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声学多普勒流速测量关键技术研究

刘德铸  
【摘要】:声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler,以下简称为ADCP)是一种既可以测量相对水底速度,同时又可以兼顾测量相对水流速度的声纳设备。ADCP既可以用于舰船的定位导航,又可以广泛应用于海洋及内陆河流的测流领域。作为一种测速仪器ADCP在河流和海洋工程中得到了越来越多的应用,对于声学多普勒测流技术的研究日益受到了人们的关注。本文的主要工作是对声学多普勒测流过程中所涉及到的几个关键技术进行研究,主要包括测流信号形式分析与回波建模、流速测量方式的差异与性能估计、宽带束控技术以及换能器安装校准技术等。具体的研究内容和得到的结果如下: (1)基于分辨理论对发射信号形式进行了研究。分析了单载频矩形脉冲、相干脉冲串和编码相干脉冲串等3种信号形式在多普勒测流中的适用情况。流速测量是指波束空间内大量散射体的多普勒频移信息的感知和处理,基于此提出了旨在分析接收回波的波束散射模型,并对水底回波和流层回波进行了仿真。与试验数据的分析对比结果说明了波束散射模型的正确性。以上的工作为多普勒测流的性能评估打下了基础。 (2)总结了多普勒流速测量的三种方式,即非相干、相干和宽带方式。可以看到,非相干方式适合于层厚要求不高以及大作用距离的测流应用场合;相干方式适合于浅水高分辨的测流应用场合;宽带方式则集中了两者的优点,它可看成是非相干方式与相干方式的结合体。以建立的波束散射模型和快速灵活的复自相关方法为基础,对不同的测流方式进行了仿真统计,结果表明:非相干方式的标准误差在几十厘米/秒;相干方式的测速标准误差可以达到毫米/秒的量级;而宽带方式的标准误差可以达到几厘米/秒的量级。相比于非相干方式,宽带方式由于增大了信号时宽带宽乘积而使得测流精度得到了改善。 (3)研究了束控技术。可以看到相移束控技术利用了窄带信号的周期性,此时窄带信号的相移等效为声程差对应的时间延迟。当涉及到宽带信号时,相移束控展宽了束宽且产生了信号失真。针对于此提出了宽带信号时延束控解决方案。仿真结果表明,时延束控技术可以不失真地收发窄带和宽带信号,这就使得ADCP利用束控技术实现换能器宽带信号的收发成为了可能。 (4)研究了走航式ADCP声学换能器的安装误差校准技术。利用走航式ADCP的水底回波数据、姿态仪数据与DGPS数据,提出了基于DGPS的最小二乘方法对声学换能器的三维安装偏角误差进行校准,并建立了完整的参数解算公式。从中可以看出三个安装偏角在坐标转换时是以旋转矩阵的方式起作用,因此没有必要解出具体安装偏角,而是将该旋转矩阵作为未知数直接求解并进一步进行航迹推算。试验结果表明,基于DGPS的最小二乘方法极大地减小了因换能器安装偏角引入的系统误差,可以使测流精度显著提高。


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