本發(fā)明涉及一種低信噪比下的ADCP解測速模糊方法，具體是一種對聲學(xué)多普勒流速剖面儀算法誤差的修正方法，屬于水聲信號測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

聲學(xué)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(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋開發(fā)、海洋科學(xué)研究等領(lǐng)域。ADCP通過復(fù)自相關(guān)算法得到回波信號中的多普勒頻偏，從而得到當(dāng)前水流的流速。其主要思想是利用兩段回波信號之間的相位差，通過相位差的導(dǎo)數(shù)求得頻率信息。

ADCP系統(tǒng)中，利用復(fù)自相關(guān)算法求取兩段脈沖回波信號的相位差φ_s(τ)，需先得到相位差φ_s(τ)的正切值tanφ_s(τ)，再根據(jù)arctanφ_s(τ)得到φ_s(τ)。由于arctanφ_s(τ)的取值范圍被限定在(-π,π]，故當(dāng)相位差φ_s(τ)的值超過(-π,π]，通過arctanφ_s(τ)得到不正確的結(jié)果。測量得到的相位差與真實相位差相差k×2π，從而得不到正確的流速，這種現(xiàn)象稱之為測速模糊，對這種現(xiàn)象的修正稱為解模糊。k稱為解模糊系數(shù)，也叫修正系數(shù)。就目前而言，針對ADCP系統(tǒng)中存在的測速模糊問題，普遍采用尋找回波信號相關(guān)函數(shù)峰值的方法確定流速的大致范圍，從而確定解模糊系數(shù)。包括RDI、TRDI、SonTek等比較著名的ADCP制造公司普遍采用這種解模糊方法，但一些具體的技術(shù)細(xì)節(jié)沒有公布。另外，當(dāng)回波信號的信噪比較低時，回波信號相關(guān)函數(shù)峰值的位置會出現(xiàn)較大偏移從而產(chǎn)生錯誤解模糊，得不到準(zhǔn)確的流速。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)在測量中存在測速模糊問題，本發(fā)明提供一種低信噪比下的ADCP解測速模糊方法，通過改變回波信號進(jìn)行復(fù)自相關(guān)運算的延時，比較不同延時下計算得到的相位差，確定最終的解模糊修正系數(shù)，從而提解決了ADCP系統(tǒng)測流過程中出現(xiàn)的測速模糊問題。

技術(shù)方案：一種低信噪比下的ADCP解測速模糊方法，包括以下步驟：

1.根據(jù)目前使用較為廣泛的寬帶測量方式，ADCP工作時向水體中發(fā)射編碼脈沖調(diào)制信號，編碼的形式為巴克碼。一次發(fā)射信號中包含至少兩組編碼脈沖信號，編碼脈沖的周期大小即為編碼脈沖信號的長度。

2.通過復(fù)自相關(guān)算法得到回波信號中的多普勒頻偏。設(shè)置一次發(fā)射信號中的單個編碼脈沖信號長度為τ₁，要得到最終回波中的多普勒頻偏，需先利用復(fù)自相關(guān)得到一次發(fā)射信號對應(yīng)的接收回波中相鄰兩個編碼脈沖信號的相位差，復(fù)自相關(guān)算法中兩段編碼回波信號的延時大小對應(yīng)單個編碼信號的長度，記為τ₁，得到此延時下的相位差記作φ'(τ₁)，此延時下的真實相位差用φ(τ₁)表示。其中，若測量過程中沒有產(chǎn)生測速模糊，則有φ(τ₁)＝φ'(τ₁)。若產(chǎn)生測速模糊，則有φ(τ₁)＝φ'(τ₁)+k×2πk＝±1,±2...，k為此延時下對相位差φ'(τ₁)的解模糊系數(shù)。

3.改變兩個脈沖之間的延時，即改變單個編碼脈沖信號的長度，使得此時用于進(jìn)行復(fù)自相關(guān)運算的延時τ₂＝1/lτ₁，其中l(wèi)稱為延時改變系數(shù)。此延時下相鄰兩個脈沖回波間的真實相位差記為φ(τ₂)，復(fù)自相關(guān)處理得到的相位為φ'(τ₂)。對于回波中特定的多普勒頻偏f，延時為τ的兩段回波信號進(jìn)行復(fù)自相關(guān)運算后得到的相位差表示為f×τ。根據(jù)兩次測量下延時的關(guān)系可得兩次延時下的真實相位差關(guān)系為φ(τ₂)＝1/lφ(τ₁)。由于l較小，為大于1小于8的整數(shù)，對φ(τ₂)的求取仍可能存在測速模糊，真實相位差φ(τ₂)與測量相位差φ'(τ₂)的關(guān)系可表示為φ(τ₂)＝φ'(τ₂)+k₁×2πk₁＝±1,±2...，k₁是對相位差φ'(τ₂)的解模糊修正系數(shù)。由于φ(τ₂)＝1/lφ(τ₁)，而φ(τ₁)和φ(τ₂)可用測量得到的φ'(τ₁)和φ'(τ₂)分別表示，對應(yīng)關(guān)系分別為φ(τ₁)＝φ'(τ₁)+k×2πk＝±1,±2...和φ(τ₂)＝φ'(τ₂)+k₁×2πk₁＝±1,±2...。使得表達(dá)式|φ(τ₂)-1/lφ'(τ₁)-k/l×2π|結(jié)果最小的k值即為最終的解模糊系數(shù)。但由于φ(τ₂)未知，可根據(jù)表達(dá)式|φ'(τ₂)-1/lφ'(τ₁)-k/l×2π|，得到該表達(dá)式結(jié)果最小的k的取值，記為k₁'，稱為延時在τ₂下對測流結(jié)果的解模糊修正系數(shù)。根據(jù)φ(τ₂)和φ'(τ₂)的關(guān)系可得k與k₁'的關(guān)系為k＝k₁'+k₁×l。

4.改變兩個脈沖之間的延時，使得此時用于進(jìn)行復(fù)自相關(guān)運算的延時τ₃＝1/mτ₁，其中m稱為延時改變系數(shù)。此延時下相鄰兩個脈沖回波間的真實相位差記為φ(τ₃)，復(fù)自相關(guān)處理得到的相位為φ'(τ₃)。根據(jù)兩次測量下延時的關(guān)系可得兩次延時下的真實相位差關(guān)系為φ(τ₃)＝1/mφ(τ₁)。由于m較小，為大于1小于8的整數(shù)，對φ(τ₃)的求取仍可能存在測速模糊，真實相位差φ(τ₃)與測量相位差φ'(τ₃)的關(guān)系可表示為φ(τ₃)＝φ'(τ₃)+k₂×2πk₂＝±1,±2...，k₂是對相位差φ'(τ₃)的解模糊修正系數(shù)。由于φ(τ₃)＝1/mφ(τ₁)，而φ(τ₁)和φ(τ₃)可用測量得到的φ'(τ₁)和φ'(τ₃)分別表示，對應(yīng)關(guān)系分別為φ(τ₁)＝φ'(τ₁)+k×2πk＝±1,±2...和φ(τ₃)＝φ'(τ₃)+k₂×2πk₂＝±1,±2...，使得表達(dá)式|φ(τ₃)-1/mφ'(τ₁)-k/m×2π|結(jié)果最小的k值即為最終的解模糊系數(shù)。但由于φ(τ₃)未知，可根據(jù)表達(dá)式|φ'(τ₃)-1/mφ'(τ₁)-k/m×2π|，得到該表達(dá)式結(jié)果最小的k的取值，記為k'₂，稱為延時在τ₃下對測流結(jié)果的解模糊修正系數(shù)。根據(jù)φ(τ₃)和φ'(τ₃)的關(guān)系可得k與k'₂的關(guān)系為k＝k'₂+k₂×m。

5.根據(jù)兩次延時改變下求得的解模糊修正系數(shù)k₁'，k'₂。同時滿足式k＝k₁'+k₁×l和式k＝k'₂+k₂×m的最小值k即為最終的解模糊系數(shù)。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：

1.單次測量時延時改變系數(shù)較小，解模糊時相鄰兩個k的取值代表的相位值間隔較大，單次解模糊的精度較高。

2.同時滿足兩次延時下的解模糊系數(shù)為最終結(jié)果，通過兩次延時改變增大了解模糊范圍；

3.在信噪比較低時，在保證解模糊準(zhǔn)確性的同時提高了解模糊范圍，有效地解決了ADCP系統(tǒng)中的測速模糊問題。

附圖說明

圖1為解模糊算法的具體實現(xiàn)過程；

圖2(a)是不解模糊時各流層預(yù)設(shè)頻偏與測量結(jié)果，圖2(b)是使用本發(fā)明方法解模糊后各流層預(yù)設(shè)頻偏與測量結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1所示，低信噪比下的ADCP解測速模糊方法的具體實現(xiàn)過程。對于測量環(huán)境，測流共分為30層，預(yù)設(shè)多普勒頻偏從100Hz到21000Hz，逐層遞增，頻率間隔為700Hz，信號的信噪比為3Db。本例中ADCP的發(fā)射信號為二進(jìn)制編碼脈沖調(diào)制信號，發(fā)射信號載頻為600kHz，采用7位Barker碼對信號進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后每個碼元長度為20us，單個脈沖長度即復(fù)自相關(guān)運算時的時延τ為140us。單次發(fā)射信號中包含四個編碼脈沖，信號總長度為560us。對于某一流層(其余29層處理方式一樣)，運用復(fù)自相關(guān)算法求得此延時下兩個脈沖之間的相位差，記作φ'(τ₁)。改變兩個脈沖之間的延時即改變單個發(fā)射脈沖信號長度使得τ₂＝1/2τ₁，測得此延時下相鄰兩個回波脈沖間的相位差，記為φ'(τ₂)。根據(jù)表達(dá)式|φ_s'₂(τ)-1/2φ_s'₁(τ)-k/2×2π|，得到使得該表達(dá)式結(jié)果最小的k值，記作k₁'。改變兩個脈沖之間的延時即改變單個發(fā)射脈沖信號長度使得τ₃＝1/3τ₁，測得此延時下相鄰兩個回波脈沖間的相位差，記為φ'(τ₃)。根據(jù)表達(dá)式|φ_s'₃(τ)-1/3φ_s'₁(τ)-k/3×2π|，得到使得該表達(dá)式結(jié)果最小的k值，記作k'₂。根據(jù)已知的k₁'，k'₂，同時滿足式k＝k₁'+k₁×2和式k＝k'₂+k₂×3的最小值k即為最終的解模糊系數(shù)。其中k₁，k₂是任意正整數(shù)。

圖2(a)是信噪比為3dB時不解模糊時各流層預(yù)設(shè)頻偏與測量結(jié)果，圖2(b)是信噪比為3dB時使用本發(fā)明方法解模糊后各流層預(yù)設(shè)頻偏與測量結(jié)果。其中橫坐標(biāo)為水流層數(shù)，縱坐標(biāo)為頻偏值，紅線代表預(yù)設(shè)頻偏，藍(lán)線代表測量得到的結(jié)果。從圖2(a)可以看出，未進(jìn)行解模糊前，由于復(fù)自相關(guān)運算的相關(guān)延時為140us，隨著預(yù)先設(shè)置的頻偏逐漸增大，得到的相位差也逐漸增大，當(dāng)預(yù)設(shè)頻偏超過3571Hz時，相位差超過π，對應(yīng)圖2(a)中第7層后的流層，測量出現(xiàn)測速模糊，得到的估計頻偏也成周期性變化，得到不準(zhǔn)確的結(jié)果。圖2(b)可以看出解模糊后各流層測量結(jié)果與預(yù)設(shè)值相仿，解模糊效果較好。

低信噪比下的ADCP解測速模糊方法可以在保證解模糊準(zhǔn)確性的前提下提高解模糊的范圍，可以有效地解決低信噪比下ADCP系統(tǒng)中的測速模糊問題。