shù)的虛部單位；
[0016] b.將第一復(fù)數(shù)序列X(n)按照奇數(shù)和偶數(shù)離散序列號分為兩個復(fù)數(shù)序列，將離散序 列號為奇數(shù)的復(fù)數(shù)序列稱為第二復(fù)數(shù)序列，記為X(2m+1)，將離散序列號為偶數(shù)的復(fù)數(shù)序列 稱為第三復(fù)數(shù)序列，記為X(2m+2)，m = 0，1，2，3，…；
[0017] c.將第一復(fù)數(shù)序列X(n)的復(fù)相關(guān)函數(shù)記為RKn)，將第二復(fù)數(shù)序列X(2m+1)的復(fù)相 關(guān)函數(shù)記為R2 ( η )，將第三復(fù)數(shù)序列X ( 2m + 2 )的復(fù)相關(guān)函數(shù)記為R3 ( η )，
?其中Ν'表示第二復(fù) 數(shù)序列X(2m+1)的復(fù)相關(guān)長度，Ν"表示第三復(fù)數(shù)序列X(2m + 2)的復(fù)相關(guān)長度，且
,1為采樣時延值且其取值為1個Μ序列碼的編碼長度，N = fs X (ti-to)，匕為 交替采樣模塊的采樣頻率，to為交替采樣模塊的采樣起始時刻，交替采樣模塊的采樣結(jié)束 時刻，X(2m+l+l) = I(2m+l+l)+jQ(2m+l+l)，X(2m+2+l) = I(2m+2+l)+jQ(2m+2+l)，I(2m+l+ 1)為I(2m+1)延時1的表達式，I(2m+2+l)為I(2m+2)延時1的表達式，Q(2m+1+1)為Q(2m+1)時 延1的表達式，Q(2m+2+l)為Q(2m+2)時延1的表達式;符號*為共輒運算符，X\2m+1)為X(2m+ 1)的共輒復(fù)數(shù)序列，X$( 2m+2)為X (2m+2)的共輒復(fù)數(shù)序列；
[0018] d.將 R2(n)和 R3(n)代入公式1^(11)=1?2(11)+1?3(11)中得到 RKnM^RKn)的實部記為 ReUKn))，將將RKn)的虛部記為ImUKn));
[0019] e.將第一復(fù)數(shù)序列X(n)的復(fù)相關(guān)函數(shù)RKn)的相位角記為Θ，采用反正切函數(shù)求解

[0020] f.將多普勒頻偏記為fd，采用公式
其中q為相干重復(fù)周期，即q = fsX T；
[0021] g.將復(fù)相關(guān)測量的流速記為V。 計算得到Vc=，c為水中的聲 速，c = 1500m/s;
[0022] 互譜自相關(guān)算法處理的具體過程為：
[0023] a.將離散采樣序列r(n)的頻譜記為r'（k)，離散采樣序列r(n)的自相關(guān)函數(shù)頻譜 記為R(k)，k表示頻域的序列號，k = 0，l，2,3,…；
[0024] b.采用 FFT 運算計算得到頻譜 r'（k)，令 R(k)=r'（k)Xr'（k);
[0025] c.對自相關(guān)函數(shù)頻譜R(k)作插值處理后再進行IFFT運算，得到離散采樣序列r(n) 的自相關(guān)函數(shù)，將離散采樣序列r(n)的自相關(guān)函數(shù)記為R'（t);
[0026] d.通過離散采樣序列r(n)的自相關(guān)函數(shù)R'（t)確定第一旁瓣出現(xiàn)的時刻，將第一 旁瓣出現(xiàn)的時刻記為T1;將不發(fā)生頻偏的理想狀態(tài)下第一旁瓣出現(xiàn)的時刻記為T2,其中T 2 = Τ
[0027] e.將發(fā)生多普勒時延的差值記為ΔΤ，Δ 1 = ;
[0028] f.將自相關(guān)測量的流速記為vz，
計算得到自相關(guān)測量的流 速vz;
[0029] ⑤將流速修正參數(shù)記為α，a = [ ( Vz-Vc^/^Vmax]，Vmax為模糊速度，Vmax = c/4f〇T，符號 "[]"為取整運算符；
[0030] ⑥采用公式V = Vc+a2Vmax計算得到待測流速V。
[0031] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于采用時間交替采樣技術(shù)對回波信號進行采樣 得到離散采樣序列，另外分別對離散采樣序列作復(fù)相關(guān)算法處理和互譜自相關(guān)算法處理， 時間交替采樣在保證采樣精度的前提下提高了采樣率，復(fù)相關(guān)算法處理過程中相應(yīng)增加了 復(fù)相關(guān)點數(shù)，并米用奇偶兩路并彳丁復(fù)相關(guān)運算處理，在提尚復(fù)相關(guān)算法的測流精度的基礎(chǔ) 上，提高計算速度，保證流速測量的實時性，互譜自相關(guān)算法處理通過對時間交替采樣數(shù)據(jù) 作互譜插值延時估計，提高時延值的估計精度，減小流速大小區(qū)間的判斷誤差，實現(xiàn)寬量程 流速測量，采用該延時值粗測流速值，該粗測流速值不存在測量模糊問題，可作為流速值大 小區(qū)間的判斷標準，輔助復(fù)相關(guān)算法流速測量，克服復(fù)相關(guān)算法流速測量可能存在模糊值 和流速測量量程的局限性問題，修正流速測量量程，由此復(fù)相關(guān)算法處理和互譜自相關(guān)算 法處理相結(jié)合，通過采用時間交替采樣技術(shù)提高信號的采樣率，結(jié)合互譜自相關(guān)算法粗測 的流速值輔助復(fù)相關(guān)算法進行流速測量，測量精度高，且測量量程寬。
【具體實施方式】
[0032] 以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0033] 實施例:一種寬帶復(fù)相關(guān)流速測量方法，包括以下步驟：
[0034]①獲取回波信號
[0035]①-1利用脈沖信號發(fā)生器生成頻率為fo的單頻脈沖信號，fo= 1.5MHz;
[0036] ①-2采用碼元數(shù)為L、碼元寬度為△ τ的Μ序列碼對單頻脈沖信號進行二進制編碼
得到子脈沖信號，碼元數(shù)L=15,碼元寬度Δτ為填充10個單頻脈沖信號周期 將子脈沖信號的長度記為T，T = LX Δ τ，符號X為乘運算符號；
[0037] ①-3將多個(即至少兩個)子脈沖信號在待測流速的海洋水域中依次連續(xù)發(fā)射，依 次連續(xù)發(fā)射的多個子脈沖信號組成一個調(diào)制脈沖信號，將該調(diào)制脈沖信號記為S(t)，t為時 域時間；
[0038]①-4獲取該調(diào)制脈沖信號s(t)經(jīng)海洋水域反射回的信號，將該反射回的信號記為 8'（〇，根據(jù)8'（〇得到待處理的回波信號^(〇，^(〇 = 8'（〇+5(〇;其中5(〇為白噪聲信 號；
[0039]②對回波信號rr(t)依次進行前置放大處理、帶通濾波處理和低通濾波處理，得到 預(yù)采樣信號，將預(yù)采樣信號記為r (t);
[0040] ③采用交替采樣模塊對預(yù)采樣信號r(t)進行四路時間交替采樣得到離散采樣序 列r(n)，n為離散序列號，1!=1，2,3，一；交替采樣模塊包括第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換 器、第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第四模數(shù)轉(zhuǎn)換器和四選一選擇器，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第四模數(shù)轉(zhuǎn)換器和四選一選擇器的四個選擇端一一對應(yīng)連接，第一模數(shù) 轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第四模數(shù)轉(zhuǎn)換器對預(yù)采樣信號r(t)進行采樣， 四選一選擇器依次選擇第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第四模數(shù)轉(zhuǎn) 換器，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第四模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣信號經(jīng) 四選一選擇器依次輸出按序拼接為離散采樣序列r(n);
[0041] ④對離散采樣序列r(n)分別作復(fù)相關(guān)算法處理和互譜自相關(guān)算法處理；
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