专利名称：一种声学二维流场测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及近�：Ｑ蠡蚝椿肪臣嗖饧际趿煊蚝痛笮秃恿鞑饬考际趿煊颍咛迳婕耙恢稚Ф鞒〔饬肯低臣胺椒ā�
背景技术：
我国拥有辽阔的海域面积和漫长的海岸线，我国经济最发达和发展最快的区域一般都分布在沿海地区。改革开放以来，随着沿海地区经济的飞速发展，这些地区的海洋环境破坏、污染趋势日渐严重，因而，对沿�：Ｑ蠡肪潮；ず秃Ｑ蠡肪臣嗖獾男枨笠苍嚼丛礁�。作为沿�：Ｑ蠡肪匙钪匾囊�-流场的监测，目前大多局限于单点式海流计或声学流速剖面仪(ADCP, Acoustic Doppler Current Profile)等空间上一个点的垂直分布的观测。如要获得沿海海区的观测资料不可避免地受到繁忙的航运和活跃的渔业活动的限制。另夕卜，要对某一较大海域进行同步观测，需要用ADCP进行长时间走航观测或大量的锚系观测 来实现，这种传统的锚系或调查船的观测方法成本十分昂贵，同时实际使用中受渔业破坏锚系设备受损现象非常严重，且这种调查方法也很难得到同步的观测资料。卫星遥感观测虽可实现大面积海域的长时间实时观测，但依靠卫星的遥感观测一般只能得到海表面的数据，无法了解海洋内部的变化。沿海地波雷达也可得到大面积的表层海流资料，同样也无法得到海洋内部的信息，并且，沿海地波雷达能否使用在像我国沿�：叫泻兔创患嗟哪谕搴秃降赖鹊暮Ｇ褂写笛槿分ぁＨ缫阅骋唤洗蠛Ｓ蚪型焦鄄猓枰喔龊Ａ骷�(如ADCP等)进行长时间走航观测或大量的锚系观测来实现。受仪器设备和地理位置等的限制，极难得到同步的观测资料。比如要长时间连续地测量通过一个海峡或河道的流量或热通量，常规方法是通过走航测流或布放很多海流计来实现。而这些常规方法受到这些地区繁忙的航运和活跃的渔业活动的限制。近年来，声学测流的技术进步非常迅速。如本人最近授权的的发明专利“一种声学测流方法及装置”(专利号ZL 200810062069. I)成功地解决了沿海高噪声环境下的声信号的发送、接收、信号处理和声学测流仪异地时钟同步等关键技术，实现了两个长距离测流装置间平均流速长的连续观测。但是，在实际使用中发现，这一专利只能解决观测区域2个点间平均流速的测量，在实际应用中还有较大局限性，不能实现目标区域大范围的2维流速场的观测。因此，目前的测流装置均不能很好满足对近岸海洋、湖泊和大型河流的区域流场大规模长时间连续的观测要求。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有声学测流装置及方法在使用中只能观测区域2个点间平均流速的局限性，在现有的技术条件下进行创新，提出一种新的声学二维流场测量系统及方法，尽大可能满足对近海、湖泊与大型河道流场的大范围、大规模长时间连续的观测要求。该声学二维流场测量系统由3个以上观测站组组建而成，每个观测站由仪器本体、换能器、外部计算机和外部电池组成。其中换能器、外部计算机和外部电池沿用了现有技术的形式，主要对仪器本体进行了较大的技术改进。仪器本体由GPS接收机、控制单元(MSP)、逻辑控制及总线接口单元(CPLD)、数字信号处理单元(DSP)、信号接收单元、模数转换单元(A/D)、功放单元、数据存储单元(SD)、换能器收发切换单元以及外部计算机等组成。具体如下GPS接收单元通过GPS天线接收GPS卫星的时间信号，为整个系统在大范围内实现异地站位无线时间同步提供标准的时间信号；GPS接收单元上设有天线，输出端连接控制单元；本发明需要精确测量各站位间的声信号传播时间，所以必须要给每个站位用无线方式精确定时，而目前能实现这一要求的只有GPS。控制单元(MSP):控制GPS接收单元，与数字信号处理单元(DSP)和外部计算机通信进行数据的传输，对数据存储单元(SD)进行控制和操作；并且还连接逻辑控制及总线接口单元；逻辑控制及总线接口单元(CPLD):输出端连接功放单元、数模转换单元以及数字信号处理单元，用于协调高低速单元之间的数据通信，完成系统逻辑控制的相关功能；该单元的作用为实现整个系统各单元的联系和与外部的通讯。数字信号处理单元(DSP):根据系统设置参数生成指定的声信号，对接收到的声信号数据进行处理；数字信号处理单元(DSP)接受逻辑控制及总线接口单元(CPLD)直接传输的数据，也接受经过模数转换(A/D)单元转换处理后的数据；这个单元是整个系统的核心。起到2个作用，第一个作用是产生不同编码的声信号。这点和现有技术不同，现有技术中的观测站中只能产生一种编码的声信号，而本发明每个站位将各产生一个不同编码的声信号。因为不同站位的声信号同时发送，极有可能会在同一时刻到达某一站位而被接收，这样系统就无法分辨出哪个信号是来自哪个站位的，此时就需要通过通过编码来判断。第二个作用是对接收到的信号进行处理。现有技术中仅有两个基站，因此基站间仪器采用的是一种声信号对发对收，故预先可知道对方发来声信号的波形，在信号处理中仅采用简单的相关处理就可辨别出接收信号。而本发明是由多台系统同时发送不同的信号，并由不同站点的系统接收其它各站点所发来的声信号。这些信号有可能在不同时间到达，也有可能几乎是同时到达。并且由于会受到复杂的水体环境的影响，信号到达顺序也无法预测。因此，本单元的作用是通过高速信号高速处理辨别出在复杂环境下的系统多站点间多重信号。模数转换(A/D)单元将信号接收单元接收到的信号模数转换并传送给数字信号处理单元(DSP)进行信号的相关处理。功放单元对发送信号进行功率放大,提高声信号发射强度,增加声传播距离；功放单元连接到收发切换单元。收发切换单元在换能器单元在信号发送和接收的状态进行电路切换。换能器单元实现电信号与声信号相互转换，发送和接收声信号。信号接收单元把换能器接收到的声信号进行放大，带通滤波去除噪声。数据存储单元(SD):把观测数据记录到SD卡上，并读取不同站位的系统设定文件，用来指挥该站位、进行自动运行。外部计算机与控制单元(MSP)连接，进行参数设置、数据采集和系统监控。外部电源给整个系统和功放单元提供电源。优选的，所述各个观测站采用了相同频率，不同编码的M序列调制信号，各个观测站根据自己的位置和其它所有站位的位置，计算出最早和最晚的信号到达时间，开启合理的米样时间窗口，米样时间窗口必须在第一个到达信号到来前打开，并在接收完最后一个站位的信号到达后关闭。现有技术中仅设有两个站位，情况较为简单，因信号到达时间只有一个，只须在到达时间前打开采样时间窗口，到达时间后关闭采样时间窗口即可。而现有技术中站位设置参数，除了 M序列声信号的码型每个站位必须设置成不一样以便区分各个站位信号外，各站位的位置也必须尽可能准确地设定。因为各个站位的采样时间窗口必须在第一个到达信号到来前打开，并在接收完最后一个站位的信号到达后关闭，这样才能接收所有站位的声信号。这就要求仪器能够根据自己的位置和其它所有站位 的位置，计算出最早和最晚的信号到达时间，开启合理的采样时间窗口。而这个采样时间窗口应各个站位的相对位置的不同，随站位的变化会发生变化，需要按实际来确定。为实现上述目的，本发明专利还提出了一种声学二维流场测量方法，将3个以上的声学二维流场测量系统的观测站设置在待测区域外围，在预设的时间，进行多个观测站间系统异地声信号的发送和接收；对于观测站而言，首先由GPS电波信号精确进行多个观测站异地时钟同步，此时所述观测站中每一个观测站均向其他多个二维流场测量系统观测站的位置发送声信号；声信号发送后，判断其他观测站发送声信号大致的到达时间，经过一定的延时，控制信号接收单元和模数转换单元工作，接收声信号并经过数字信号处理单元的处理后，提取声信号的到达时间，将数据存储到数据存储单元；读取数据存储单元的声信号的到达时间，计算求得声信号在各个观测站位间的双向传播时间差；建立声信号双向传播时间差和区域内流场的联立方程组，并用本发明的专用程序对联立方程组进行求解，来求得观测区域内的二维流场分布。进一步的，所述的各个观测站在观测前需要设置基本参数，所述参数主要包含本观测站和其他所有观测站名称、位置、选用的M序列声信号、声信号的频率、信号发送的时间间隔、采样的时间长度。本发明专利的有益效果通过多个设置在观测区域外围的观测站位间每对声学测流系统的声信号双方向传播时间差的观测，由观测区域的外围测量就可以获得该区域流场图像，与传统方法相比，可以对某观测区域进行大范围长时间同步流场观测，解决了现有观测技术受航运和渔业活动等影响，无法进行大范围同步流场观测的问题。本发明可在重要港口进行应用。一般重要港口船只来往频繁，很难在主航道上进行较长时间的停船观测或锚系观测。另外还有一些航道，潮大流急，也不可能在这样的危险地带进行观测，而声学二维流场测量系统可设置在岸边来完成整个港口或航道的海流(潮流)的观测，可为港口或航道的航运安全等提供重要的现场监测资料。本发明还可应用于大型河道，水库和湖泊流场的监测。如我国长江、黄河这样的大型河流，常发生洪涝灾害，完全可应用本发明技术进行流场监测，得到其他观测方法难以得到的实测流量监测数据，为防汛工作提供科学依据。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图I是本发明声学二维流场测量系统的电路原理框图；图2是本发明声学二维流场测量系统的岸基观测示意图；图3是本发明声学二维流场测量系统的船载定点观测示意图；图4是本发明声学二维流场测量系统在海湾的观测示意图；图5是本发明声学二维流场测量系统在湖泊的观测示意图；图6是本发明声学二维流场测量系统在海峡的观测示意图。图7是本发明声学二维流场测量系统在河道的观测示意图。 图8是本发明声学二维流场测量方法的工作流程图。图9是本发明声学二维流场测量系统的坐标示意图。图10决定最佳解的L曲线(左)和K曲线(右)示意图。
具体实施例方式参阅图I声学二维流场测量系统，包括GPS接收单元通过GPS天线接收GPS卫星的时间信号，为整个系统在大范围内实现异地站位无线时间同步提供标准的时间信号；解析其中的UTC时间信息和UTC日期信息以判断系统声信号发送时刻，解析其中的定位状态信息以判断GPS是否定位有效，从而确保声信号发送时刻的Ipps (Pulse Per Second)秒脉冲的精度达到应用要求,利用定位有效状态下的Ipps秒脉冲作为声信号发送的触发信号，从而保证系统异地声信号发送时间的同步。控制单元(MSP):控制单元的作用是实时接收GPS接收机的GPS语句信息并解析，以达到异地时间同步的要求；又需要与数字信号处理单元(DSP)进行数据的传输，还需要对数据存储单元(SD)进行控制和操作；另外还与外部计算机通信，以实现系统运行的实时监控。逻辑控制及总线接口单元(CPLD):仪器本体控制单元(MSP)的工作频率低于数字信号处理单元(DSP)的工作频率，为了协调高低速设备之间的数据通信，需要增加数据缓冲器件，使传输数据时低速设备不影响高速设备的运行速度，系统选用了 Altera公司的EMP7256AETC100这款CPLD来完成这部分功能，同时完成系统逻辑控制的相关功能。数字信号处理单元(DSP):数字信号处理单元(DSP)是仪器本体的核心，既要根据系统设置参数生成指定的声信号，又要对接收到的声信号数据进行处理，进行信号辨别并提取信号的到达时间。信号接收单元把换能器接收到的声信号进行放大，带通滤波去除噪声。仪器本体信号接收单元采用德州仪器公司(TI公司)生产的高精度低噪声运算放大器0PA2228，该运算放大器集低噪声、宽带宽及高精度的优点于一身，是音频设备的理想选择。模数转换(A/D)单元其作用是将信号接收单元接收到的信号正交解调后，送入模数转换器，经过采样、保持、量化及编码的过程后将模拟信号转换成数字信号，再通过缓冲串行接口传送给数字信号处理单元(DSP)进行信号的相关处理。系统采用的模数转换器是德州仪器公司(TI公司)生产的ADS8361。功放单元功放单元采用D类数字功率放大技术。D类放大器采用晶体管作为超级音频频率开关器件，具有其工作效率高，产生的热量低，具有低功耗优势并能节省原本需要用于散热片的空间。数据存储单元(SD):其作用是把系统在运行过程中大量的实验数据记录到SD卡上。同时还读取不同站位的系统设定文件，用来指挥该站位进行自动运行。收发切换单元其作用是进行电路切换，使换能器单元在发声和收声状态进行切换。换能器单元包括实现电信号与声信号相互转换的发射换能器和接收换能器；作为优选，所述换能器单元的中心频率为5kHz，带宽为3-7kHz，水平方向360度无指向性。外部计算机与控制单元(MSP)连接，进行参数设置、数据采集和实时监测。外部电源给整个系统提供电源。+36V电源用作功放单元的功率电源，+12V电源用于信号处理部分供电。参阅图1，声学二维流场测量系统的电路原理框图，由外部的GPS天线(需最后标号码)、外部计算机、外部电源、收发两用的换能器和黑框内部的仪器本体构成，其中仪器本体由GPS接收单元、控制单元、逻辑控制及总线接口单元、数字信号处理单元、信号接收单元、模数转换单元、功放单元、数据存储单元及换能器收发切换单元组成。GPS接收单元采用GARMIN公司生产的GPS15接收机，控制单元由德州仪器公司开发的带Flash的16位总线单片机(MSP430F149)及其外围器件构成，模数/数模转换单元17是由德州仪器公司开发的采样速率为500ksps的16位双路模数转换器(ADS8361)和Alter公司开发的CPLD器件(EPM7128)(处理发射和接收)及其外围器件构成。数字信号处理单元12由德州仪器公司开发的数字信号处理器件(TMS320VC5509)及其外围元器件构成。外部收发两用的换能器采用中国产宽带溢流式圆环换能器(LiuJiwu-A型)并兼容国外同类型换能器，外部计算 机选用有串口或USB 口的笔记本电脑，外部电源选用通用的汽车电瓶或电动自行车电瓶。为便于携带，声学二维流场测量系统的电子电路部分，即系统本体部分收纳于铝合金的手提箱里。外形结构为长为395mm,宽为275mm,高的为150mm。仪器本体正面部分有电源接口、换能器接口、用于通讯的串口线接口和GPS天线共4个接口，并有SD卡插口，电源开关，重启开关，保险丝和GPS信号指示灯。如图2、3所示，给出了本发明实际观测时的几种站位的设置方式图。图2为岸边设置，外部计算机，外部电源和系统本体放置在岸上，通过电缆与换能器相联结电缆通过钢件引导固定。图3为船载定点设置，船由锚定点于预定的观测站位，换能器通过绳索或钢件设置于水下，其他部件均设置于船上。如图4、5、6、7所示，给出了本发明的实际应用观测时的几种站位对配置图。图4为对海湾的站位配置，站位沿海岸设置，可根据实际地形等情况选用如图2所示的岸边设置或如图3所示的船载定点设置方式。图5为对湖泊的站位配置，站位设置方式与海湾的设置方法相同。图6，7为对海峡和河道的站位配置，站位一般要均匀分布于海峡或河道的两侧，站位设置方式与前述方法相同。本声学二维流场测量系统的每个站位选用不同编码的M序列声信号，发射声信号间隔3分钟至24小时可�。涑錾藕拍芰课�2kW，测量距离为lkm-20km，测量面积可达约lkm2_200km2。参阅图8，当系统检查和设置过程，即外部计算机对系统进行状态检查和工作参数设置，判断系统工作是否正常，如系统工作正常，则根据设定开始工作。第一步获取GPS信号，当GPS信号正�：螅敕⑺蜕藕藕妥急附邮丈藕沤锥�。各个站位在设定的时间发送声信号，发送完毕后在设定的时间开始接收声信号。第二步对接收信号进行相关处理，记录信号到达信息。信号处理完毕后进入自动休眠，并按时自动启动，并回到第一步。如系统判断时间已经到了观测结束时间，系统将进入结束停止状态。也可以通过关闭总电源来强制系统停止工作。本发明声学二维流场测量系统的使用方法包括下述步骤
(I)在观测前，用计算机对各个站位的参数设置好。这些参数主要包含本观测站位和其他所有站位名称、位置、选用的M序列声信号、声信号的频率、信号发送的时间间隔、采样的时间长度。参数设置好后，在观测区域外围的预定点的设置本声学二维流场测量系统；(2)在观测时，多 个观测站位在设定的时刻自动向各个站位发射声信号，信号发送完毕后，在设定的时间里接收其他各个站位发射来的声信号，计算求得声信号在所有观测站位间的双方向传播时间。(3)观测完毕后，从本发明装置取出SD卡，获取观测数据。用专用程序对声信号到达时间信号进行数据处理，获得观测区域的二维流场。下面对用专用程序计算获取观测区域的二维流场的基本方法与原理进行说明。参阅图9，本发明声学二维流场测量系统设置在某一区域，黑圆点表示声学二维流场测量系统的站位，黑圆点间连接的细线表示声信号传播曲线的平面投影线(忽略声信号水平方向的弯曲)。A(xl, yl), B(x2, y2)间的双方向传播时间tp t2分别为
L…tx = --—(I)
C 0 + ~ 0 Lt2 =-~—(2)
。0 — U Q 其中，Ctl和Utl分别是A、B间的平均声速和沿A-B方向的平均流速，L为站位间的距离。式⑴和⑵通过简单的推导可得到Cc^PUtl:
^ LflL,，、C0 — — — + — ~ —(3)
2 / t t
V I 2 J lm
t( \ \ \ r2U0 =----(4)
2 t2) 2L其中L =￥ +t2)，A t = (Vt1)和^ t2。如果以积分的形式表示，可得
B JJA/ = Z1 -t2 =2[ -^ds(5)
A。0
x2 JJIx2 I2 卜X2 I
A/ = 2 [ ~-dx =2 [ ~-x(u + vidin6\dx - ~-I [ udx + tanO [ vdx >■ (6)
I C02 cos沒 J C02 V} C02IsJ根据流体力学的流函数定义，可得到流速与流函数的关系u{x,y)=(7)
oyv{x,y)=(8)
CX在这里将流函数用截断傅立叶(Fourier)级数来表示
_ _7 ^ (2nkx 2nly\ ^ {2nkx 2^-Zv…= + + 2. 2. cKi cos + + cos ——+ r (9)
k=0 1=0 I V x y J V x y Jj
将(7)和⑶代入(9)可得
权利要求
1.声学ニ维流场測量系统，其特征在于所述系统由3个以上观测站组成，每个观测站由以下设备组成 GPS接收单元通过GPS天线接收GPS卫星的时间信号，为整个系统在大范围内实现异地站位无线时间同步提供标准的时间信号；GPS接收单元上设有天线，输出端连接控制单元; 控制单元(MSP):控制GPS接收单元，与数字信号处理单元(DSP)和外部计算机通信进行数据的传输，对数据存储単元(SD)进行控制和操 作；并且还连接逻辑控制及总线接ロ单元; 逻辑控制及总线接ロ単元(CPLD):输出端连接功放単元、数模转换单元以及数字信号处理单元，用于协调高低速単元之间的数据通信，完成系统逻辑控制的相关功能； 数字信号处理单元(DSP):根据系统设置參数生成指定的声信号，对接收到的声信号数据进行处理；数字信号处理单元(DSP)接受逻辑控制及总线接ロ単元(CPLD)直接传输的数据，也接受经过模数转换(A/D)单元转换处理后的数据； 模数转换(A/D)単元将信号接收单元接收到的信号模数转换并传送给数字信号处理単元(DSP)进行信号的相关处理； 功放単元对发送信号进行功率放大，提高声信号发射强度，増加声传播距离；功放单元连接到收发切换单元； 收发切换单元连接换能器単元，使换能器単元为进行信号发送和信号接收工作而进行电路切換； 换能器単元在收发切換单元控制下实现电信号与声信号相互转换，发送和接收声信号; 信号接收单元在收发切换单元信号接收工作状态下，把换能器接收的声信号进行放大，带通滤波去除噪声； 数据存储単元(SD):把观测数据记录到SD卡上，并读取不同站位的系统设定文件，用来指挥该站位进行自动运行； 外部计算机与控制单元(MSP)连接，进行參数设置、数据采集和系统监控； 整个系统还连接有外部电源给整个系统和功放単元提供电源。
2.如权利要求I所述的声学ニ维流场測量系统，其特征在于所述各个观测站采用了相 同频率，不同编码的M序列调制信号，各个观测站根据自己的位置和其它所有站位的位置，计算出最早和最晚的信号到达时间，开启合理的采样时间窗ロ，采样时间窗ロ必须在第一个到达信号到来前打开，并在接收完最后一个站位的信号到达后关闭。
3.如权利要求I所述的声学ニ维流场測量系统，其特征在于所述观测站设置在陆地岸壁上，所述换能器単元通过钢件固定在水平面下，钢件内设有电缆。
4.如权利要求I所述的声学ニ维流场測量系统，其特征在于所述观测站设置在固定的船上，换能器単元通过绳索和重块连接到水下。
5.如权利要求1-4其中任一所述的ー种声学ニ维流场測量系统的测量方法，其特征在于将3个以上的声学ニ维流场測量系统的观测站设置在待测区域外围，在预设的时间，进行多个观测站间系统异地声信号的发送和接收；对于观测站而言，首先由GPS电波信号精确进行多个观测站异地时钟同步，此时所述观测站中每一个观测站均向其他多个ニ维流场測量系统观测站的位置发送声信号；声信号发送后，判断其他观测站发送声信号大致的到达时间，经过一定的延时，控制信号接收单元和模数转换单元工作，接收声信号并经过数字信号处理单元的处理后，提取声信号的到达时间，将数据存储到数据存储単元；读取数据存储单元的声信号的到达时间，计算求得声信号在各个观测站位间的双向传播时间差；建立声信号双向传播时间差和区域内流场的联立方程组，并用本发明的专用程序对联立方程组进行求解，来求得观测区域内的ニ维流场分布。
6.如权利要求5所述的ー种声学ニ维流场測量系统的测量方法，其特征在于所述的各个观测站在观测前需要设置基本參数，所述參数主要包含本观测站和其他所有观测站名称、位置、选用的M序列声信号、声信号的频率、信号发送的时间间隔、采样的时间长度。
全文摘要
本发明的目的就是为了解决现有声学测流装置及方法在使用中只能观测区域2个点间平均流速的局限性，尽大可能满足对近海、湖泊与大型河道流场的大范围、大规模长时间连续的观测要求。该声学二维流场测量系统由3个以上观测站组组建而成，每个观测站由仪器本体、换能器、外部计算机和外部电池组成。本发明专利的有益效果通过多个设置在观测区域外围的观测站位间每对声学测流系统的声信号双方向传播时间差的观测，由观测区域的外围测量就可以获得该区域流场图像，与传统方法相比，可以对某观测区域进行大范围长时间同步流场观测，解决了现有观测技术受航运和渔业活动等影响，无法进行大范围同步流场观测的问题。
文档编号G01P5/24GK102735871SQ201210073119
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者吴清松, 廖光洪, 张传正, 朱小华 申请人:国家海洋局第二海洋研究所
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