一種新的ADCP滑動平均精細化處理方法與流程

本發明涉及一種新的ADCP滑動平均精細化處理方法，用于對聲學多普勒流速剖面儀測量方法的改進，屬于水聲信號測量技術領域。

背景技術：

聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)是一種利用多普勒原理工作的測速聲納，廣泛應用于海洋環境監測、海洋開發、海洋科學研究等領域。在整個ADCP系統中，算法是整個系統的靈魂與核心，算法性能的好壞直接影響著最終的測流結果。ADCP通過換能器下水體中發生聲波脈沖，發射完畢后換能器迅速切換至接收狀態接收水體中的散射回波，通過計算回波信號中的多普勒頻偏得到水流相對于ADCP的運動速度，從而求得水流的流速。

ADCP相對于以往機械式的流速測量儀，其主要優勢之一是可以得到水流的剖面流速，故在測量前需對水流進行分層，分別得到分層后每個流層的流速再繪制流速剖面圖。對于一段已接收的回波信號，ADCP系統通過固定長度的時間門對回波信號進行劃分，不同時段的回波對應不同深度流層，通過聲波在水體中的速度將回波的時間段與水體的空間段聯系起來。由于發射的聲脈沖是一段時長的信號，故任意時刻的回波大小是發射脈沖不同部分在不同水流深度處散射體散射的疊加總和。故用于計算某一流速的單幀回波信號中總有相鄰流層的散射體的作用，使得相鄰層流速對本層流速的計算產生干擾。當相鄰流層水流速度變化較大時，這種干擾作用顯得尤其明顯。就目前而言，在ADCP研究領域，國內外對這一問題的研究甚少，相關公司及研究機構也未提出對這一問題的官方正式解決方案。

技術實現要素：

發明目的：針對ADCP測量中出現的相鄰流速對本層流速計算時的干擾問題，本發明提供一種新的ADCP滑動平均精細化處理方法，對回波信號精細化處理模式，對回波信號進行劃分時，相鄰兩幀信號相互重疊，使得對某一特定流層流速進行滑動平均處理的樣本點變多，從而提高測量精度，消除流速測量時的層間干擾問題。

技術方案：一種新的ADCP滑動平均精細化處理方法，包括以下步驟：

1.設計回波信號精細化處理模式。傳統的ADCP回波處理都是非精細化處理模式，在這種模式下，按照發射信號的長度對接收的一段回波信號進行等長劃分，劃分后得到的信號中相鄰兩幀回波數據沒有重疊。而在精細化處理模式下，按照發射信號的長度對接收的一段回波信號進行等長劃分，劃分后得到的相鄰兩幀回波數據相互重疊。重疊大小可在顯控端設置。

2.用戶利用顯控端的顯控界面的儀器配置模塊設置精細化處理時各幀回波信號的重疊率，通過異步串口將相關信息傳送到開發板。開發板根據接收到的回波信號的重疊率對回波進行劃分。對于劃分后得到的單幀回波信號，利用復自相關運算得到該幀信號中的多普勒頻偏，從而求得單幀回波信號對應的流速。

3.基于分層原理，采用滑動平均處理方法抑制相鄰流層對本層流速計算時的干擾。滑動平均處理的單個樣本點為單幀回波信號計算得到的多普勒頻偏值，用于滑動平均的樣本點的選取依據為：對于某一待測的流層，若某幀回波中待測流層的散射體對這幀信號的散射時間超過該幀信號總時間的一半，則該幀信號得到的頻偏可用作為待測流層滑動平均處理的樣本點。否則不用于待測流層滑動平均處理的樣本點。

4.確定滑動平均處理時各樣本點的加權系數。對于用于滑動平均處理的各樣本點，根據分層原理，對于n點滑動平均處理，分別得到各幀信號中待測流層散射體對本幀信號的作用時間占本幀信號時間總長度的比值，分別記作a₁，a₂…a_n，則各樣本點的加權系數w₁，w₂…w_n分別為a₁/(a₁+a₂+...a_n)，a₂/(a₁+a₂+...a_n)….a_n/(a₁+a₂+...a_n)。根據各樣本點數值和加權系數，通過滑動平均法得到最終的流速。

本發明采用上述技術方案，具有以下有益效果：

1.通過滑動平均處理，有效地抑制了計算某一特定流層測速時相鄰流層對本層流速的干擾。

2.分層的精細化程度即用于滑動平均處理的樣本數可根據當前海洋環境的不同而改變。系統加強了開發板與上位機的通信，精細化處理時，各幀回波信號的重疊率可根據用戶的意愿改變，開發板會根據接收到的不同的重疊率改變算法的相應參數。

附圖說明

圖1為ADCP分層原理；

圖2(a)是非精細化處理模式下回波劃分示意圖，圖2(b)精細化處理模式下回波劃分示意圖；

圖3為發明的實現過程；

圖4(a)是非精細化處理模式下各流層預設頻偏與測量結果，圖4(b)是非精細化處理模式下2點滑動平均處理后各流層預設頻偏與測量結果，圖4(c)是精細化處理模式下3點滑動平均處理后各流層預設頻偏與測量結果。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。

如圖1所示，橫坐標表示時間，縱坐標表示水流深度，其中0到h₁這一段是盲區，h₁之后的水流深度按層厚進行等分，h₁到h₂是第一層水流深度，h₂到h₃是第二層水流深度，以此類推。在0時刻換能器發射聲波信號，T時刻發射完成，發射信號總長度為T。對于第n層水流的流速水體分層中，第n層即深度范圍在h_n～h_n+1這一段水流的流速，在算法實現中對應著回波中t_n～t_n+1，t_n時刻接收的回波是聲脈沖始端在h_n+1處、末端在h_n處及其余各段在h_n～h_n+1中對應位置處的散射疊加，用線段AB表示。t_n+1時刻接收的回波對應聲脈沖在水中散射的區域用線段EF表示。AB、EF的方向均表示散射回波在水中的傳播方向，必有AB平行于EF，當A點運動到E點時，B點也處于F點，當線段從AB沿著線段AE(或者BF)方向運動到EF時，在時間軸上對應著t_n到t_n+1這一段回波，第n層的流速信息是通過這段回波求得的。在緊接著t_n的下一個時刻，聲脈沖的始端剛開始離開A點即剛開始離開第n層水流，進入第n+1層，此時該時刻的回波中已有一部分是下一個水層對回波的貢獻，直到t_n+1時刻，EF已完全位于第n+1層水流中，t_n+1時刻回波信號中沒有第n層散射體對回波信號的散射作用。故用于計算第n層的回波信號t_n～t_n+1中可用于計算第n層流速的信號占總信號長度的二分之一，故傳統ADCP回波處理方式中當前流層的測量總有下一層流層的流速對本層流速的干擾。對于計算第n-1層的回波信號t_n-1～t_n中可用于計算第n-1層流速的信號占總信號長度的二分之一，可用于計算第n層流速的信號同樣占總信號長度的二分之一。故對于第n層流速，在未采樣精細化處理的模式下，可采用兩點滑動平均處理的方式抑制相鄰層數對本層流速的干擾，加權系數各為1/2。而進行回波信號精細化處理后，可用于滑動平均處理的樣本點數變多，處理效果變好。

圖2(a)是非精細化處理模式下回波劃分示意圖，劃分后相鄰兩幀回波間沒有重疊，圖2(b)是精細化處理模式下回波劃分示意圖，劃分后相鄰兩幀回波間有重疊，其中橫坐標為時間軸，劃分回波信號的長度大小對應著發射信號的大小，劃分后各幀回波信號是等長的。對于開發板，設置的重疊率為a，N'是精細化處理后的分層層數，N是精細化處理前的分層層數，

則有通過精細化處理，使得滑動平均處理時樣本點數變多，滑動平均處理效果變好。

如圖3所示，用戶可根據當前測量環境與測量要求在顯控端設置精細化處理程度，即劃分回波信號時各幀回波的重疊率。開發板接收到顯控端傳來的重疊率，依據重疊率對回波信號進行劃分。若發射信號長度為T，在非精細化處理模式下，相鄰兩幀回波信號的起始點間隔為T。本例中精細化處理模式設置回波信號的重疊率為50％，相鄰兩幀回波信號的起始點間隔為T/2。對于非精細化處理模式下的滑動平均處理，第n層流速可用t_n-1～t_n和t_n～t_n+1這兩段信號求得的流速進行簡單滑動平均處理得到。對于本例中重疊率為50％精細化處理模式下，t_n-1～t_n+1這一段回波共可分為3幀信號，每幀回波中第n層散射體的作用時間占回波信號的總時間分別為1/2、3/4、1/2，滑動平均處理時各樣本點加權系數的計算對應公式分別為(1/2)/(1/2+3/4+1/2)、(3/4)/(1/2+3/4+1/2)、(1/2)/(1/2+3/4+1/2)，大小分別為2/7、3/7、2/7。根據各樣本點大小與加權系數，通過滑動平均處理得到最終的流速。

圖4(a)是非精細化處理模式下未進行滑動平均處理時各流層的仿真結果，由于各流層的預設頻偏呈增長趨勢，用于計算本層流速的回波信號中總有下一層水體中的散射體的散射作用，測量得到的結果整體偏大。圖4(b)是非精細化處理模式下2點滑動平均處理后各流層的仿真結果，測量得到的結果相對于圖4(a)各測量值普遍降低，但對于流層突變的流速值測量誤差較大，不能反應該流層的流速細節。圖4(c)是精細化處理模式下3點滑動平均處理后各流層的仿真結果，與預設頻偏相仿，流層突變的細節也凸顯出來，測量效果較好。

一種新的ADCP滑動平均精細化處理方法可以有效地抑制流速測量時相鄰流層對本層流速的干擾，同時可根據當前環境調整劃分的各回波重疊率，適時地調整精細化處理程度，提高系統的實時性。