基手CPLD的ADCP流量测量系统设计

　　引言

　　河流流量测量是水文监测的重要任务之一。传统的河流流量测量方法包括人工船测、桥测、缆道测量和涉水测量等, 其基本原理是在测流断面上布设多点垂线, 在每条垂线处测量水深并用流速仪测量垂线各点流速。流量由断面面积与断面平均流速乘积得到。这种传统的方法费工费时, 效率低。超声波流量测量系统以其非接触、易于安装维护的优点在测量领域获得了广泛的应用。然而传统的超声波流量测量系统存在许多不足之处,有必要对其加以改进和提高, 以使其工作性能更加稳定、可靠。ADCP是英文“Acoustic Doppler Current Profiler”的缩写, 中文通常译为声学多普勒水流剖面仪, 是近 10 年发展起来并得到广泛应用的新技术, 专门用于测量河流、水渠或狭窄海峡的流量。当安装有ADCP 的测量船从河流某断面一侧航行至另一侧时, 就能在几分钟内测出河流流量, 比传统的流速仪法效率提高了几十倍。

　　1 ADCP 基本原理及流量计算

　　1.1 基本原理和特点

　　ADCP 利用声学多普勒原理, 通过向水体发射一定频率的超声波脉冲, 这些脉冲碰到水体中悬浮且随水体运动的微粒后产生反向散射回波信号, 并记录发射波与反射波之间的频率变化即多普勒频移, 可根据此频移计算出水流相对于 ADCP 的速度。同时, 还向河底发射跟踪脉冲, 测出 ADCP 安装平台( 测量船) 的运动速度以及水深, 然后将水流相对速度减去船速得到水流的绝对速度。测量船在航行过程中, 将水面划分成为许多微断面, ADCP 根据接收到的回波计算出微断面的平均流速和流量。因此, 测量船从断面的一端航行至另一端即可测出断面流量。

　　根据多普勒频移方程:

　　2 系统硬件设计

　　ADCP 流量测量系统包括: 换能器( 4 个探头) 、水下压力容器、甲板单元及各种电缆线; 数据处理软件; 计算机设备等。为了测量三维流速, 每个换能器与ADCP 轴线成一定夹角, 其轴线即为1 个声束坐标。每个换能器测量的流速是水流沿其声束坐标方向的速度。通过ADCP 上安装的罗盘和倾斜仪, 可以将测得的相对于ADCP 坐标系的三维流速转换成地理坐标下的三维流速。

　　测流系统硬件总体框图如图1 所示。系统包括总控制单元DSP 及信号处理模块、发射模块、接收模块和电源模块等。系统工作时 DSP 控制 CPLD 产生特定频率、波形的发射信号, 经功率放大后加在换能器的两端, 使其发射相应的超声波波束。由于换能器接收到的回波信号十分微弱, 接收电路需要对散射信号进行前置放大、信号放大滤波、自动增益控制等一系列处理后才能进行检测。本设计中, 采用的CPLD 芯片型号是ALTERA公司 ACEX1K 系列器件 EP1K30TI144- 2, DSP 芯片型号是 TI公司的 TMS320VC5402。下面主要介绍发射电路和接收电路。