600kHZ寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于深海探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及用于海洋流速測量的多普勒流速剖面 儀，具體指一種600kHZ寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 海流計是傳統(tǒng)的海洋流速測量儀器，然而其在廣泛的應(yīng)用中所凸顯出的缺點也是 顯而易見的，即流速計一般多為接觸式的且只能測量安置位置處的海流流速，因此使用海 流計測量一片海域的海水流速時，則需要耗費大量的時間及精力。多普勒流速剖面儀ADCP 是一種根據(jù)多普勒效應(yīng)原理測量載體相對于底/流的測速聲吶儀器，因其具有對海水流場 不產(chǎn)生任何擾動，不存在機械慣性，能夠真實反應(yīng)海水流場的情況等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用；包 括窄帶多普勒流速剖面儀NBADCP和寬帶多普勒流速剖面儀BBADCP。其中，窄帶多普勒流 速剖面儀NBADCP發(fā)射聲波為一個正弦填充的脈沖，采用自協(xié)方差法測量回波信號的頻偏。 而NBADCP存在的局限性有：首先，單次測量值的精度不高，為了達到較高的測量精度，要長 時間多次測量后進行平均運算；其次，NBADCP深度單元的層厚要選取較大值，否則測量該 深度上的速度估計方差過大，不準確；最后，NBADCP不具備觀測小規(guī)模海流在短時間內(nèi)變 化的能力，使用范圍受限，不能廣泛應(yīng)用。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 針對上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種600kHZ寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀， 由M序列編碼的寬帶聲信號作為發(fā)射信號，能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖對測頻與時延測頻相結(jié)合，實時 進行聲補償，能有效達到高精度測量的目的。
[0004] 本實用新型通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的：
[0005] -種600kHZ寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀，包括發(fā)射模塊，接收模塊，數(shù)據(jù)存儲模 塊，顯控計算機，傳感器模塊，電源模塊，以及互連的主、從處理器；
[0006] 主處理器與顯控計算機連接，通過顯控計算機與上位機通信、解析上位機配置參 數(shù)，下發(fā)控制命令給從處理器；以及接收從處理器上傳的解調(diào)后的信號，進行速度解算、合 成，將結(jié)果通過顯控計算機顯示；
[0007] 從處理器作為聲信號的前期處理單元，分別與發(fā)射模塊，接收模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊 以及傳感器模塊連接，控制以上各模塊工作，并與主處理器進行數(shù)據(jù)通信，將解調(diào)后數(shù)據(jù)上 傳給主處理器；
[0008] 發(fā)射模塊用于發(fā)射由M序列編碼的600kHZ正弦寬帶聲信號；
[0009] 接收模塊用于接收四通道的回波聲信號，并發(fā)送給從處理器；
[0010] 顯控計算機用于顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果和上位機的配置參數(shù)；
[0011] 數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲從處理器產(chǎn)生的發(fā)射數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)、及原始數(shù)據(jù)；
[0012] 傳感器模塊能為從處理器提供傳感器數(shù)據(jù)用于聲速補償以及速度修正；
[0013] 電源模塊與上述各模塊連接，提供各模塊工作所需的電源。
[0014] 進一步地，所述主處理器包括依次連接的復(fù)相關(guān)運算單元、速度合成單元和聲速 補償單元，以及包括與顯控計算機、從處理器模塊連接的數(shù)據(jù)端口。
[0015] 進一步地，所述從處理器包括依次連接的正交解調(diào)單元和復(fù)降采樣濾波單元，其 中正交解調(diào)單元與接收模塊連接，復(fù)降采樣濾波單元與主處理器連接；還包括與發(fā)射模塊、 數(shù)據(jù)存儲模塊、傳感器模塊連接的數(shù)據(jù)端口。
[0016] 進一步地，所述主、從處理器之間還設(shè)有通信模塊，用于實現(xiàn)主、從處理器之間的 高速數(shù)據(jù)通信，該通信模塊分別與主、從處理器的RS232協(xié)議通信、UPP協(xié)議通信單元連接。
[0017] 進一步地，所述發(fā)射聲信號為3階、碼元數(shù)為7位、編碼重復(fù)次數(shù)為12的聲信號， 其中每個碼元寬度包含4個信號周期。
[0018] 進一步地，所述傳感器模塊包括壓力傳感器和溫度傳感器。
[0019] 本實用新型的有益效果是：
[0020] (1)寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀BBADCP采用M序列編碼的正弦信號作為發(fā)射信 號，有較大的距離-速度精度，較大的探測距離和較小的速度平均時間；
[0021] (2)能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖對測頻與時延測頻相結(jié)合的測頻方法，即得到了相關(guān)測頻的高 精度，又解決了相關(guān)測頻的速度模糊問題；
[0022] (3)通過溫度和壓力等數(shù)據(jù)實時計算聲速，實時進行聲速補償，提高了測流的精 度。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0024] 圖2為本實用新型中主處理器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0025] 圖3為本實用新型中從處理器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0026] 圖4為本實用新型的系統(tǒng)工作流程框圖；
[0027] 圖5為實施例中正交解調(diào)信號的原理框圖；
[0028] 圖6為實施例中脈沖對選取示意圖；
[0029] 圖7為實施例中ADCP四波束在基陣坐標系下的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖8為實施例中ADCP四波束在基陣坐標系下XOY平面的投影示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 如圖1所示，一種600kHZ寬帶聲學(xué)多普勒流速剖面儀，包括發(fā)射模塊，接收模塊， 數(shù)據(jù)存儲模塊，顯控計算機，傳感器模塊，電源模塊，以及互連的主、從處理器；
[0032] 主處理器與顯控計算機連接，通過顯控計算機與上位機通信、解析上位機配置命 令，下發(fā)控制命令給從處理器；以及接收從處理器上傳的解調(diào)后的信號，進行速度解算、合 成，將結(jié)果通過顯控計算機顯示；
[0033] 從處理器作為聲信號的前期處理單元，分別與發(fā)射模塊，接收模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊 以及傳感器模塊連接，控制以上各模塊工作，并與主處理器進行數(shù)據(jù)通信，將解調(diào)后數(shù)據(jù)上 傳給主處理器；
[0034] 發(fā)射模塊用于發(fā)射由M序列編碼的600kHZ正弦寬帶聲信號；發(fā)射聲信號為3階、 碼元數(shù)為7位、編碼重復(fù)次數(shù)為12的聲信號，其中每個碼元寬度包含4個信號周期。
[0035] 接收模塊用于接收四通道的回波聲信號，并發(fā)送給從處理器；
[0036] 顯控計算機用于顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果和上位機的配置參數(shù)；
[0037] 數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲從處理器產(chǎn)生的發(fā)射數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)、及原始數(shù)據(jù)；
[0038] 傳感器模塊包括壓力傳感器和溫度傳感器，能為從處理器提供姿態(tài)儀、羅經(jīng)、GPS、 溫度、壓力等傳感器數(shù)據(jù)用于聲速補償以及速度修正；
[0039] 電源模塊與上述各模塊連接，提供各模塊工作所需的電源。
[0040] 如圖2所示，所述主處理器包括依次連接的復(fù)相關(guān)運算單元、速度合成單元和聲 速補償單元，以及包括與顯控計算機、從處理器模塊連接的數(shù)據(jù)端口；聲速補償單元實時進 行聲速補償。
[0041] 所述復(fù)相關(guān)運算單元采用脈沖對測頻與時延測頻相結(jié)合的方法進行多普勒頻偏 運算；脈沖對測頻與時延測頻相結(jié)合的方法具體包括以下步驟：
[0042] (1)由主處理器將解調(diào)后的信號合成復(fù)信號，并利用該復(fù)信號的前11個周期和后 11個周期做互相關(guān)，求出相位差；
[0043] (2)由相位差求出存在速度模糊的多普勒頻偏；
[0044] (3)利用復(fù)信號的自相關(guān)函數(shù)得出多普勒頻偏的范圍，去除速度模糊，求得準確的 多普勒頻偏。
[0045] 如圖3所示，所述從處理器包括依次連接的正交解調(diào)單元和復(fù)降采樣濾波單元， 其中正交解調(diào)單元與接收模塊連接，復(fù)降采樣濾波單元與主處理器連接；還包括與發(fā)射模 塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、傳感器模塊連接的數(shù)據(jù)端口。
[0046] 作為優(yōu)化方案，所述主、從處理器之間還設(shè)有通信模塊，用于實現(xiàn)主、從處理器之 間的高速數(shù)據(jù)通信，該通信模塊分別與主、從處理器的RS232協(xié)議通信、UPP協(xié)議通信單元 連接。
[0047] 如圖4所示，本實用新型的實現(xiàn)方法具體包括以下步驟：
[0048] (1)主處理器與顯控計算機通信，解析上位機的配置參數(shù)并下發(fā)指令給從處理器， 啟動從處理器工作；
[0049] (2)從處理器控制發(fā)射模塊發(fā)射由M序列編碼的600kHZ正弦寬帶聲信號，控制接 收模塊接收四通道回波信號并發(fā)送給從處理器，由從處理器對接收的信號進行解調(diào)；控制 傳感器模塊接收傳感器數(shù)據(jù)；最后將解調(diào)后的信號及傳感器數(shù)據(jù)通過通信模塊發(fā)送給主處 理器；從處理器工作期間由其驅(qū)動數(shù)據(jù)存儲模塊存儲中間數(shù)據(jù)、存儲發(fā)射數(shù)據(jù)以及原始數(shù) 據(jù)；期間若從處理器未接收到回波信號，則返回上述步驟（1)繼續(xù)進行；
[0050] (3)主處理器對接收的數(shù)據(jù)進行速度解算、合成，并將結(jié)果通過顯控計算機顯示； 期間若未得到合成結(jié)果，則返回上述步驟（2)繼續(xù)進行。
[0051] 下面將結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型及其效果作進一步闡述，以下實施例 僅是示例性的，并不會局限本實用新型，應(yīng)當指出對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在本實用新 型所提供的技術(shù)啟示下，所做出的其它等同變型和改進，均應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。
[0052] (1)由M序列編碼發(fā)射信號
[0053] 選取M序列作為二進制相位偽隨機編碼信號：當M序列的階數(shù)r，選取r次本原多 項式為初始狀態(tài)，則一個周期為T的二進制相位編碼信號數(shù)學(xué)表達式為：
[0055] 其中：A為信號的幅度；
[005