一种基于相位差的水下声层析测流方法

本发明涉及水下声学测量，尤其涉及一种基于相位差的水下声层析测流方法。

背景技术：

1、自1979年munk和wunsch正式提出“海洋声层析技术”，随后声层析技术不断发展，在沿海、河流和入海口等地区纷纷进行试验和应用。声层析测流技术相比于传统的测流技术，具有高精度、大范围测量、自动化程度高等优势，具有较高的应用前景和研究价值。

2、当前声层析技术大多通过测量声信号顺流和逆流的传播时间差进而对水体流速进行反演。如公开号为cn116558585a等的中国专利文献公开了基于声信号走时差的声层析测流技术。该方法对于高流速的测量准确度较高，但由于匹配滤波后时延估计的理论极限精度所限，对于低流速(如0.1m/s以下流速)的误差相对较大。因此，需要研究一种更适用于低流速测量的声层析测流理论和方法。

3、波动声学理论相比于射线声学理论更适用于较低频的声波分析，而时差法声层析测流技术是基于超声射线声学理论推导出来的，射线声学是高频条件下波动方程的近似解，适用于高频声波的分析。而当在声层析测流技术使用较低频率声波时，不可避免地会产生误差。因此，需要研究一种更适合低频声层析技术的测流理论和方法。

4、综上所述，发明一种更适用于低流速和低频信号以及更高精度的声层析测流技术非常有必要。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于相位差的水下声层析测流方法，该方法更适用于在频率较低的声层析技术中使用。同时考虑时差和相位差，可以降低流速测量时的不确定度，促进了自动化和高精度测流技术。本发明适用于河道、入海口、湾区等水域的流速测量。

2、根据本发明的一个方面，提供一种基于相位差的水下声层析测流方法，包括：

3、收集待测水域的双向传播声信号，提取双向传播声信号的传播时间和相位变化，且此处的相位变化满足

4、通过波动声学建立双向传播声信号的相位变化、双向传播声信号的传播时间与待测水域的平均流速以及待测水域的平均声速之间的关系，通过该关系反演得到待测水域的平均流速以及待测水域的平均声速。

5、在上述技术方案中，该基于相位差的水下声层析新型测流理论中，从波动声学的理论出发，同时考虑到了声信号的双向传播时间和双向传播的相位变化差对流速反演的影响，在一定程度上弥补单一依靠匹配滤波后时延估计的误差，提高了较低频声层析测流和声层析低流速测流技术的精度。

6、在一些实施例中，提取双向传播声信号的传播时间和相位变化，具体地：

7、将收集到的双向传播声信号经过匹配滤波器，提取双向传播声信号的传播时间，以及，使用fft交叉谱法计算双向传播声信号的相位变化。

8、在上述技术方案中，由于傅里叶变化是一种时域与频域的映射关系，因此fft交叉谱法在理论上是没有相位差测量误差的。。

9、在一些实施例中，通过波动声学建立双向传播声信号的相位变化、双向传播声信号的传播时间与待测水域的平均流速、待测水域的平均声速之间的关系，通过该关系反演得到待测水域的平均流速以及待测水域的平均声速，

10、具体地：

11、根据双向传播声信号收发位置建立收发位置的声学表达式；

12、定义双向传播声信号的传播方向，根据波动声学理论，推导双向传播声信号的相位变化与双向传播声信号的传播时间t+、t-和待测水域的平均流速u和待测水域的平均声速c0的声学关系式；

13、通过所述声学关系式联立求得和待测水域的平均流速u和待测水域的平均声速c0。

14、在上述技术方案中，这样设置得目的在于不仅利用了波动声学相较于射线声学更适用于低频声波的优点，而且同时考虑到了时差项和相位差项，在一定程度上弥补单一依靠匹配滤波后时延估计的误差，因此其更加适用于较低频声层析测流和提高声层析低流速测流技术的精度。

15、在一些实施例中，所述双向传播声信号为宽带chirp信号。

16、在上述技术方案中，这样设置得目的在于chirp信号具有强相关特性，而且fft交叉谱法对chirp信号的适用性较高。

17、在一些实施例中，所述双向传播声信号的传播方向与待测水域的水流方向呈一定夹角θ。

18、在上述技术方案中，夹角θ的取值范围为：0°≤θ<90°。这样设置得目的在于避免流速方向与声站连线垂直。

19、在一些实施例中，通过波动声学建立双向传播声信号的相位变化、双向传播声信号的传播时间与待测水域的平均流速以及待测水域的平均声速之间的关系，通过该关系反演得到待测水域的平均流速以及待测水域的平均声速，

20、之后还包括：

21、通过反演得到的待测水域的平均声速，由声速经验公式计算待测水域的平均温度。

22、在上述技术方案中，该基于相位差的水下声层析新型测流方法，既可以在监测水域平均流速的同时，也可以对待测水域的温度进行同步监测。

23、根据本发明得另一个方面，提出一种基于相位差的水下声层析测流系统，包括依序连接的采集模块、测速模块；

24、该采集模块用于收集待测水域的双向传播声信号，提取双向传播声信号的传播时间和相位变化，且此处的相位满足

25、该测速模块用于通过波动声学建立双向传播声信号的相位变化、双向传播声信号的传播时间与待测水域的平均流速以及待测水域的平均声速之间的关系，通过该关系反演得到待测水域的平均流速以及待测水域的平均声速。在上述技术方案中，该基于相位差的水下声层析测流系统，同时计算了声信号的双向传播时间差和双向传播的相位变化差，并将其进行平均声速和平均流速的反演，在一定程度上弥补单一依靠匹配滤波后时延估计的误差，提高了较低频声层析测流和声层析低流速测流技术的精度。根据本发明的又一个方面，提出一种基于相位差的水下声层析测流设备，包括：

26、至少一个处理器；以及，

27、与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

28、所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的基于相位差的水下声层析测流方法。

29、在上述技术方案中，为了更好的运行和处理该方法，将上述方法存储至存储器，并利用处理器来执行存储的方法。需要注意的是，每个步骤的原理和效果已在上文描述，此处不再展开说明。

30、根据本发明的再一个方面，提出一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于相位差的水下声层析测流方法。

31、在上述技术方案中，为了更好的运行和使用该方法，将上述方法存储至计算机可读存储介质，并利用处理器来实现上述方法。需要注意的是，每个步骤的原理和效果已在上文描述，此处不再展开说明。

技术特征：

1.一种基于相位差的水下声层析测流方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种基于相位差的水下声层析测流方法，其特征在于，

3.如权利要求1所述的一种基于相位差的水下声层析测流方法，其特征在于，

4.如权利要求1或3所述的一种基于相位差的水下声层析测流方法，其特征在于，

5.如权利要求3所述的一种基于相位差的水下声层析测流方法，其特征在于，

6.如权利要求1所述的一种基于相位差的水下声层析测流方法，其特征在于，

7.一种基于相位差的水下声层析测流系统，其特征在于，包括依序连接地采集模块、测速模块；

8.一种基于相位差的水下声层析测流设备，其特征在于，包括：

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的基于相位差的水下声层析测流方法。

技术总结
本发明公开了一种基于相位差的水下声层析测流方法。所述方法包括：收集待测水域的双向传播声信号，提取双向传播声信号的传播时间和相位变化；通过波动声学建立双向传播声信号的相位变化、双向传播声信号的传播时间与待测水域的平均流速以及待测水域的平均声速之间的关系，通过该关系反演得到待测水域的平均流速以及待测水域的平均声速。本发明的目的在于提出一种基于相位差的水下声层析测流方法，该方法更适用于在频率较低的声层析技术中使用。同时考虑时差和相位差，可以降低流速测量时的不确定度，促进了自动化和高精度测流技术。本发明适用于河道、入海口、湾区等水域的流速测量。

技术研发人员：张宇,彭旭名,杨晨,傅伟杰
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8