【宽带声学多普勒流速剖面仪作用距离估计

【宽带声学多普勒流速剖面仪作用距离估计 第29卷第4期 声 学 技 术 Vol.29 No.4 2010年8月 Technical Acoustics Aug. 2010 宽带声学多普勒流速剖面仪作用距离估计 张维全1王小宁1彭东立2 1. 广东湛江 91388部队广东湛江 5240022. 中国科学院声学研究所东海研究站上海 200032 摘 要宽带声学多普勒流速剖面仪由于其具有很高的空间分辨率和时间分辨率所以在水 文、运输、测控等方面都有很广泛的应用而其最大作用距离对于其应用范围具有重 要意义。根据主动声纳方程各项的意义分析了深度单元厚度、温度和频率等条件因 素对宽带声学多普勒流速剖面仪作用距离的影响从而对宽带声学多普勒流速剖面仪 的最大作用距离进行估计得到理论计算值。将理论计算值与RDI公司的宽带声学多 普勒流速剖面仪作用距离进行比较作用距离范围吻合性很好。对BBADCP以及具有 相同工作原理的声相关计程仪、多普勒计程仪和NBADCP进行对比分析指出它们在 作用距离上的区别。 关键词BBADCP多普勒测速作用距离声纳方程 中图分类号 O427.9 文献标识码A 文章编号1000-36302010-04-0442-05 DOI编码 10.3969/j.issn1000-3630.2010.04.020 Working range estimation of broadband ADCP ZHANG Wei-quan1 WANG Xiao-ning1 PENG Dong-li2 1.Unit 91388 PLA Zhanjiang 524002 Guangdong China 2. Shanghai Acoustic Laboratory Institute of Acoustics Chinese Academy of Sciences Shanghai 200032 China Abstract: Due to the high spatial and time resolution Broadband Acoustic Doppler Current Profile BBADCP has a comprehensive application in hydrology transportation measurement controlling etc. The maximum working range is significant for the application. According to Active sonar equation the influence of depth cell size、temperature and frequency on the working range of BBADCP is analyzed. The theoretical calculation of the maximum working range of BBADCP is made. Comparing the calculated results with the datasheet of RDI BBADCP shows that the working ranges are identical. In addition the differences of working range between Acoustic Correlation Log、Doppler Velocity Log、Narrowband ADCP and Broadband ADCP are also compared. Key words: BBADCP Doppler measurement working range sonar equation 1 引 言 声学多普勒流速剖面仪Acoustic Doppler Cur-rent ProfileADCP1是一种利用声学换能器所发射的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可以真实地反映流场。具有测速时间 短、测速精度高、回波信息丰富的特点通过实验可以测量一个剖面上数十至上百层 水流速度具有极高的测量效率特别适合于流态复杂条件下的测量。然而在浅水池和 一些自然河流中由于反射物的密度太低或者流速很小的情况下传统窄带声学多普勒 流速剖面仪NBADCP就不适用了。 收稿日期: 2010-04-24 修回日期: 2010-07-25 作 者简介: 张维全1969- 男 湖北松滋人 硕士 研究方向为水声信号处理。 通讯作者: 张维全 E-mail: bernou163.com 90年代初发展起来的宽带声学多普勒流速剖面仪 Broadband Acoustic Doppler Current ProfileBBADCP 23克服了NBADCP空间分辨力 与时间分辨力之间矛盾的缺点解决了低速浅水河流流速精确测量的问也增大了 ADCP的探测距离。在限定波束开角的情况下换能器基阵尺寸与载波频率成反比而 载波频率又与BBADCP的最大作用距离是密切相关的。在限定的基阵尺寸下得到最 大的作用距离对确定BBADCP的使用范围很有意义。 本文从BBADCP的工作原理 出发通过主动声纳方程分析了与BBADCP特性相关的深度单元厚度以及海水温度、 工作频率等因素对作用距离的影响。理论计算结果与RDI公司的宽带声学多普勒流 速剖面仪作用距离进行比较作用距离范围吻合性很好。分析了BBADCP的误差影响因素计算了深度单元厚度对测速精度的影响。对BBADCP以及相关计程仪4、多普勒计程仪5和NBADCP6的作用距离进行对比分析得知在相同的工作频率 第4期 张维全等宽带声学多普勒流速剖面仪作用距离估计 443 下相关计程仪的作用距离大于多普勒计程仪的作用距离而BBADCP由于受本身发射信号脉宽的限制及回波信号散射对象的不同作用距离小于多普勒计程仪但大于NBADCP作用距离。 2 ADCP工作原理 当频率为f0的声波在海水中传播时遇到海水中随海流一起运动的悬浮物质后散射回来这些回波信号经换能器接收处理后可以测得其频率为fr。根据多普勒频移原理只要声源或接收器与散射体之间有相对运动就有多普勒频移f0?fr其差值fd为 002cosdrffffcυα?? 1 式中α为?ㄊ 穆由浣铅臀 椿蚪邮掌鞯乃 较喽运俣萩为水中声速。 通过准确地测定多普勒频移fd就能测定声源或接收器相对于海流的水平相对速度ν。虽然声波发射以后散射返回的声信号是连续的但从不同深度的水团返回的回波时间是不同的通过时间门的划分就可以让声信号与某些水层深度单元相对应ADCP的分层示意图如图1所示这也是其与常规的机械式流速仪的不同之处其关系式为 sin2etDcα???? 2 式中De为水层深度t为发射后的延迟时间。 图1 ADCP测量原理示意图 Fig.1 The schematic diagram of ADCP measurement BBADCP利用伪随机码对声脉冲进行编码深度单元的大小一般与编码脉冲的长度一致而在每个深度单元中又按照码元长度将其分为若干个小的深度层每个小层得到一个速度值。这样在一个深度单元上测得速度值的个数等于码元的个数。将这些速度值进行统计平均就可以得到某个深度单元上的最终速度值。由于这个值是多个速度进行统计平均的结果减小了随机误差所以其更接近于真实值。这也是脉冲编码宽带技术测速性能优良的最主要体现。随机误差与统计平均的关系为 1NNσσ 3 式中1σ为单次测量得到的水流速度方差N为平均次数Nσ为N次平均后得到的水流速度标准方差。 3 作用距离估计模型 BBADCP在流速测量过程中发射两组或多组脉冲波序列每个脉冲波序列由许多子脉冲编码单元组成。BBADCP计算回波序列自相关函数并确定相位差然后根据相位差计算流速。在BBADCP测量中反射回波的强度大小与深度、频率、脉冲宽度和水体对声波的衰减特性密切相关。 BBADCP的最大作用距离指能够有效测量分层海流速度矢量的最大海流深度。由于实际工作中影响BBADCP作用距离的因素较多根据声纳方程主要有声源级、回波强度、载体和BBADCP的自噪声、传播损失以及指向性等这些因素不但与声纳本身的参数有关同时还与BBADCP的载体运动速度、姿态的变化等因素相关另外还有一些不可忽视的因素如温度、盐度以及海况等而这部分因素很难准确地数学建模因此本文不讨论载体的运动速度、姿态的变化以及自噪声、盐度以及海况等因素对作用距离的影响主要讨论分层厚度、温度、频率等因素对作用距离的影响。 BBADCP是以海水体积混响为目标的主动工作方式所以声纳方程为7 2SLTLTSNLDIDT?????? 4 声源级SL可以示为 170.810logSLPeDIη× 5 式中Pe代表换能器的电功率η代表换能器的电声转换效率DI为发射波束的指向性指数对于收发共用换能器接收指向性和发射指向性相同。 对于BBADCP的圆盘形换能器其指向性指数DI可表示为 20log/DIDλ×π 6 式中D为圆盘形换能器直径λ为海水中声波波长。 圆板型换能器的??3dB束宽波束开角为 359.4dBDλθ?? 7 单程传播损失TL可以表示为 20logTLRRα×× 8 444 声 学 技 术 2010年 式中R为斜距α为海水介质的吸收系数。 式8中第一项为球面扩散损失由于 BBADCP所发射的声波以很大的掠射角大约在60???70?的范围内射向海底此时声速垂直分布对声波的扩散损失不会有什么影响因此可以用球面扩散损失来代表声波的扩散损失。式中的第二项为海水介质的吸收损失吸收系数α可以表示为8 MBCWααααα 9 其中αM、αB、αC、αW分别代表海水中MgSO4、硼酸盐、碳酸盐和纯水对声波的吸收系数。 当工作频率为f 300kHz时海水温度T在4?? 20?范围内时的吸收系数α 如表1所示。 表1 频率为300kHz的海水吸收系数表 Table 1 Absorption coefficient of sea water at 300kHz T/? α/dB/km 4 65.57 6 66.77 8 68.66 10 71.23 12 74.45T/? α/dB/km 14 78.26 16 82.61 18 87.39 20 92.49 吸收系数α的取值范围是65.6??92.5dB/km。海水表面层的温度接近于空气中的温度随着海水深度的增加水温趋近于4?C的低温。 海水体积反向散射强度TS可表示为 10logvTSSV× 10 其中体积散射强度SV反映了海洋中的散射体对声波的散射本领。体积散射强度范围大约为??90????70dB不考虑存在深海散射层的情况。文献9讨论了季节变化以及一天中的时间变化对ADCP的作用距离的影响。在春秋两季由于水中的浮游生物增多提高了体积散射强度从而使ADCP作用距离增大在一昼夜的夜晚时间由于水中的浮游动物增多也会使ADCP作用距离增大。相反在其它时间里ADCP作用距离减小。 散射体积可表示为 212VcTRψ×× 11 式中c为海水中的声速T为伪随机码调制正弦波的脉宽R为斜距ψ为体积混响时的等效束宽其表达式为 22.43Dλψπ 12 对BBADCP来说噪声主要包括海洋环境噪声和自噪声。海洋环境噪声级可表示为 10logNLNSLBW× 13 式中NSL为深海环境噪声的谱级由文献7可知在300kHz时噪声谱级为37dB。BW为接收机的工作带宽BBADCP的接收机带宽应该覆盖两部分一部分是伪随机码调制后正弦信号的频谱拓展另外一部分是多普勒效应引起的频谱偏移。 自噪声主要包括BBADCP的电路噪声和载体辐射噪声分别用NEL和NML来表示电噪声谱级和因载体运动而产生的自噪声谱级。用M0和IL来表示换能器的接收灵敏度和接收机输入端的插入损失。假设接收机输入端的自噪声电压为U则 20log0NELUMILNMLNSLKL???? 其中KL是载体运动所产生的自噪声谱级与深海环境噪声的谱级差。载体运动速度越大KL也越大。 随着载体航速的增大载体的自噪声增大ADCP接收信噪比减小作用距离随之减小。通过采取一些措施来减小载体的自噪声可以增加ADCP的最大工作距离。 在实际测量中回波信号必须达到一定的信噪比才能从噪声背景中检测出信号。BBADCP由于采用了自相关特性很强的伪随机码对声脉冲进行编码降低了对回波信号的信噪比要求。假定当信噪比大于10dB时能很好地检测到信号则检测阈 10dBDT? 14 只要将式514中相应的值代入式4中就可以得到不同中心频率、不同发射功率在特定海洋环境下的BBADCP最大作用距离。 4 BBADCP短时误差分析 随机误差包括短时随机误差和系统误差。系统误差由系统本身的固定偏差所决定的只能在校准后通过误差系数进行校正一般系统误差相对较小。短时随机误差可以通过多次平均来减小如3所示。设定ADCP能达到某作用距离通过仿真计算可以得到单次信号发射在某所用距离下的速度方差。如果要把短时随机误差降低到所期望的测量精度则必须通过多次的数据平均。 正因为NBADCP的短时随机误差比较大需要长时间的数据平均来减小造成了空间分辨率和时间分辨率的矛盾。BBADCP的时间带宽积为码元数远大于NBADCP的时间带宽积所以BBADCP的优点表现在1 速度方差减小精度提高2 平均时间减小时间分辨率提高3 分层厚度变小空间分辨率提高4 作用距离增大性能提高。单波束的 BBADCP波束方向速度方差存在如下关系2 220var/12max01/2raaaCUUTTMρ??π????????????15 第4期 张维全等宽带声学多普勒流速剖面仪作用距离估计 445 其中Ur为波束方向速度Uaλ/4T0为模糊速度C为脉冲编码的等效系数Ma为码元数ρ为自相关函数幅值T0为脉冲时间间隔Ta为脉冲宽度。 假设回波信号的信噪比比较大且一般情况下Ta?T0则BBADCP波束方向速度的标准方差为 22182racCULMλσρ????π 16 其中L为深度单元厚度。 由式16可以得出深度单元厚度与标准方差成反比深度单元厚度越大标准方差越小测量精度越高。 当ADCP为四阵元的Janus配置时系统水平方向上的速度标准方差与单波束波束方向上的速度标准方差的关系为 2cosrJanusrUUσσα 17 ADCP的测量标准方差必须小于流速的1测量数据才是准确可信的。对于固定的编码方式标准方差由深度单元厚度所决定。由表2可知深度单元厚度又决定着BBADCP的作用距离所以ADCP的短时误差与其作用距离是密切相关的。 5 作用距离计算和分析 本文以300kHz的BBADCP有关参数作为分析模型计算温度、深度单元厚度、频率等参数对BBADCP最大作用距离 θ70??圆盘换能器的直径的影响。BBADCP发射信号的中心频率为300kHz掠射角为 D0.135m发射电功率为160W换能器声电转换效率η50则发射声功率为80W。海水温度的取值范围为520?则海水吸声系数的取值范围为65.6??92.5dB/km。假设宽带换能器的工作带宽为BW57kHz码元数为80。海水的体积反向散射强度SV-90dB即BBADCP工作在最恶劣的条件情况下环境噪声谱级NL37dB检测阈DT?10dB。 计算300kHz BBADCP对应于不同深度单元厚度情况下的码元宽度、作用距离以及标准方差结果如表2所示。美国RDI公司开发的商用多普勒计程仪系统处于世界领先水平对比RDI公司的商用产品骏马监测型系列参数10与表2的仿真结果非常接近结果中细微的差别可能是由于仿真过程中的参数并非完全一致造成的。 对于300kHz的BBADCP来说典型的作用距离为110m。随着深度单元厚度的增加BBADCP 表2 300kHz的BBADCP作用距离及标准方差 Table 2 Working range and Standard deviation of BBADCP at 300kHz 深度单元厚度/m 码元宽度/??s作用距离范围/m 5?20? 标准方差/cm/s 1 2 4 8 17 33 67 133 87-71 100-81 113-91 127-101 12.7 6.3 3.2 1.6 的作用距离增大深度单元厚度加倍作用距离范围大约提高10随着海水温度的升高海水的吸声系数增大BBADCP的作用距离减小海水温度从5?上升到20?作用距离范围大约减小20。对声波的传递介质来说由于冷水和新鲜水的吸收系数相对要小所以BBADCP在此类介质中的作用距离要大。 改变BBADCP的工作频率其作用距离也会随之发生改变。当工作频率增大时BBADCP空间分辨率的精度提高但是作用范围缩小当工作频率减小时BBADCP的作用范围扩大但是空间分辨率的精度降低且换能器的直径变大当换能器为四阵元Janus配置频率低到一定情况下换能器阵会大得无法承受。所以一般低频的ADCP换能器选择相控阵。按照以上计算方法得到如表3所示的在不同频率下BBADCP的典型作用距离大致符合频率降低一半作用距离提高一倍的规律。这与RDI公司各频段产品的作用距离是相当的。 表3 不同频率下BBADCP的典型作用距离 Table 3 Standard working range of BBADCP at different frequency 频率/kHz 150 300 600 1200典型作用距离/m 300 110 60 12 6 对比分析 声纳系统作用距离对比示意图如图2所示。声相关计程仪、多普勒计程仪、BBADCP和NBADCP从本质上说都是利用多普勒频移的工作原理但是由于采用的发射脉冲类型、掠射角和回波类型不同所以作用距离也不同。声相关计程仪垂直水面入射声 波入射路径与深度方向重合回波类型为海底反射回波所以在相同的工作频率下声相 关计程仪的作用距离最远多普勒计程仪1112只需要得到对底的速度发射脉冲宽度可 以比较宽但由于掠射角一般在60??80??回波类型为海底散射回波所以作用深度距离 要次于声相关计程仪BBADCP由于采用二进制伪随机相位编码调制的 446 声 学 技 术 2010年 正弦脉冲信号脉冲宽度与水层分层厚度成正比如果空间分辨率要达 到一定精度则脉冲宽度就不可能很宽这就限制了单次发射的信号功率也就限制了接 收信号的信噪比而且海水体积散射回波强度远远小于海底散射回波强度幸好宽带声 学多普勒流速剖面仪采用了伪随机相位编码和相关接收的技术降低了对回波信号信 噪比的要求使它的作用深度距离有了一定提高所以它的作用深度距离虽然小于采用 底回波的多普勒计程仪但大于没有采用伪随机编码的技术的NBADCP。 图2 声纳 系统作用距离对比示意图 Fig.2 Comparison of working range between different sonar systems 7 结 论 通过以上对比分析可以得到关于BBADCP作用距离的以下几点结 论 1 由主动声纳方程宽带ADCP的作用距离受声源级、伪随机码、脉宽宽度、海水 2 深度单元厚度越大作用距离就越大。深度单吸声系数、环境噪声及自噪声的影响 元厚度加倍作用距离范围大约提高10。为了保证分辨率单元厚度必须控制在一定范 围内 3 在相同频率下海水温度越高海水吸收系数越大声波在来回的途中损失的也 越大BBADCP的作用距离就越小。海水温度从5?上升到20?作用距离范围大约减 小20 4 不同频率的BBADCP工作频率越低作用距离越远大致符合频率降低一半作 用距离提高一倍的规律。 5 声相关计程仪、多普勒计程仪、BBADCP和NBADCP 的作用距离依次减小这与它们的发射脉冲类型、掠射角和回波类型有关。 利用文献 13的理论确定某声纳系统的作用距离R是与检测概率和虚警概率相联系的否则作用 距离没有意义所以作用距离是指能够满足给定虚警概率和检测概率条件下的最大作 用距离。本文所给出的BBADCP的理论作用距离是指在文中所给出的环境条件下 BBADCP能达到很高的检测概率。特殊情况下对于水体特别浑浊的区域由于水的吸 声系数增大声波信号在传播过程中的衰减增大必然使作用距离减小若载体的纵倾横 摇幅度比较大或者船速比较快会降低接收信号的信噪比甚至丢失信号也会使作用距 离减小若环境噪声或自噪声比较大则信噪比会相应减小作用距离也会减小。在实际 使用中为了提高BBADCP的作用距离须尽量做到选择水体中气泡和浮游动植物适 中的区域进行速度测量船体的外部环境比较平稳没有大风浪船体的速度不要太快在 进行流速测量时尽量关闭船体本身的噪声源。这样才能保证所测量的流速数据真实 可靠。 参考文献 1 Simpson M R. 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