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声学多普勒海流剖面仪的研究与设计

声学多普勒海流剖面仪的研究与设计

作者：李登录齐鲁工业大学

学位级别：硕士

我国拥有丰富的海洋资源,合理利用和开发海洋资源有助于我国经济的发展和人民生活质量的提高。其中,海水流速信息是海洋数据观测的重要元素,也是获取海洋资源的重要参数,直接为国防、生产、海运、交通、渔业、建港等服务。因此,针对海... 详细信息

我国拥有丰富的海洋资源,合理利用和开发海洋资源有助于我国经济的发展和人民生活质量的提高。其中,海水流速信息是海洋数据观测的重要元素,也是获取海洋资源的重要参数,直接为国防、生产、海运、交通、渔业、建港等服务。因此,针对海流的观测和研究已成为探索和开发海洋资源研究的热点之一。目前,声学多普勒测流技术是当今最热门的测流技术,可以弥补国内海流计实时性差、测流复杂的不足。与国外多普勒测流技术相比,我国研究的声学多普勒海流剖面仪还存在稳定性差、运算速度慢等不足。针对上述问题,本文研究并设计了一款声学多普勒海流剖面仪。从流速测量精度和信号处理实时性进行研究,提出了基于FPGA的硬件电路设计以及流速信号分析处理两项技术改进,利用新型FPGA具有高速并行处理信号的优势,对目前国内的声学多普勒海流剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler,简称ADCP）硬件电路进行功能优化,利用细化的傅里叶变换对流速信号（ZoomFFT）进行处理,并对流速进行流速解算以及坐标变换等,最后进行了系统软件设计。本文具体内容如下:首先,本文对ADCP的研究现状进行了简单介绍,详细地分析了多普勒测流的基本原理和ADCP分层测量剖面的方式。在对相关理论的研究基础上,设计出了系统整体设计方案,确定了主要技术指标。其次,本文实现了对ADCP测流回波信号的数据采集及信号处理,并将流速回波信号通过细化的傅里叶变换频谱分析,估算出频率偏移,求得海流流速,极大地提高了设备的性能和设计的灵活性。本文将从硬件电路设计、软件平台搭建、流速信号处理与多普勒测流算法四方面详细地介绍各个部分的研究过程。硬件部分主要包括控制模块、发射模块、接收模块以及测量相关海洋参数的外围测量电路。软件平台包括通信协议设计、流速数据处理与软件界面等。实现了基于FPGA相关模块的流速信号处理,对多普勒测流算法进行了研究与公式推导。最后,在测流理论分析与算法研究的基础上,对本文所搭建的ADCP软硬件平台进行组装调试,进行了实验室测试和海上对比实验。试验结果显示,ADCP工作稳定可靠,流速测量的准确度达到了预期标准。

关键词：海流测量声学多普勒 FPGA 水声收发电路

相位编码信号声学多普勒测流中的波形参数优化方法

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声学技术 2019年第6期38卷 605-610页

作者：杨永寿方世良东南大学水声信号处理教育部重点实验室江苏南京210096 东南大学信息科学与工程学院江苏南京210096

针对相位编码声学多普勒测流中发射信号参数固定引起的适应性不强的问题,在基于信号模糊函数及其模的二阶导数的基础上,提出了两种根据测量需求和环境条件调整发射信号波形参数的优化方法,它们是分层精度约束下取得最佳速度估计精度的... 详细信息

针对相位编码声学多普勒测流中发射信号参数固定引起的适应性不强的问题,在基于信号模糊函数及其模的二阶导数的基础上,提出了两种根据测量需求和环境条件调整发射信号波形参数的优化方法,它们是分层精度约束下取得最佳速度估计精度的波形参数优化方法以及测速精度约束下实现最细分层厚度的波形参数优化方法,分别给出了参数优化的原理和具体的操作步骤。理论分析和实验数据分析结果均表明,相对于缺省参数信号,优化参数方法得到的信号具有明显的性能优势,且优化程度与理论预测基本相符。

关键词：声学多普勒模糊函数相位编码波形优化速度估计

走航式声学多普勒流速仪非实测区流量插补方案精度探讨

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水文 2011年第S1期31卷 78-80页

作者：李清华王琴姚大中陆玉琴长江水利委员会荆江水文水资源勘测局湖北荆州434010

走航式声学多普勒剖面流速仪流量测验非实测区流量插补涉及表层、底层、左岸、右岸四个部分的流量。其中表层、底层流量一般采用幂指数法,边部流量采用边部流速系数概化计算。以监利水文站为例,用流速仪7点法资料计算的断面概化垂线流... 详细信息

走航式声学多普勒剖面流速仪流量测验非实测区流量插补涉及表层、底层、左岸、右岸四个部分的流量。其中表层、底层流量一般采用幂指数法,边部流量采用边部流速系数概化计算。以监利水文站为例,用流速仪7点法资料计算的断面概化垂线流速分布幂指数与用WinRiver软件默认值1/6分别对声学多普勒流速仪测验资料进行回放,用流速仪法资料结合声学多普勒流速仪资料计算的边部流速系数,同WinRiver软件默认值0.3535分别对测验资料进行回放,比较不同的插补方案对流量精度的影响。

关键词：声学多普勒流量测验非实测区插补精度

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声学多普勒原理在测量海流中的某些问题

海洋与湖沼 1982年第5期 424-432页

作者：孔德裕邱树松刘裕锐中国科学院海洋研究所

我们曾使用转子式海流计在天津新港测量过海底泥沙的洄淤,因泥沙的附着和对转子机械零件的磨损等原因而使测得结果极不可靠。此后,我们开展了声学多普勒测流仪器的研制。利用多普勒原理测流时,机体不会影响流速场的固有特性,并可得到每... 详细信息

我们曾使用转子式海流计在天津新港测量过海底泥沙的洄淤,因泥沙的附着和对转子机械零件的磨损等原因而使测得结果极不可靠。此后,我们开展了声学多普勒测流仪器的研制。利用多普勒原理测流时,机体不会影响流速场的固有特性,并可得到每秒毫米级的流速。泥沙及生物附着都不会影响测量结果。在河口、港湾等浅水海区更能发挥仪器的优点。

关键词：声束电功率声流电流的功率传感器测深仪换能器流束多普勒信号声学多普勒

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1MHz声学多普勒流速剖面仪关键技术研究

1MHz声学多普勒流速剖面仪关键技术研究

作者：李瑞琪华北电力大学

学位级别：硕士

流速是海洋环境中一个重要的参数,方便、快速、准确地测量流速参数,对于了解海洋环境变化,治理海洋环境,利用海洋资源,都有着非常重要的意义。声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler,以下简称为ADCP)是根据声学多普... 详细信息

流速是海洋环境中一个重要的参数,方便、快速、准确地测量流速参数,对于了解海洋环境变化,治理海洋环境,利用海洋资源,都有着非常重要的意义。声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler,以下简称为ADCP)是根据声学多普勒原理,测出多普勒频偏,最终得到河流的垂直剖面分布。ADCP方便快捷,一次可测得一个剖面上若干层流速。ADCP利用超声换能器测量流速,测量点在探头的前方,不破坏流场,具有测量精度高,量程宽;可测弱流也可测强流;测量线性,流速检定曲线不易变化;无机械转动部件,不存在泥沙堵塞和水草缠绕问题;测量的流速较传统流速仪相比更为准确。可以广泛应用于海洋调查、海洋学研究的海水流速、内陆河流流速剖面等水文要素的测量。声学多普勒原理应用于测量流速已经受到了人们普遍的认同。论文研究了利用计算自相关函数相位角的方法估计信号平均频率,详细介绍了声学多普勒剖面仪的硬件设计以及软件开发,本文介绍了声学多普勒原理在流速测量中的应用,研究多普勒频移估算方法。分析了自相关算法用于流速测量的原理,搭建了硬件平台,详细阐述了各部分硬件结构的作用,并用软件编程实现了相关算法。通过实验结果表明达到了预期的实验目标,证明基于ZoomFFT的自相关算法与传统测量算法相比提高了测量精度。

关键词：声学多普勒自相关 ADCP Zoom FFT

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声学多普勒流速仪计量检定工作分析

水利信息化 2010年第4期 54-56页

作者：姜松燕高伟骆工山东省水文仪器研制中心山东潍坊261031

从水量准确计量为切入点,根据声学多普勒流速仪推广使用中存在的计量检定问题,结合水利水文专业计量体系的促进和发展,论证了声学多普勒流速仪计量检定工作开展的必要性。从声学多普勒流速仪工作原理出发,探讨了利用水槽检定该类仪器的... 详细信息

从水量准确计量为切入点,根据声学多普勒流速仪推广使用中存在的计量检定问题,结合水利水文专业计量体系的促进和发展,论证了声学多普勒流速仪计量检定工作开展的必要性。从声学多普勒流速仪工作原理出发,探讨了利用水槽检定该类仪器的原理和方法,分析了检定方法的可行性。研究说明,利用现有水槽检定还存在一定难点,如何利用现有水槽,还需要进行试验。

关键词：声学多普勒流速仪计量检定水槽必要性可行性