宽带声学多普勒测流仪设计

　　1引言

　　声学多普勒测流仪(ADCP )遥测流速的垂直剖面分布，对流场不产生任何扰动，不存在机械惯性和机械磨损，可以真实反映流场[1--3]，其性能比传统测流仪优越。ADCP应用于海 洋环流调查，已经被国际海委会定为4种先进的观测仪器之一[2] .90年代初期，美国RDI公司开发了用于浅水河流测量的宽带ADCP设备，并成功完成Mississippi河的流量测量[1]。

　　在我国，国家海洋局海洋技术研究所比较早的进行了该技术的研究，并于90年代后期研制成功200kH:走船式窄带ADCP[2] o ADCP技术应用于内河测量的研究报告和设备少见报导。针对我国众多内河测量的需求和ADCP技术的优越性，本单位正在进行适合我国内河测量的宽带 ADCP测量设备的研制。本文介绍宽带ADCP设备的测流原理和设计思路。

　　2测流原理

　　根据多普勒原理，如果向水体中发射声波信号，一部分能量将被水中的散射体反射回来。只要声源(或接收器)与散射体之间存在相对运动，就必然产生多普勒频移fd。在这里，fd可以表示为[3--4]:

　　声波发射出去后，从不同深度反射的回波，返回时间是不同的。根据不同的返回时间，可以得到不同层面水体的相对速度。

　　根据式(1)只能得到声源和被测水团相对速度的标量值，而不能得到该速度的方向。为此，设计中的换能器(即声源)是向水中同时发射四束声波，其发射方式如图1所示。

　　图中，四个波束互呈90°排列，与垂线呈30°角。这样，同一水层可以得到四个已知位置的速度值;利用其中任意3个位置的值就可以合成出该水层的速度向量。另外一个值可以作为信息冗余。

　　3发射信号的形式

　　宽带测流采用了伪随机相位编码和相关接收技术[3~4]。本设计中的伪随机相位编码脉冲信号如图2所示。

　　图2的下部为伪随机序列，上部为发射的编码脉冲。该图说明，在发射脉冲中，包含着两个重复的伪码信号。利用这两个重复的伪码信号进行相关运算，是该系统提高测量性能的一个重要措施。

　　4接收电路的结构

　　接收电路中多普勒频移计算是电路的关键部分。图3给出了单路接收电路的原理框图。

　　图3中，S1(t)是向水中发射的声源脉冲信号，信号的形式如图2所示;S2(t)是从水体中散射回来的接收信号，不同水层的回波信号具有不同的延时长度; τ为 可编程延时器。S,1(t)延时 τ后进行90°移相，其0°和90°信号与回波信号S2(t)相乘，得到接收信号S2(t)的同相和正交分量。LPF为低通滤波器，两正交分量通过相应的 LPF后得到包含全部有用信息的低频接收信号。两正交信号再通过A/D转换，用DSP或MCU计算相应的多普勒频移fd，从而得到具体流速，乃至整个水流 的剖面分布。