600kHZ宽带声学多普勒流速剖面仪及其实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于深海探测技术领域，涉及用于海洋流速测量的多普勒流速剖面仪，具 体指一种600kHZ宽带声学多普勒流速剖面仪及其实现方法。
【背景技术】
[0002] 海流计是传统的海洋流速测量仪器，然而其在广泛的应用中所凸显出的缺点也是 显而易见的，即流速计一般多为接触式的且只能测量安置位置处的海流流速，因此使用海 流计测量一片海域的海水流速时，则需要耗费大量的时间及精力。多普勒流速剖面仪ADCP 是一种根据多普勒效应原理测量载体相对于底/流的测速声呐仪器，因其具有对海水流场 不产生任何扰动，不存在机械惯性，能够真实反应海水流场的情况等优势而被广泛应用；包 括窄带多普勒流速剖面仪NBADCP和宽带多普勒流速剖面仪BBADCP。其中，窄带多普勒流 速剖面仪NBADCP发射声波为一个正弦填充的脉冲，采用自协方差法测量回波信号的频偏。 而NBADCP存在的局限性有：首先，单次测量值的精度不高，为了达到较高的测量精度，要长 时间多次测量后进行平均运算；其次，NBADCP深度单元的层厚要选取较大值，否则测量该 深度上的速度估计方差过大，不准确；最后，NBADCP不具备观测小规模海流在短时间内变 化的能力，使用范围受限，不能广泛应用。
【发明内容】
[0003] 针对上述技术问题，本发明提供了一种600kHZ宽带声学多普勒流速剖面仪及其 实现方法，由M序列编码的宽带声信号作为发射信号，采用脉冲对测频与时延测频相结合 的测频方法，并实时进行声补偿，能有效达到高精度测量的目的。
[0004] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
[0005] -种600kHZ宽带声学多普勒流速剖面仪，包括发射模块，接收模块，数据存储模 块，显控计算机，传感器模块，电源模块，以及互连的主、从处理器；
[0006] 主处理器与显控计算机连接，通过显控计算机与上位机通信、解析上位机配置参 数，下发控制命令给从处理器；以及接收从处理器上传的解调后的信号，进行速度解算、合 成，将结果通过显控计算机显示；
[0007] 从处理器作为声信号的前期处理单元，分别与发射模块，接收模块，数据存储模块 以及传感器模块连接，控制以上各模块工作，并与主处理器进行数据通信，将解调后数据上 传给主处理器；
[0008] 发射模块用于发射由M序列编码的600kHZ正弦宽带声信号；
[0009] 接收模块用于接收四通道的回波声信号，并发送给从处理器；
[0010] 显控计算机用于显示数据处理结果和上位机的配置参数；
[0011] 数据存储模块用于存储从处理器产生的发射数据、中间数据、及原始数据；
[0012] 传感器模块能为从处理器提供传感器数据用于声速补偿以及速度修正；
[0013] 电源模块与上述各模块连接，提供各模块工作所需的电源。
[0014] 进一步地，所述主处理器包括依次连接的复相关运算单元、速度合成单元和声速 补偿单元，以及包括与显控计算机、从处理器模块连接的数据端口。
[0015] 作为本发明的优化方案，所述复相关运算单元采用脉冲对测频与时延测频相结合 的方法进行多普勒频偏运算；
[0016] 进一步地，所述脉冲对测频与时延测频相结合的方法具体包括以下步骤：
[0017] (1)由主处理器将解调后的信号合成复信号，并利用该复信号的前11个周期和后 11个周期做互相关，求出相位差；
[0018] (2)由相位差求出存在速度模糊的多普勒频偏；
[0019] (3)利用复信号的自相关函数得出多普勒频偏的范围，去除速度模糊，求得准确的 多普勒频偏。
[0020] 作为本发明的优化方案，所述声速补偿单元实时进行声速补偿。
[0021] 进一步地，所述从处理器包括依次连接的正交解调单元和复降采样滤波单元，其 中正交解调单元与接收模块连接，复降采样滤波单元与主处理器连接；还包括与发射模块、 数据存储模块、传感器模块连接的数据端口。
[0022] 作为本发明的优化方案，所述主、从处理器之间还设有通信模块，用于实现主、从 处理器之间的高速数据通信，该通信模块分别与主、从处理器的RS232协议通信、UPP协议 通信单元连接。
[0023] 进一步地，所述发射声信号为3阶、码元数为7位、编码重复次数为12的声信号， 其中每个码元宽度包含4个信号周期。8、根据权利要求1所述的一种600kHZ宽带声学多 普勒流速剖面仪，其特征在于：所述传感器模块包括压力传感器和温度传感器。
[0024] -种600kHZ宽带声学多普勒流速剖面仪的实现方法，其特征在于，包括以下步 骤：
[0025] (1)主处理器与显控计算机通信，解析上位机的配置参数并下发指令给从处理器， 启动从处理器工作；
[0026] (2)从处理器控制发射模块发射由M序列编码的600kHZ正弦宽带声信号，控制 接收模块接收四通道回波信号并发送给从处理器，由从处理器对接收的信号进行解调；控 制传感器模块接收传感器数据；最后将解调后的信号及传感器数据通过通信模块发送给主 处理器；从处理器工作期间由其驱动数据存储模块存储中间数据、发射数据以及原始数据； 期间若从处理器未接收到回波信号，则返回上述步骤（1)继续进行；
[0027] (3)主处理器对接收的数据进行速度解算、合成，并将结果通过显控计算机显示； 期间若未得到合成结果，则返回上述步骤（2)继续进行。
[0028] 本发明的有益效果是：
[0029] (1)宽带声学多普勒流速剖面仪（BBADCP)采用M序列编码的正弦信号作为发射信 号，有较大的距离-速度精度，较大的探测距离和较小的速度平均时间；
[0030] (2)采用复相关测频与时延测频相结合的测频方法，即得到了相关测频的高精度， 又解决了相关测频的速度模糊问题；
[0031] (3)通过温度和压力等数据实时计算声速，实时进行声速补偿，提高了测流的精 度。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明的系统结构框图；
[0033] 图2为本发明中主处理器的结构框图；
[0034] 图3为本发明中从处理器的结构框图；
[0035] 图4为本发明的系统工作流程框图；
[0036] 图5为实施例中正交解调信号的原理框图；
[0037] 图6为实施例中脉冲对选取示意图；
[0038] 图7为实施例中ADCP四波束在基阵坐标系下的结构示意图；
[0039] 图8为实施例中ADCP四波束在基阵坐标系下X0Y平面的投影示意图。
【具体实施方式】
[0040] 如图1所示，一种600kHZ宽带声学多普勒流速剖面仪，包括发射模块，接收模块， 数据存储模块，显控计算机，传感器模块，电源模块，以及互连的主、从处理器；
[0041] 主处理器与显控计算机连接，通过显控计算机与上位机通信、解析上位机配置命 令，下发控制命令给从处理器；以及接收从处理器上传的解调后的信号，进行速度解算、合 成，将结果通过显控计算机显示；
[0042] 从处理器作为声信号的前期处理单元，分别与发射模块，接收模块，数据存储模块 以及传感器模块连接，控制以上各模块工作，并与主处理器进行数据通信，将解调后数据上 传给主处理器；
[0043] 发射模块用于发射由M序列编码的600kHZ正弦宽带声信号；发射声信号为3阶、 码元数为7位、编码重复次数为12的声信号，其中每个码元宽度包含4个信号周期。
[0044] 接收模块用于接收四通道的回波声信号，并发送给从处理器；
[0045] 显控计算机用于显示数据处理结果和上位机的配置参数；
[0046] 数据存储模块用于存储从处理器产生的发射数据、中间数据、及原始数据；
[0047] 传感器模块包括压力传感器和温度传感器，能为从处理器提供姿态仪、罗经、GPS、 温度、压力等传感器数据用于声速补偿以及速度修正；
[0048] 电源模块与上述各模块连接，提供各模块工作所需的电源。
[0049] 如图2所示，所述主处理器包括依次连接的复相关运算单元、速度合成单元和声 速补偿单元，以及包括与显控计算机、从处理器模块连接的数据端口；声速补偿单元实时进 行声速补偿。
[0050] 所述复相关运算单元采用脉冲对测频与时延测频相结合的方法进行多普勒频偏 运算；脉冲对测频与时延测频相结合的方法具体包括以下步骤：
[0051] (1)由主处理器将解调后的信号合成复信号，并利用该复信号的前11个周期和后 11个周期做互相关，求出相位差；
[0052] (2)由相位差求出存在速度模糊的多普勒频偏；
[0053] (3)利用复信号的自相关函数得出多普勒频偏的范围，去除速度模糊，求得准确的 多普勒频偏。
[0054] 如图3所示，所述从处理器包括依次连接的正交解调单元和复降采样滤波单元， 其中正交解调单元与接收模块连接，复降采样滤波单元与主处理器连接；还包括与发射模 块、数据存储模块、传感器模块连接的数据端口。
[0055] 作为本发明的优化方案，所述主、从处理器之间还设有通信模块，用于实现主、从 处理器之间的高速数据通信，该通信模块分别与主、从处理器的RS232协议通信、UPP协议 通信单元连接。
[0056] 如图4所示，一种600kHZ宽带声学多普勒流速剖面仪的实现方法具体包括以下步 骤：
[0057] (1)主处理器与显控计算机通信，解析上位机的配置参数并下发指令给从处理器， 启动从处理器工作；
[0058] (2)从处理器控制发射模块发射由M序列编码的600kHZ正弦宽带声信号，控制接 收模块接收四通道回波信号并发送给从处理器，由从处理器对接收的信号进行解调；控制 传感器模块接收传感器数据；最后将解调后的信号及传感器数据通过通信模块发送给主处 理器；从处理器工作期间由其驱动数据存储模块存储中间数据、存储发射数据以及原始数 据；期间若从处理器未接收到回波信号，则返回上述步骤（1)继续进行；
[0059] (3)主处理器对接收的数据进行速度解算、合成，并将结果通过显控计算机显示； 期间若未得到合成结果，则返回上述步骤（2)继续进行。
[0060] 下面将结合附图及具体实施例对本发明及其效果作进一步阐述，以下实施例仅是 示例性的，并不会局限本发明，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本发明所提供的技 术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本发明的保护范围。
[0061] (1)由M序列编码发射信号
[0062] 选取M序列作为二进制相位伪随机编码信号：当M序列的阶数r，选取r次本原多 项式为初始状态，则一个周期为T的二进制相位编码信号数学表达式为：
[0063] (1)
[0064] 其中：A为信号的幅度；
[0065] At为一个码元的宽度；
[0066] N= 2*-1为一个周期内码元的个数；
[0067] 当M序列值为0时，〇n=JT，当M序列值为1时，〇 n=0 ;
[006