一种具有大流速测量范围的宽带ADCP测流法的制作方法

本发明涉及测流领域，特别涉及一种具有大流速测量范围的宽带adcp测流法。

背景技术：

adcp，又称之为声学多普勒流速剖面仪，其向水中发射声波，水中的散射体使声波产生散射，adcp接收散射体返还的回波信号，通过分析其多普勒效应频移以计算流速，被广泛地用于海洋、湖泊、河口等水流流速的测量。目前的adcp测流一般采用复自相关算法进行，复自相关算法主要是利用两段回波信号之间的相位关系，通过相位的瞬时导数求得频率信息。

根据信号形式和处理方法的不同，adcp测流可分为窄带测流和宽带测流两种方式。具体的，如图1所示，窄带测流采用发射单频脉冲信号的方式开展测量，窄带非相干测流方式是利用非相干测量方式进行计算，对接收回波信号人为地延时一段时间后与原回波信号做一次相关运算。如图2所示，宽带测流方式通过发射一组编码脉冲调制信号进行频偏估计，称之为宽带是因为其是利用编码技术对发射信号进行调制，产生了扩频现象，发射信号的功率谱带宽变大。宽带测流属于相干测流方式，宽带测流方式在一次发射信号中包含两个或者多个脉冲，接收端通过计算同一个时间门内多个脉冲回波之间的相位关系得到多普勒频移。

窄带测流具有测流范围大但测流精度低的特点，宽带测流中的宽带信号的相位随频率变化较窄带信号的相位随频率变化更加迅速，导致宽带信号的测流范围较小，但宽带测流具有测流精度高的特点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有大流速测量范围的宽带adcp测流法，克服传统宽带测流法测流范围小的弊端，在保持宽带测流的准确度的同时解决了相位模糊的问题，扩展宽带测流的测流范围。

为实现以上目的，本技术方案的第一方面提供一种具有大流速测量范围的宽带adcp测流法，包括以下步骤：

在第一时间段内，在第一时间段内获取该水层的第一频率偏移，若第一时间段为初始测量时，利用窄带非相干测流法获取该水层的第一频率偏移，若第一时间段为非初始测量时，利用上一次宽带测流法得到的频率偏移作为该水层的第一频率偏移；

在第二时间段内，利用宽带测流法对同一水层进行二次测量，获取该水层的第二测量相位差；

利用第一频率偏移校正获取校准相位差；

对第二测量相位差进行2π整数倍周期延拓得到序列集合，取序列集合中最接近校准相位差的值作为第二真实相位差；

依据第二真实相位差计算第二频率偏移，基于第二频率偏移获取该水层的流速；

对后续每一次测量，依次重复s1~s5步骤，序贯跟踪测量该水层的流速。

相较现有技术，本技术方案具有以下技术特点和有益效果：融合窄带非相干测流法和宽带测流法各自的优势，利用前一次测量的频率偏移对当前测量时的测量相位差进行指导，形成序贯测量和记忆测量的效果，消除了相位（流速）模糊的问题。

附图说明

图1是窄带非相干测流法的示意图。

图2是宽带测流法的示意图。

图3是本方案的宽带adcp测流法的流程示意图。

图4是本方案的实施方法计算真实相位差的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

本方案提供一种具有大流速测量范围的宽带adcp测流法，该方案适用于adcp测量流速的场景，利用前一时间段测量的频率偏移校正后一时间段的测量相位差，且在初始测量时利用窄带非相干测流法进行水层的频率偏移的测量，在二次测量及多次测量时均利用宽带测流法进行测量，避免了宽带测流时存在的相位（流速）模糊问题，进而保证了宽带测流的准确性的同时很好地解决了相位（流速）模糊问题，极大拓展了宽带测流的测流范围。

首先说明本方案提供的具有大流速测量范围的宽带adcp测流法的测量原理，根据复相关算法，相位信息可由观测信号的自相关函数求得，即:

其中arctan()是反正切函数，rim(τ)是自相关函数的虚部，rreal(τ)是自相关函数的实部，是相位差；可知在限定(-π,π]区间内以及知晓rim(τ)与rreal(τ)正负号的前提下相位差具有唯一解，但若不限定(-π,π]区间，则具有以2π为周期的相位模糊特性（）。

如图1所示，对于窄带非相干测流法，单次发射信号总长度t0，由于多普勒效应接收回波中单个脉冲长度为tr，对接收回波信号人为地延时一段时间tr后与原回波信号做一次相关运算，具体对应时间轴上(tr,tr+tr-τ)和(tr+τ,tr+tr)这两段信号：沿某一波束方向测量的频率偏移fd（即多普勒频率）由以下公式求得：

其中，tr为两段进行复相关运算的观测信号之间的延时时间，tr为采样时间间隔ts的整数倍，故对应最大可测频率偏移可由以下公式取得：

其中fs为采样率。

如图2所示，对于宽带测流法，发射一组编码脉冲调制信号作为发射信号，其中tp代表单个码元长度，np代表单个脉冲的编码位数，故单个脉冲长度tsp的大小为np×tp，单次发射信号中包含多个脉冲信号，最少是两个，各脉冲之间具有相关性。发射信号总长度为t0，共m个载波相位连续的脉冲信号，t0=mtsp；接收的回波信号划分的时间窗大小为单次发射信号总长度t0，由于多普勒效应接收回波中单个脉冲长度为tsr，将单帧回波信号延时tsr后对(tr,(m-1)×tsr)和(tr+tsr,m×tsr)这两段信号做相关运算得到相位差，沿某一波束方向测量的频率偏移fd（即多普勒频率）由下式求得：

上式中tsr为两段进行复相关运算的观测信号之间的延时时间，tsr为单脉冲时间长度tsp的整数倍，故对应最大可测频率偏移由下式求得：

。

通过窄带和宽带测流法测得沿某一波束方向测量的频率偏移fd后，依据以下公式计算某一波束方向的流速：

上式中，fc为发射脉冲的信号频率，ν是流速，c是水中声速。

故可看到宽带测流法能测取的最大可测频率偏移是受到限制的，而采样时间间隔ts比单脉冲时间长度tsp要小很多，故窄带信号可以测量更大范围的频率偏移，等效于可以测量更大的流速范围。

在实际应用场景中，由于测量间隔短，两次测量间隔时间段内的流速为平稳过程，也就是说，流水的流速在短时间内不会发生剧烈变化，故本方案设计了一种具有大流速测量范围的宽带adcp测流法，对流速在短时间内不会发生剧烈变化的情况的水层进行流速测量，包括以下步骤：

s1：在第一时间段内，在第一时间段内获取该水层的第一频率偏移，若第一时间段为初始测量时，利用窄带非相干测流法获取该水层的第一频率偏移，若第一时间段为非初始测量时，利用上一次宽带测流法得到的频率偏移作为该水层的第一频率偏移；

s2：在第二时间段内，利用宽带测流法对同一水层进行二次测量，获取该水层的第二测量相位差；

s3：利用第一频率偏移校正获取校准相位差；

s4：对第二测量相位差进行2π整数倍周期延拓得到序列集合，取序列集合中最接近校准相位差的值作为第二真实相位差；

s5：依据第二真实相位差计算第二频率偏移，基于第二频率偏移获取该水层的流速；

s6：对后续每一次测量，依次重复s1~s5步骤，序贯跟踪测量该水层的流速。

值得一提的是，本方案适用于同一水层在两次adcp测量时间间隔内流速变化小的情景，利用第一时间段测得的频率偏移对第二时间段测量的相位差进行指示，形成序贯测量和记忆测量的效果，消除了宽带测流法中的相位模糊问题。对于流速变化较快的情形，可以缩短两次adcp测量时间间隔，以增强对流速变化的跟踪能力和适应性。

另外，本方案中在初始测量时采用窄带非相干测流法进行第一频率偏移的计算，在二次测量及多次测量时均采用宽带测流法进行水层流速的测量；也就是，本方案仅在初始测量时采用窄带非相干测流法进行第一频率偏移的计算。对应的，当第一时间段为初始测量时间段时，利用窄带宽非相干测流法测量第一频率偏移；当第一时间段不是初始测量时间段时，利用上一次宽带测流法得到的频率偏移作为该水层的第一频率偏移。

在本方案中，第一时间段和第二时间段为相邻时间段。即，第一时间段和第二时间段为连续测量的两时间段，本方案在第一时间段内用窄带非相干测流法或宽带测流法对水层进行测量，第二时间段内用宽带测流法对同一水层进行测量。为了尽量保证第一时间段和第二时间段的流速处于平稳状态，本方案的第一时间段和第二时间段的间隔优选为不大于1分钟，当然该时间间隔不作为限制，仅需保持第一时间段和第二时间段的间隔内水层处于平稳流动的状态即可。

另外，值得的一提的是，第一时间段和第二时间段测量同一水层的流速，若是需要测量不同水层的流速，则重复本方案的步骤即可。也就是说，在后续流速测量时可依次类推，始终用前一次测量的第一频率偏移对后一次宽带测流法的相位差进行指示。

具体的，由于第二时间段内采用的是宽带测量法，而第二测流相位差和第二时间段的真实相位差是有偏差的；若假定水层的流速是相同的，则窄带在第二时间段内的频率偏移和第一时间段内的第一频率偏移应当是相同的，利用该原理则可通过第一频率偏移计算出第二时间段的校准相位差（水层流速是相同的情况）。

当然，在实际应用中，即使假设该水层处于平稳流动的情况，该水层在第一时间段和第二时间段的流速必然是会发生微小变化的，且考虑到测量本身的测量误差问题，第二真实相位差和以上计算得到的校准相位差也是存在微量差异，结合第二测量相位差和第二真实相位差相差2π整数倍的差异的原理，对第二测量相位差进行2π整数倍周期延拓得到序列集合，在该序列集合中选用和校准相位差最接近的相位差，即可确认其为第二时间段的第二真实相位差。

利用第一频率偏移校正获取校准相位差的步骤具体包括：利用第一频率偏移、获取第一频率偏移对应的延时时间与2π的乘积获取校准相位差。

这边值得说明的是，当第一时间段是利用窄带非相干测流法进行测量的话，此时第一频率偏移对应的延时时间为窄带非相干测流法设定的延时时间；而当第一时间段是利用宽带测流法进行测量的话，此时第一频率偏移对应的延时时间为宽带测流法设定的延时时间。

为了更清楚地展示本方案的具有大流速测量范围的宽带adcp测流法的内容，以此以在第一时间段t1和第二时间段t2内两次测量某一特定水层的流速v为例进行说明：

在第一时间段t1内利用窄带非相干测流法或宽带测流法计算该特定水层的第一频率偏移为fd(1,i)，其中1表示对应第一时间段的测量，i为第i层水层；

随后在第二时间段t2内用宽带测流法计算该特定水层的第二测量相位差，其中；

而假设“基于同样流速，窄带非相干测流法和宽带测流法测得的频偏fd应是一致的（不考虑测量精度因素），并假设同一水层的两次时间段的间隔内流速变化不大的情况，则基于：

推出：φsb(2,i)≈fd(1,i)*2πτ；

其中φsb(2,i)为该特定水层的校准相位差，fd(2,i)为该特定水层的对应第二时间段的频率偏移，τ为获取第二频率偏移对应的延时时间；

而对第二测量相位差进行2π整数倍周期延拓得到（n2i为整数）的序列集合，在该序列集合中取某一最接近fd(1,i)*2πτ的延拓值作为该特定水层的第二真实相位差φsb(2,i)，即

基于第二真实相位差计算第二频率偏移：

，

其中τ为宽带测流法单次测量时的延时时间；

基于第二频率偏移计算该该特定水层的流速：

，

fc为发射脉冲的信号频率。

假定第一时间段是利用窄带非相干测流法进行测量，则在第二时间段内利用宽带测流法进行测量并获取第二频率偏移，在第三时间段内依旧利用宽带测流法进行测量，此时，利用第二频率偏移校正第三时间段测量时的相位差。

在本方案中，大流速测量范围指的是大于20m/s的流速，当然，该流速并不是作为特别限制，其仅表示和传统的宽带测流法相比，测流流速的范围扩大。

另外，本方案提供的具有大流速测量范围的宽带adcp测流方法可用于水文水利、防洪防汛、生态环保等领域。以该具有大流速测量范围的宽带adcp测流方法用于某一特定水利工程的流速测量为例进行说明：

实施例的adcp的信号中心频率fc为600khz，信号采样频率fs为2.4mhz，采样时间间隔ts为1/2.4us，声速c为1500m/s。窄带测流法发射脉冲时间长度为1ms，相关延时τ为100us(240*ts)；宽带信号发射脉冲对时间长度1ms，相关延时τ为1ms。

假设每间隔1分钟对第10层水层进行一次流速测量，第一次利用窄带非相干测流法进行测量，后续均采用宽带测流法进行测量：

初始使用窄带非相干测方法，对第10层水层测量的相位差为φsn(1,10)=1.005310，对应第一频率偏移为，对应流速为，其中1为第1次测量，10为第10层水层。

第二次测量改用宽带测流法进行测量，第二测量相位差为，因存在相位模糊，故真实相位差φsb(2,i)与第二测量相位差相差2π整数倍。使用如下方法将测量相位差修正到第二真实相位差：

因对同样流速，窄带和宽带测流法测得的频偏fd应是一致的（不考虑测量精度因素），并假设同一水层的两次测量短时间间隔内流速变化不大，即：

则：

φsb(2,10)≈fd(1,10)*2πτ=10.053096

从上式看出第一频率偏移fd(1,10)起到了对第二真实相位差φsb(2,10)的指示作用，即在测量时间间隔尺度流速慢变的前提下，前一次测量的结果对后一次测量结果具有指示作用。

在实际应用中，两次测量的流速会产生微小变化，即φsb(2,10)与fd(1,10)*2πτ存在小量差异。结合φsb(2,10)与相差2π整数倍的关系，对进行2π整数倍周期延拓得到（n为整数）序列集合，在该序列集合中取某一最接近10.053096（即fd(1,10)*2πτ）的延拓值作为本次测量的真实相位差φsb(2,10)，即

如图4所示，对应第二频率偏移为，对应流速为，其中2为第2次测量，10为第10层水层。最终得到第10层水层1~10次测量时刻的沿波束流速分别为2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9m/s。

在进行后续流速测量时，依次类推，用前一次测量的fd(m,i)对φsb(m+1,i)进行指示（其中m为第m次测量，i为第i层水层），形成序贯测量和记忆测量的效果，消除了相位（流速）模糊问题。该方法既保持了宽带测流的准确性，又很好地解决了相位（流速）模糊问题，极大拓展了宽带测流的测流范围。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。