专利名称：声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理系统，主要是一种声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理系统及其方法，用于声学多普勒海流剖面仪和计程仪等海洋仪器的信号处理和仪器相对于海水或海底运动速度信息的提取。
背景技术：
声学多普勒海流剖面仪信号处理技术的研究和发展可分为几个个阶段。最初是以锁相式频率跟踪器为核心检测海水或海底回波信号频率，其代表产品如日本古野公司的CI-30型。它的缺点是设备的体积较大，测流的空间分辨率和测流精度均较低。目前最常用的是以复相关技术为核心计算海水或海底回波信号频率，从而获取仪器相对于海水或海底运动速度信息，其代表产品如RD公司的窄带声学多普勒海流剖面仪(NBADCP)。它的优点是可同步测量多层海流(RD公司的NBADCP最多可测量128层)，设备简单，体积小，长期工作稳定度高。缺点是受频率和脉宽的限制，测层厚度不能太小，单次测量的方差大。
发明内容
本发明的目的在于要解决上述现有技术的缺点和不足，而提供一种声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理系统及其方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案。这种声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理系统，该系统主要包括声学多普勒海流剖面仪组件、信号处理主板+数据采集卡、计算机系统、电缆；所述的声学多普勒海流剖面仪组件通过所述的信号处理主板+数据采集卡与所述的计算机系统连接；所述的声学多普勒海流剖面仪组件将接收到的数据信号通过电缆输入进所述的数据采集卡，由所述的数据采集卡对所输入的信号进行数据采集，所述的信号处理主板对所采集的数掘信号进行算法处理；所述的计算机系统对所述的算法处理进行操作，并对处理结果进行画面显示。
所述的声学多普勒海流剖面仪组件包括相控阵、收发控制单元、发射单元、接收前置单元和电缆。系统包括PAADCP-01型声学多普勒海流剖面仪组件、Hammerhead-PCI信号处理主板+PMC数据采集卡、GPS接收器、纵横摇传感器和带有两个RS232串行接口的计算机系统、电缆；所述的PAADCP-01型声学多普勒海流剖面仪组件通过电缆与所述的PMC数据采集卡连接，所述的PMC数据采集卡插在所述的Hammerhead-PCI信号处理主板板面上，Hammerhead-PCI信号处理主板+PMC数据采集卡插在所述的计算机系统的PCI槽内；所述的GPS接收器与所述的计算机系统的串行端口(COM1)连接，所述的纵横摇传感器与所述的计算机系统的另一个串行端口(COM2)连接。
本发明所述的这种声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理方法，由所述的声学多普勒海流剖面仪组件进行收发测流信号，并将接收到的数据信号传输给所述的PMC数据采集卡，Hammerhead-PCI信号处理主板对PMC数据采集卡采集到的数据信号进行处理；用2个或多个相同m序列编码宽带信号作为发射信号，采用复互相关技术分析水介质和海底的反向反射信号的相位变化，测量声学多普勒海流剖面仪的换能器阵相对与水介质和海底的运动速度和方向。
所述的处理方法A)、首先由所述的PAADCP-01型声学多普勒海流剖面仪组件进行发射声信号，声信号的形式为2个或多个相同m序列编码宽带信号；B)、水介质和海底的反向反射信号用所述的PAADCP-01型声学多普勒海流剖面仪组件进行接收放大，并把它传送给Hammerhead-PCI信号处理主板上的PMC数据采集卡。PMC数据采集卡将接收到的模拟声信号转换成数字声信号，并将信号存入Hammerhead-PCI信号处理主板上的内存中；C)、所述的Hammerhead-PCI信号处理主板从内存中直接读取采集到的数据声信号，进行复互相关技术分析处理，计算出水介质和海底的反向反射信号的相位变化；D)、利用所述的相位变化计算各剖面层的相对流速，同时利用所述的GPS接收器、纵横摇传感器的数据计算各剖面层的绝对流速；E)、所述的计算机系统的串行端口COM1接收从所述的GPS接收器发出的定位信号；所述的计算机系统对数据信号、命令信号和定位信号进行处理和操作，输出结果显示画面。
本发明的有益的效果是为了提高海流速度测量精度和空间分辨率，我们采用m序列码宽带脉冲对信号，并采用复相关信号处理技术提取两个或多个相同m序列码宽带脉冲信号的相位差从而获取仪器相对于海水或海底运动速度信息，长期工作稳定度高，不受频率和脉宽的限制。
图1是声学多普勒海流剖面仪的4个接收波束；图2为PAADCP-01系统组成示意图；具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步介绍在图1中，4个波束与中垂线的夹角为θ，构成斜正交结构；图2为PAADCP-01系统组成示意图；其中信号处理主板+数据采集卡插在PAADCP-01的计算机系统机箱内，PAADCP-01电子设备组件的信号与信号处理主板+数据采集卡直接连接。
这种声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理系统，该系统主要包括声学多普勒海流剖面仪组件、信号处理主板+数据采集卡、计算机系统、电缆；所述的声学多普勒海流剖面仪组件通过所述的信号处理主板+数据采集卡与所述的计算机系统连接；所述的声学多普勒海流剖面仪组件将接收到的数据信号通过电缆输入进所述的数掘采集卡，由所述的数据采集卡对所输入的信号进行数据采集，所述的信号处理主板对所采集的数据信号进行算法处理；所述的计算机系统对所述的算法处理进行操作，并对处理结果进行画面显示。
所述的声学多普勒海流剖面仪组件包括相控阵、收发控制单元、发射单元、接收前置单元和电缆。系统包括PAADCP-01型声学多普勒海流剖面仪组件、Hammerhead-PCI信号处理主板+PMC数据采集卡、GPS接收器、纵横摇传感器和带有两个RS232串行接口的计算机系统、电缆；所述的PAADCP-01型声学多普勒海流剖面仪组件通过电缆与所述的PMC数据采集卡连接，所述的PMC数据采集卡插在所述的Hammerhead-PCI信号处理主板板面上，Hammerhead-PCI信号处理主板+PMC数据采集卡插在所述的计算机系统的PCI槽内；所述的GPS接收器与所述的计算机系统的串行端口(COM1)连接，所述的纵横摇传感器与所述的计算机系统的另一个串行端口(COM2)连接。
本发明所述的这种声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理方法，由所述的声学多普勒海流剖面仪组件进行收发测流信号，并将接收到的数据信号传输给所述的PMC数据采集卡，Hammerhead-PCI信号处理主板对PMC数据采集卡采集到的数据信号进行处理；用2个或多个相同m序列编码宽带信号作为发射信号，采用复互相关技术分析水介质和海底的反向反射信号的相位变化，测量声学多普勒海流剖面仪的换能器阵相对与水介质和海底的运动速度和方向。具体的方法为1.m序列码信号设计m序列码元信号为单频信号，频率范围为15000Hz～300000Hz，码元宽度为8个单频信号周期的宽度，起始相位为0°。
单个m序列编码信号长度由7个码元组成，排列如下
其中1表示起始相位为0°的码元信号，-1表示起始相位为180°的码元信号。
发射信号为n(n≥2)个相同的m序列编码信号接连，n由控制菜单输入，缺省值为8。
2.复相关信号处理技术2.1.接收信号预处理声学多普勒海流剖面仪接收波束如图1所示，对来自相控接收机的4路波束输出信号，用频率为5倍工作频率的采样信号进行采样，形成4路数字信号。
x1(i，n)i＝1，2，3，4n为时间采样序列 (1)对4路数字信号进行基带解调，设解调后的信号为x2(i，n)。则x2(i，n)＝x1(i，n)×exp(-j2π×f0×n/fs) (2)这里f0为工作频率，fs＝5f0为采样频率对x2(i，n)进行低通滤波，设滤波后的信号为x3(i，n)。则x3(i，n)＝h1(n)x2(i，n) (3)这里表示卷积，h1(n)为低通滤波器系数。
低通滤波器h1(n)的通带临界频率为f0/8Hz，通带截止频率为f0/7Hz，通带内起伏小于0.5dB，阻带衰减大于60dB。
对x3(i，n)进行降采样处理，设降采样后的信号为x4(i，n)。则x4(i，n)＝x3(i，Mn)M＝102.2.复相关和多普勒时间计算设海洋垂直空间分辨厚度为h，共测量N层海水流速剖面，则对4个回波信号按时间划分成N段，第I层回波信号的起始时刻为t(i)＝2×I×h/cos(θi)/c (4)这里c＝1500m/s，θi为i波束与中垂线的夹角。
对x4(i，n)截取同一海水剖面层信号，信号长度Ti为Ti＝8h/c。得4个回波信号段x5(i，ni)。
x5(i，ni)＝x4(i，ni) ni＝<t(i)×10/fs>，…，<(t(i)+Ti)×10/fs> (5)这里<>表示取整。
在x5(i，ni)中取前一半为参考信号x6(i，ni)。
x6(i，ni)＝x5(i，ni) ni＝<t(i)×10/fs>，…，<(t(i)+Ti/2)×10/fs>(6)设复相关的另一路信号x7(i，ni)。
x7(i，ni)＝x5(i，ni) ni＝<t(i)×10/fs>+35，…，<(t(i)+Ti/2)×10/fs>+35 (7)将x6(i，ni)与x7(i，ni)做复互相关处理。
得x8(i)=Σnix6(i,ni)×x7(i,ni)---(8)]]>计算x8(i)的相位值φ(i)=tg-1[Im(x8(i))Re(x8(i))]---(9)]]>并通过判断x8(i)的实部或虚部的正负决定φ(i)的值是[-π，0]或
。
则多普勒时间τi＝φi(i，1)/2π/f0(10)3.仪器相对于海水或海底运动速度信息获取设波束i＝1为船首方向的波束，波束i＝2为船尾方向的波束，波束i＝3为船左舷方向的波束，波束i＝4为船右舷方向的波束(如图1所示)，则船首方向流速u首为 则船左舷方向流速u左舷为 海流垂直速度u垂直为
权利要求
1.声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理系统，其特征在于该系统主要包括声学多普勒海流剖面仪组件、信号处理主板+数据采集卡、计算机系统、电缆；所述的声学多普勒海流剖面仪组件通过所述的信号处理主板+数据采集卡与所述的计算机系统连接；所述的声学多普勒海流剖面仪组件将接收到的数据信号通过电缆输入进所述的数据采集卡，由所述的数据采集卡对所输入的信号进行数据采集，所述的信号处理主板对所采集的数据信号进行算法处理；所述的计算机系统对所述的算法处理进行操作，并对处理结果进行画面显示。
2.根据权利要求1所述的声学多普勒海流剖面仪的信号处理系统，其特征在于所述的声学多普勒海流剖面仪组件包括相控阵、收发控制单元、发射单元、接收前置单元和电缆。
3.根据权利要求1所述的声学多普勒海流剖面仪的信号处理系统，其特征在于系统包括PAADCP-01型声学多普勒海流剖面仪组件、Hammerhead-PCI信号处理主板+PMC数据采集卡、GPS接收器、纵横摇传感器和带有两个RS232串行接口的计算机系统、电缆；所述的PAADCP-01型声学多普勒海流剖面仪组件通过电缆与所述的PMC数据采集卡连接，所述的PMC数据采集卡插在所述的Hammerhead-PCI信号处理主板板面上，Hammerhead-PCI信号处理主板+PMC数据采集卡插在所述的计算机系统的PCI槽内；所述的GPS接收器与所述的计算机系统的串行端口COM1连接，所述的纵横摇传感器与所述的计算机系统的另一个串行端口COM2连接。
4.一种声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理方法，其特征在于由所述的声学多普勒海流剖面仪组件进行收发测流信号，并将接收到的数据信号传输给所述的PMC数据采集卡，Hammerhead-PCI信号处理主板对PMC数据采集卡采集到的数据信号进行处理；用2个或多个相同m序列编码宽带信号作为发射信号，采用复互相关技术分析水介质和海底的反向反射信号的相位变化，测量声学多普勒海流剖面仪的换能器阵相对与水介质和海底的运动速度和方向。
5.根据权利要求4所述的声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理方法，其特征在于所述的处理方法A)、首先由所述的PAADCP-01型声学多普勒海流剖面仪组件进行发射声信号，声信号的形式为2个或多个相同m序列编码宽带信号；B)、水介质和海底的反向反射信号用所述的PAADCP-01型声学多普勒海流剖面仪组件进行接收放大，并把它传送给Hammerhead-PCI信号处理主板上的PMC数据采集卡。PMC数据采集卡将接收到的模拟声信号转换成数字声信号，并将信号存入Hammerhead-PCI信号处理主板上的内存中；C)、所述的Hammerhead-PCI信号处理主板从内存中直接读取采集到的数据声信号，进行复互相关技术分析处理，计算出水介质和海底的反向反射信号的相位变化；D)、利用所述的相位变化计算各剖面层的相对流速，同时利用所述的GPS接收器、纵横摇传感器的数据计算各剖面层的绝对流速；E)、所述的计算机系统的串行端口COM1接收从所述的GPS接收器发出的定位信号；所述的计算机系统对数据信号、命令信号和定位信号进行处理和操作，输出结果显示画面。
6.根据权利要求4或5所述的声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理方法，其特征在于1)、m序列码信号设计m序列码元信号为单频信号，频率范围为15000Hz～300000Hz，码元宽度为8个单频信号周期的宽度，起始相位为0°，发射信号为n(n≥2)个相同的m序列编码信号接连，n由控制菜单输入，缺省值为8；2)、复相关信号处理技术2.1、接收信号预处理声学多普勒海流剖面仪接收波束，对来自相控接收机的4路波束输出信号，用频率为5倍工作频率的采样信号进行采样，形成4路数字信号；x1(i，n)i＝1，2，3，4n为时间采样序列(1)对4路数字信号进行基带解调，设解调后的信号为x2(i，n)；则x2(i，n)＝x1(i，n)×exp(-j2π×f0×n/fs)(2)这里f0为工作频率，fs＝5f0为采样频率对x2(i，n)进行低通滤波，设滤波后的信号为x3(i，n)；则x3(i，n)＝h1(n)x2(i，n) (3)这里表示卷积，h1(n)为低通滤波器系数；低通滤波器h1(n)的通带临界频率为f0/8Hz，通带截止频率为f0/7Hz，通带内起伏小于0.5dB，阻带衰减大于60dB；对x3(i，n)进行降采样处理，设降采样后的信号为x4(i，n)；则x4(i，n)＝x3(i，Mn)M＝102.2、复相关和多普勒时间计算设海洋垂直空间分辨厚度为h，共测量N层海水流速剖面，则对4个回波信号按时间划分成N段，第I层回波信号的起始时刻为t(i)＝2×I×h/cos(θi)/c (4)这里c＝1500m/s，θi为i波束与中垂线的夹角；对x4(i，n)截取同一海水剖面层信号，信号长度Ti为Ti＝8h/c；得4个回波信号段x5(i，ni)；x5(i，ni)＝x4(i，ni)ni＝<t(i)×10/fs>，…，<(t(i)+Ti)×10/fs>(5)这里<>表示取整；在x5(i，ni)中取前一半为参考信号x6(i，ni)；x6(i，ni)＝x5(i，ni)ni＝<t(i)×10/fs>，…，<(t(i)+Ti/2)×10/fs> (6)设复相关的另一路信号x7(i，ni)；x7(i，ni)＝x5(i，ni)ni＝<t(i)×10/fs>+35，…，<(t(i)+Ti/2)×10/fs>+35(7)将x6(i，ni)与x7(i，ni)做复互相关处理；得x8(i)=Σnix6(i,ni)×x7(i,ni)---(8)]]>计算x8(i)的相位值φ(i)=tg-1[Im(x8(i))Re(x8(i))]---(9)]]>并通过判断x8(i)的实部或虚部的正负决定φ(i)的值是[-π，0]或
；则多普勒时间τi＝φ1(i，1)/2π/f0(10)3)、仪器相对于海水或海底运动速度信息获取设波束i＝1为船首方向的波束，波束i＝2为船尾方向的波束，波束i＝3为船左舷方向的波束，波束i＝4为船右舷方向的波束，则船首方向流速u首为 则船左舷方向流速u左舷为 海流垂直速度u垂直为
全文摘要
本发明涉及一种声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理系统及其方法，包括声学多普勒海流剖面仪组件、信号处理主板+数据采集卡、计算机系统、电缆。声学多普勒海流剖面仪组件将接收到的宽带模拟声信号通过电缆输入进数据采集卡，由数据采集卡对所输入的模拟声信号进行数据采集，并将采集的数据信号直接给信号处理主板，由信号处理主板对宽带数字声信号进行处理，并由计算机系统对整个过程进行操作和画面显示结果。本发明优点是为了提高海流速度测量精度和空间分辨率，采用m序列码宽带脉冲对信号，并采用复相关信号处理技术提取两个或多个相同m序列码宽带脉冲信号的相位差从而获取仪器相对于海水或海底运动速度信息，长期工作稳定度高，不受频率和脉宽的限制。
文档编号G01S7/523GK1588119SQ200410066559
公开日2005年3月2日 申请日期2004年9月22日 优先权日2004年9月22日
发明者沈斌坚, 丛卫华, 付菊英, 胡益群, 夏明 , 宗桂华, 章灵祥, 张国栋, 程千流 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所