宽带多普勒海流计测速方法研究-论文.pdf

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1、2014年第2期声学与电子工程总第114期宽带多普勒海流计测速方法研究韩礼波沈斌坚(第七一五研究所，杭州，310023)摘要宽带多普勒海流计采用发射相位编码信号和复相关方法进行频移量的估计，相对于窄带方法，具有高的单次测速精度、较强的抗干扰能力。介绍了二进制相位编码技术及复相关测频方法，对宽带测流的性能结合窄带测流进行了计算机仿真分析，验证了宽带测流性能的高精度性和抗干扰能力。关键词宽带多普勒海流计：相位编码；复相关；性能分析多普勒海流计利用多普勒频移原理，测量海流相对于大地的速度，是一种具有广泛应用前景的单

2、点式测流仪器。宽带多普勒海流计，一个发射序列中包含重复多次的二进制相位编码信号，采用复相关方法进行相位估计，相对于窄带非相干方法提高图1宽带多普勒海流计信号处理框图了单次测量精度，并具有较强的抗干扰能力【lj。1．2二进制相位编码技术本文重点研究了宽带测速技术，分析了二进制相位编码技术(BPsK)。宽带多普勒海流计在流速宽带多普勒海流计发射波形为二进制编码调相信号。二相伪随机编码信号解析形式可以用复数测量过程中发射两组或多组脉冲波序列，每组脉冲表示为：波序列由多个子脉冲(编码单元)组成，确定前后脉冲序列的相位

3、差并计算流速，最后对宽带测速方-厂(f)=a(t)ej()．ej(2)法性能进行了计算机仿真。上式中，(f)为相位调制函数，对重复二相编码信1宽带多普勒测流技术号来说，(f)只能取0或丁c两个值，记码元数为，码元宽度为，重复次数为，则1．1测量原理O(t+·At)=(f)。取二相编码信号的包络为矩当频率为而的声波沿波束方向在海水中传播时，形，即部分能量经随海流而动的散射体散射回来，这些回波信号经换能器接收，处理后可以测得其频率为．。f0

4、、l『射体之间有相对运动，则frCJo，其差值为。多普0其它．勒海流计接收的回波多普勒频移与散射体和换能其中E为信号的能量，为发射脉冲持续时间。宽器之间径向速度1，的关系是[2]：带多普勒海流计常用的码字序列是m序列码。m序列码是一种具有优良自相关函数的伪随机序列，可V㈩用n级线性移位寄存器产生，其一个周期的码元数式中：C是水中的声速，是发射信号波长，是多目L=2-1，若设=1Mnz，n=4，L=I5，M=2，At=10．普勒频移。因此，精确测量回波的频移量成为测速s，则一种m序列码(15码元)的调制信号及发

5、射脉系统的关键。文献【3]提出了采用重复相位编码信号冲信号自相关如图2、图3所示。的方法，大大增加了发射信号的带宽，提高了测速精度和稳定性。宽带多普勒技术使用二进制编码技术，发射端一个波束里通常发射多个经该类伪随机码调制的爨．m砌Ⅱ门Ⅱ子序列，脉冲经水流中的散射体散射，接收端经放_2大、混频、滤波、采样，最后进行复相关运算估计时阍^多普勒频移厂d，其原理框图如图1所示。图2调制编码波形21韩礼波等：宽带多普勒海流计测速方法研究用于复相关运算的复观测信号坝0为：X(t)=xR(t)+j(-xl(t))=(cos

6、()+Jsin(f)进而可求得复相关函数()为：图3发射脉冲自相关特性1．3复相关测频方法(f)=』((H)dt0散射回波信号是实信号，而复相关方法需要根据实信号得到它的复数形式。已知一个实数信号，=『[(f)一jxx(t)][xR(t+)+(f+f)】dt可以通过Hilbert变化来构造复数形式：x(t)=Xe(t)+j毫()(4)=I[xR(t)xR(t+)+)+)】df+其中：fj[(f)(f+f)-xr(t)xR(t+)∽。1=d(5)兀f兀t一亡联合式(11)和式(12)可得：对于常用的单频余弦信号

7、有){rlrA2cosc+．A2in(]⋯HT{sin(cot+／9))=一cos(cot+O)(6)TA2=exp(jCOd)HT{cos(cot+0))=sin(cot+0)(7)可知，复相关值仅与回波信号的多普勒频偏有关，实际中可通过正交解调获得基带信号的复数形式。简化回波信号为：且复相关函数的相位()表示为：)=Acos((coo+)f+)(8)an⋯)用相互正交的两路信号分别与接收的回波信号做乘法运算，得到混频信号，最后通过低通滤波故有：器滤除高频部分，得到最后送入复相关运算的复基带信号X(0。正交

8、解调框图如图4所示。=tan式(15)数字化频率估计器表示为：协～ImR(m)(16)：。tan．．——图4信号正解框图其中是采样频率，R(m)是数字序列X(n)延迟xR(t)=LPF{S(t)xcos(coot))m点的复相关函数。1A．cos((9)：，．尺()lz刍v-m(刀+(，z)(17)宽带复相关法测频的相关时间取前后脉冲时xI()=LPF{S(t)xsin(coot))1(10)间间隔