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宽带声学多普勒流速剖面仪回波信号模型分析

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  0 引 言

  声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Cur-rent Profile, ADCP)是一种利用声学换能器发射声脉冲,在随水流运动的悬浮物质中所产生的多普勒频移而进行流速测量的仪器。其突出特点是能够测量不同水层的三维流速和流向,且对流场不产生任何扰动。具有测验时间短、测验精度高、资料完整丰富的特点。通过实验可以测量一个剖面上数十至上百层水流的速度,特别适合于流态复杂条件下的测验,可以真实反映流场,具有极高的测量效率。

  随着 ADCP 测流技术的发展,从发射信号的种类,ADCP 可以划分为脉冲非相干(窄带 ADCP)、脉冲相干和宽带 ADCP 三种。由于窄带 ADCP 存在空间和时间分辨率的矛盾,限制了其在分层测流上的使用;脉冲相干 ADCP 的精度高,但其作用距离小,只能在浅水中使用;宽带 ADCP 采用编码脉冲信号,解决了空间和时间分辨率的矛盾,提高了分层测流的精度[1]。文献[2]利用空间散射的模型,通过矢量叠加原理对宽带回波进行建模,构造了散射锥体模型。本文针对 BBADCP 的信号模型特点,建立了散射体单元散射叠加效应的海洋体积回波时空特性及散射模型,推导了叠加噪声后散射回波的具体表达式,利用复协方差算法对水流流速进行估计,分析了信噪比、水流流速、紊流效应等因素对 BBADCP 流速估计的影响,验证了体积散射模型的正确性。

  1 BBADCP 工作原理及回波信号的时空特性

  宽带 ADCP 发射由伪随机编码调制的脉冲信号,声脉冲照射在随水流运动的悬浮物质(如浮游生物、气泡等)中,接收来自不同水层的散射回波信号(如图 1 所示),利用伪随机码信号的尖锐相关峰及散射回波的多普勒频移,可准确测定各特定水层的流速 v:

  式中:λ 为发射信号波长;fd为回波多普勒频移;α为波束掠射角。通过重复的伪随机编码信号,采用复协方差频偏估计方法,BBADCP 的测速精度 v存在如下关系[3]:

  其中:P 为重复发射次数;L 为码元数;c 为声速; R 为分层单元厚度。

  ADCP 要分层测流,就要对来自不同深度水层的回波进行处理,这涉及到空间积分及分层问题。利用图 1,通过回波的时空特性分析,可以理解ADCP 在测量流速剖面中使用的空间分层方法。发射脉冲的前沿先到达 A 点,经由 A 点的散射体散射,散射回波信号到达 B 点时,发射脉冲的后沿也到达 B 点,则 AB 段的散射回波在同一时刻 C 到达接收换能器。发射脉冲的前沿到达 E 点的散射与发射脉冲后沿在F点的散射于时刻G同时到达接收换能器。ABFE 范围内的散射回波构成了对水层 1 进行测速的散射回波信号,它们在 CG 时间范围内到达接收换能器。回波信号既包括水层 1 的散射回波,也包括水层 1 相邻范围的散射回波。A 点、F点同为深度水层 1 的中点,但是 B 点、E 点在水层1 的范围之外。分层模型假设介质的水平层能够精确地代表速度结构,同层的速度都是一样的,并且每层的厚度与相关积分时间是一致的。

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