利用声相关流速剖面仪观测深水散射层

讨论了利用声相关流速剖面仪进行深水散射层观测的可行性。结合声相关流速剖面仪垂直发射编码调制信号、多阵元接收的特点以及测量流剖面三维速度的优势,提出利用回波强度和垂向速度两种方法对深水散射层进行观测。在23kHz声相关流速剖面仪工程样机海试数据的基础上,利用这两种观测方法对DSL进行了观测。观测结果表明:利用声相关流速剖面仪可以直观地观测深水散射层的分布及运动规律,这两种观测方法是实际可行的。

复自相关技术在声学多普勒流速剖面仪中的应用及其定点DSP实现

声学多普勒流速剖面仪(ADCP)[1]技术是目前观测海流剖面的最有效方法,其基本原理是测定声波入射到海水中微颗粒后向散射造成的多普勒频移。文章详细剖析了复自相关技术进行流速测量的方法,给出了评判参数C-SNR,论证了C-SNR与信噪比(SNR)之间的必然关系,作为取舍数据的评判标准。海量实验数据证明,当C-SNR对应的值大于0.43时,频偏属于测频范围-21τ,21τ内时,对应的数据是鲁棒的。详细地的介绍在定点DSP-TMS320VC5410中实现该算法的过程,并和传统最小二乘算法(LMS)[2]在DSP中的运行时间进行了比较,结果表明复自相关算法在提高计算精度的过程中能够保持更高的运算速度,随样本比例增加,耗时比约为2.1∶1.

声相关海流剖面(ACCP)测量的流速估值方法

声相关海流剖面 ( ACCP)测量技术对水体回波信号进行空间相关处理来估计流速值。与声学多普勒海流剖面仪 ( ADCP)相比 ACCP的工作频率低 ,更适合深海测流应用。 ACCP测量系统对回波信号进行时空相关处理 ,根据相关函数峰值的位置来估计被测水团的流速值。ACCP从信号中提取流速值要运用参数估计技术。本文介绍了采用极大似然法和最小二乘法进行流速参数估计的处理方法 。

适应于声相关海流剖面仪的单脉冲发射信号设计

声相关海流剖面仪(ACCP)利用“波形不变性原理”进行测速,能够测得相对海底的绝对速度。相对于多脉冲发射体制,文章采用脉宽足够长的单脉冲进行发射,既增加了发射能量,提高了海底探测的深度,又保证了系统带宽的要求。单脉冲脉内采用相位编码,减少了测速噪声的影响,通过一个满足相关寻优准则的编码搜寻程序进行伪随机编码,编码长度与声相关延迟时间相一致,所产生编码的自相关函数具有双相关峰特性,这与双脉冲发射的测速体制相对应,解决了双脉冲发射体制测速中脉冲宽度和脉冲间隔时间之间的矛盾。

声相关海流剖面仪测速研究

声相关海流剖面仪(ACCP)适合深海测速,能够测得相对海底的绝对速度。文章在前人工作基础上,以声纳方程为基础,构造海底混响回波仿真模型,并对基于K irchhoff近似和利用微扰法的R ay le igh-R ice近似相结合的散射模型赋予新的物理意义,并将其应用到声相关测速仿真研究过程中,使仿真更加接近于海洋的实际环境。文章利用H ilbert变换进行包络检波来减小测速误差,并且根据接收信噪比得到了不同航速时能够达到最大底跟踪的距离,这与参考文献给出的结果是一致的。

水平声多普勒流速剖面仪应用浅析

近年来水利水电工程的兴建对水文测站的水文测验条件、河流水沙情势等造成了一定的影响,水文测站相关工作的开展面临了越来越大的挑战。为探索水平声多普勒流速剖面仪(Horizontal Acoustic Doppler Current Profiler,H-ADCP)在山区性河道的推广和应用,以涪江干流控制站小河坝水文站为例,根据受下游潼南航电枢纽工程影响的基本情况,提出比测试验目的、内容和流量推算原理及方法。在小河坝站进行H-ADCP与走航式ADCP断面流速比测,H-ADCP共收集了19244组数据,走航式ADCP法实测流量85次。提出代表流速率定方案,选取Vsl(14-24)的一元二次方程作为小河坝水文站H-ADCP代表流速最优方案。H-ADCP比测系统误差1.57%、相对标准差5.46%,在合理范围内,H-ADCP可正式投产使用;且提出了率定时特殊情况及处理方案。

南海北部内波作用下声散射层垂直迁移特征研究

利用深海潜标搭载的声学多普勒流速剖面仪得到的后向散射强度,研究了南海北部声散射层的昼夜垂直迁移和内孤立波对其的影响。观测结果表明:受浮游动物影响,声散射层主要表现为“昼沉夜浮”,日出前约1 h至日出期间向下移动,日落至日落后约1 h期间向上移动,平均迁移速度为4.7 cm/s(上移)和5.8 cm/s(下移)。此外,经过观测海域的内孤立波引起一对先向下后向上的垂向流,最大垂向流速超过50 cm/s,导致声散射层发生数十至上百米的起伏,海洋上层的声学后向散射强度在内孤立波波谷处达到极大值。进一步的研究显示日间出现内孤立波垂向流速与深度平均后向散射强度变化幅度相关性比夜间的内孤立波高。在两种类型波动引起的垂向流速相当时,日间的深度平均后向散射强度变化幅度通常大于夜间。

声相关流体速度测量理论和信号处理方法

研究了测量流体速度的声相关测速理论和信号处理方法。获得了在声呐阵夫琅和费区域内适用的声呐阵时空相关函数,它是指数函数,这是相关测流速的理论模型。重点研究了时空声相关函数最大值附近的特性,它包含流速的主要信息。提出了局域最小二乘估计作为速度估计准则,采用序列二次规划作为最优化的方法,由此建立了声相关流速测量的信号处理方法。进行多次海上系统试验,验证了理论模型；给出了声相关海流剖面仪测得的流速、流向和流速剖面,与声多普勒海流剖面仪进行了对比,结果符合；最后给出了声相关海流剖面仪的测速均方差,稍大于理论值。

基于多波束测深仪的西太平洋声散射层测量

为了研究西太平洋声散射层的垂向分布特征和日变化规律,分析了多波束测深系统的水体影像数据。观测结果表明,西太平洋存在着两个声散射层,一个声散射层位于0～200 m,另一个声散射层位于500～700 m,两个声散射层散射强度具有明显的日变化特征,上层散射层的散射强度呈现白天弱,夜晚强的特征,而下层散射层的散射强度日变化规律与上层相反,并且发现深散射层的厚度也存在日变化特征;分析了此种方法的优缺点,对以后声散射层的观测分析提供了新的思路。此外,利用同时下放的声速仪(SVP)的温度和深度数据对下放式声学多普勒流速剖面仪(LADCP)的观测结果进行了修正,得到了更为精确的声散射层垂向位置分布。

声学多普勒流速快速测量的设计

传统的多普勒流速剖面测量仪将混频正交与低通滤波在软件中实现,存在测量时间长、精度不高等问题。为解决上述问题,采用运算速度更快、内存容量更大的STM32H743单片机作为主控芯片,同时设计了将信号混频、正交与FIR低通滤波在硬件电路中实现的多普勒流速剖面仪,这样大大减少了CPU的运算时间,提高了测量精度。运用FFT算法进行信号质量分析,利用自相关算法计算出各层流速。通过试验,对测得的多普勒频偏以及流速进行分析,结果表明,系统的设计满足在实际小型河流中的精确测量,具有可行性。

一种水声换能器基阵仿真研究

文中以RDI公司生产的声相关海流剖面仪换能器基阵为例,推导了发射换能器基阵的简洁的表达式,方向图仿真结果与理论分析相一致。

大深度声相关计程及海流剖面仪

大深度声相关计程及海流剖面仪（简称相关声纳）对军事活动需要和海洋科学研究、海洋监测、海洋探测等多方面有十分重要的意义。相关声纳及其系列化具有广泛的应用前景。声相关计程仪和惯导组成的深水远程导航系统是海军急需的水下潜器导航系统，ACL和罗经组成的导航系统适用于水下无人自治潜器（UUV）、智能鱼水雷等各种小型水下平台；声相关海流剖面仪为我国深海流场的测量提供了有力的手段，可为各类水下平台提供战区的流场流速信息。具有测流功能的ACL在为水下载体提供导航信息的同时获得载体附近的流场信息。目前国外仅美国RDI公司研制成功大深度相关声纳样机并装船试用。

一种分时工作的双路声呐发射机研制

针对自容式波浪声学多普勒流速剖面仪(AcousticDopplerCurrentProfilers,ADCP)所需声呐发射机的设计要求,设计并实现了一种分时工作的双路声呐发射机。从工程实际需求出发,结合功率电路的理论、工作经验和设计方法,提出一种全新的分时工作的双路声呐发射机的设计方案,制作出样机,并进行了水池试验。实验结果表明,该分时工作的双路声呐发射机,所选择的发射机通道能准确地输出相应的发射电压,满足自容式波浪ADCP的需求。

基于DS-CDMA序列的LADCP水声通信算法研究

下放式声多普勒海流剖面仪(LADCP)是20世纪90年代出现的一种海流剖面测量方式,能够快速获得大范围、全深度的海流剖面数据,在国内外有很广泛的应用。中科院声学所第一次将声通信部分加入LADCP中,完成了LADCP下放的实时监控。文中介绍了适用于LADCP通信特点的一种基于DS-CDMA的通信方法,完成了理论仿真,并通过进行相应的海试,验证了该方法的有效性。

基于AWAC型ADCP的波浪反演算法研究

简要介绍了挪威Nortek公司生产的AWAC(Acoustic Wave and Current)坐底式ADCP的结构以及利用AWAC测量波浪的特点,并介绍了一种基于AWAC的波浪方向谱反演方法——SUV法。利用SUV法对实测数据进行处理,给出了处理结果,验证了算法的有效性。

“黑珍珠”波浪滑翔器南海台风观测应用

波浪滑翔器的台风观测技术在国外已经十分成熟并获得广泛应用,但在国内仍处于技术层面。为拓展波浪滑翔器的应用范围,国内学者利用“黑珍珠”波浪滑翔器在南海进行了为期17天的海试试验,首次对波浪滑翔器进行了台风观测应用尝试。文中介绍了“黑珍珠”波浪滑翔器的结构组成、工作原理及试验情况,利用搭载的波浪传感器和声学多普勒流速剖面仪(ADCP)获取了台风经过时的波高、波周期和剖面流速等海洋动力环境数据,并与浮标数据进行比对分析,发现两者数据吻合度好、误差低、相关度高,验证了波浪滑翔器所测数据的准确性,证明了我国自主研制的“黑珍珠”波浪滑翔器具备极端海况观测的潜能,填补了我国波浪滑翔器在台风观测应用领域的空白。

徐六泾站悬移质含沙量比测与精度分析

通过长江口徐六泾断面大规模的跨越不同水情的现场测流试验,发现利用声学多普勒流速剖面仪(AD-CP)信号推算垂线平均含沙量,与传统值相比,平均相对误差绝对值小于5%,且误差呈正态分布。因此,升级现有的徐六泾浮标测流系统(以ADCP取代现有的ADP),可以实现徐六泾断面的在线实时输沙率监测,填补长江口泥沙站网的空白,为长江口相关规划、设计、科研等提供基础资料。

基于ADCP估算悬移质输沙率的应用研究

利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)的声反向散射强度(ABS),估算悬移质浓度(SSC)的相关技术日臻成熟,其原理是利用走航式声学多普勒流速剖面仪(ADCP),采集足够频次的流速和声反向散射强度,以替代流量和悬移质浓度(SSC)的数据,在一定程度上破解了在复杂水流环境中测定和估算水体悬移质输沙率的难题。简要介绍利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)估算悬移质输沙率的基本原理和方法,并结合在连云港徐圩海域水文观测中的应用实例,验证该方法的可行性、可靠性和精度。