一种适用于声学多普勒流速仪的数据后处理系统与应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种适用于声学多普勒流速仪的数据后处理软件系统。系统包括软件系统打开、ADV数据载入、ADV数据处理和ADV信息共享输出四个部分。ADV数据处理包括数据类别判定模块、数据过滤模块和后处理分析模块，数据类别判定模块包括单点ADV数据判定块和多点垂线ADV数据判定块，数据过滤模块可采用相位空间临界值过滤块等一种或多种方式对数据进行过滤，后处理分析模块可将单点或多点垂线数据平均值和紊动值进行计算处理，ADV信息共享输出可将处理分析好的数据以表格和图像的形式输出，并存储和打印。本发明兼容性强，适用于市场上的各种版本的声学多普勒流速仪，计算精确，大大缩减数据后处理分析时间，操作简单，易于上手。
【专利说明】一种适用于声学多普勒流速仪的数据后处理系统与应用
一、【技术领域】
[0001]本发明涉及一种适用于声学多普勒流速仪的数据后处理系统与应用，属于水利、海洋【技术领域】。
二、【背景技术】
[0002]运用脉冲技术为基本工作原理的声学多普勒流速仪(ADV)已投向市场使用超过二十年的时间。自从20世纪90年代初推出以来，因其所测量的流速数据具有低干扰、高精度和低噪声的特点，使其成为在困难的环境中进行流速监测的第一选择。然而，早期版本的ADV所收集到的数据容易被多普勒噪声所污染。在2006年左右，挪威的Nortek公司推出了“小威龙”点式流速仪，该设备拥有四个传感接收器间隔90°方位角，而不是传统的三接收器120°方位角，它同时拥有一个更为细长的信号发射探头，所有这些变化大大降低了多普勒噪声变化对于数据质量的影响，进而使得“小威龙”成为进行采样流速监测的更佳选择。但原始的“小威龙”因其单向静态系统设计，仅能进行单点流速的监测。为解决这一问题，Nortek公司最新研发的“小威龙二代”剖面流速仪采用了更加先进的双向静态多普勒分析系统。此系统的应用大大增加了用户的使用效率，保证用户可以同时收集一个长达3.5厘米的三维立体区域的流速数据。
[0003]众所周知，因仪器自身的局限性，所有声学多普勒流速仪所测的数据都需要进行过滤处理才可用于进一步的流态分析。国内外市面上现有的最受到大家认可的ADV数据后处理软件是《WinADV》，但是因其所发明年代是ADV发展的初期，所以只适用于处理原始的点式三接收器的流速仪所测的数据，较难兼容Nortek公司的四传感接收器流速仪，对于Nortek公司的最新多普勒流速仪“小威龙二代”所测量的结果更不具备处理能力。对于目前较为先进的流速仪数据处理，国内外技术人员多根据工程或研究目的自己选择编程处理，处理过程需要很强的专业技术性。
[0004]与此同时，水利工程领域的研究者们在对原始声学多普勒流速仪数据过滤处理以后往往会继续深入挖掘测点或者测量区域的各种紊动特性，例如紊动强度、雷诺切应力等，尽管这些特性的物理意义较为普及，但是通过编程计算获取最终结果对于该领域的初级研究者或者相关工程人员较为困难和耗时。目前国内外市场上没有一款功能比较完善的声学多普勒流速仪数据过滤以及后处理分析系统，可以做到兼容处理最新的Nortek “小威龙二代”剖面流速仪的多点剖面式流速数据。
[0005]本发明综合考虑各种经典数据过滤方法，提供一套具有数据过滤和紊动特性值后处理分析的全新独立的系统，可以同时兼容各种版本的声学多普勒流速仪所收集的单点或多点剖面式流速数据。
三、
【发明内容】
[0006]本发明旨在提供一种具有数据过滤和紊动特性值后处理分析的系统与应用，可以同时兼容各种版本的声学多普勒流速仪所收集的单点或多点剖面式流速数据。本发明所采用的技术方案是:
[0007]—种适用于声学多普勒流速仪的数据后处理系统，其特征在于:该系统包括系统打开、ADV数据载入、ADV数据处理和ADV信息共享输出四个部分，其中ADV数据处理包括数据类别判定模块、数据过滤模块和后处理分析模块，ADV信息共享输出包括表格和图像输出、存储、生成电子文档、打印；所述的数据类别判定模块包括单点ADV数据判定块和多点垂线ADV数据判定块，所述的数据过滤模块包含相位空间临界值过滤块、加速度临界值过滤块、关联率过滤块、信号噪声率过滤块和流速区间过滤块，所述的后处理分析模块分为单点数据分析和多点垂线数据分析，其中单点数据分析内容包括流速时间序列分析、时均流速分析、流速标准差分析、流速方差分析、流速偏态和峰态分析、雷诺应力分析、紊动强度分析、湍流动能分析、快速傅里叶变化能量谱分析，多点垂线数据分析内容包括多点流速时间序列分析、多点时均流速分析、垂线多点标准差分析、垂线多点流速方差分析、垂线多点流速偏态和峰态分析、垂线多点雷诺应力分析、垂线多点紊动强度分析、垂线多点湍流动能分析、快速傅里叶变化能量谱分析。
[0008]所述的一种适用于声学多普勒流速仪的数据后处理系统的应用包括以下步骤:
[0009](I)系统进入初始状态；
[0010](2)将采集到的单点或多点垂线ADV数据载入系统；
[0011](3)首先对ADV数据类别进行判定，并选择所述数据过滤模块包含的相位空间临界值过滤块、加速度临界值过滤块、关联率过滤块、信号噪声率过滤块和流速区间过滤块中的一种或多种数据过滤块对ADV数据进行过滤处理，然后根据需要对数据进行后处理分析；
[0012](4)将处理分析好的数据以表格和图像的形式输出，在数据库或计算机中存储，并生成电子文档和对相应文档进行打印。
[0013]本发明的优点在于:
[0014](I)具有较强的兼容性，可以适用于市场上的各种版本的声学多普勒流速仪，首次实现了对于剖面流速仪的垂线数据的直接处理；
[0015](2)多种数据过滤方法的组合可以使最终流速及测点的紊动特性计算更为精确；
[0016](3)各种紊动特性值的直接输出大大缩减研究人员进行数据后处理分析的时间；
[0017](4)操作简单，易于上手，适用于各个层次的研究人员和工程人员。
四、【专利附图】
【附图说明】:
[0018]图1为本发明所提供的整体流程图。
[0019]图2为本发明所提供的局部模块流程图。
[0020]附图标记说明:
[0021 ] 模块1-数据类别判定模块，模块2-数据过滤模块，模块3-后处理分析模块，模块4-信息共享输出模块。
五、【具体实施方式】:
[0022]本发明的一种适用于声学多普勒流速仪的数据后处理软件的流程图如图1所示。现结合【具体实施方式】对本发明进一步说明。[0023]实施例1:
[0024]参见图1和图2，一种适用于声学多普勒流速仪的数据后处理系统与应用，其特征在于:该系统包括系统打开、ADV数据载入、ADV数据处理和ADV信息共享输出四个部分，其中ADV数据处理包括数据类别判定模块、数据过滤模块和后处理分析模块，ADV信息共享输出包括表格和图像输出、存储、生成电子文档、打印；所述的数据类别判定模块包括单点ADV数据判定块和多点垂线ADV数据判定块，所述的数据过滤模块包含相位空间临界值过滤块、加速度临界值过滤块、关联率过滤块、信号噪声率过滤块和流速区间过滤块，所述的后处理分析模块分为单点数据分析和多点垂线数据分析，其中单点数据分析内容包括流速时间序列分析、时均流速分析、流速标准差分析、流速方差分析、流速偏态和峰态分析、雷诺应力分析、紊动强度分析、湍流动能分析、快速傅里叶变化能量谱分析，多点垂线数据分析内容包括多点流速时间序列分析、多点时均流速分析、垂线多点标准差分析、垂线多点流速方差分析、垂线多点流速偏态和峰态分析、垂线多点雷诺应力分析、垂线多点紊动强度分析、垂线多点湍流动能分析、快速傅里叶变化能量谱分析。
[0025]所述的一种适用于声学多普勒流速仪的数据后处理系统的应用包括包括以下步骤:
[0026](I)系统进入初始状态；
[0027](2)将采集到的单点或多点垂线ADV数据载入系统；
[0028](3)对ADV数据进行处理:
[0029]首先，对ADV数据类别进行判定，判定为单点或多点ADV数据； [0030]其次，选择一种或多种数据过滤块对ADV数据进行过滤处理，本系统共包含五种不同的过滤方式，对于每一个点流速的数据集合，本系统将把多个接收器所得的时间序列流速数据逐一分析过滤，各种过滤方式的具体步骤如下:
[0031]A.相位空间临界值过滤块:
[0032]①对于一点流速数据集合中水流方向接收器(X轴)所得的时间序列流速数据ui，首先计算出此数据组的中位数，之后将中位数从数据组中每一个数据中减去；
[0033]②通过中心差分近似法来计算步骤一中得到的数据组中每两个临近的数据的一阶导数和二阶导数，对于数据组中第一个和最后一个数值，分别通过前向差分近似法和后向差分近似法来求出，具体计算公式如下:
[0034]一阶导数:R，二阶导数
[0035]③对于①中得到的数据组以及②中得到的一阶导数和二阶导数数据组，分别计算出其标准差数值(σ)，对于计算方法，运用中位数绝对偏差(MAD)来间接计算标准差值，计算公式如下:
[0036]ο =1.4826MAD
[0037]④通过③得到的标准差值，计算出三个相对应的期望绝对最大值(Em)用于接下来的相位空间比较，具体计算方式如下:
[0038]￡., =χ σ
[0039]⑤对应的三个期望最大值，计算出每两个之间的轴线的夹角，由于对称的关系，原始数据和一阶导数之间的夹角以及原始数据和二阶导数之间的夹角为0°，对于一阶导数和二阶导数之间的夹角，具体计算方式如下:
[0040]
【权利要求】
1.一种适用于声学多普勒流速仪的数据后处理系统，其特征在于:该系统包括系统打开、ADV数据载入、ADV数据处理和ADV信息共享输出四个部分，其中ADV数据处理包括数据类别判定模块、数据过滤模块和后处理分析模块，ADV信息共享输出包括表格和图像输出、存储、生成电子文档、打印；所述的数据类别判定模块包括单点ADV数据判定块和多点垂线ADV数据判定块，所述的数据过滤模块包含相位空间临界值过滤块、加速度临界值过滤块、关联率过滤块、信号噪声率过滤块和流速区间过滤块，所述的后处理分析模块分为单点数据分析和多点垂线数据分析，其中单点数据分析内容包括流速时间序列分析、时均流速分析、流速标准差分析、流速方差分析、流速偏态和峰态分析、雷诺应力分析、紊动强度分析、湍流动能分析、快速傅里叶变化能量谱分析，多点垂线数据分析内容包括多点流速时间序列分析、多点时均流速分析、垂线多点标准差分析、垂线多点流速方差分析、垂线多点流速偏态和峰态分析、垂线多点雷诺应力分析、垂线多点紊动强度分析、垂线多点湍流动能分析、快速傅里叶变化能量谱分析。
2.根据权利要求1中所述的一种适用于声学多普勒流速仪的数据后处理系统的应用包括包括以下步骤: (1)系统进入初始状态； (2)将采集到的单点或多点垂线ADV数据载入系统； (3)首先对ADV数据类别进行判定，并选择所述数据过滤模块包含的相位空间临界值过滤块、加速度临界值过滤块、关联率过滤块、信号噪声率过滤块和流速区间过滤块中的一种或多种数据过滤方法对ADV数据进行过滤处理，然后根据需要对数据进行后处理分析； (4)将处理分析好的数据以表格和图像的形式输出，在数据库或计算机中存储，并生成电子文档和对相应文档进行打印。
【文档编号】G01P5/24GK103995147SQ201410186774
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】管大为, 徐振山, 许春阳, 安子文, 吴志钢 申请人:河海大学