申请/专利权人：天津大学;中国船舶重工集团公司第七〇七研究所

申请日：2022-02-21

公开（公告）日：2024-07-05

公开（公告）号：CN114705883B

主分类号：G01P5/24

分类号：G01P5/24;G01S7/539;G01S13/58;G06F30/20

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.07.05#授权;2022.07.22#实质审查的生效;2022.07.05#公开

摘要：本发明涉及流体测流、测速，为实现将通信领域中具有良好相关性的互补编码原理应用于ADCP发射波形的设计，提高波形分辨率和测流性能。为此，本发明采取的技术方案是，基于互补编码的分层测流方法，建立海洋环境的分层模型，基于伪随机序列进行满足指标条件的发射信号设计，基于互补编码原理进行波形设计，利用设计好的基于互补编码的发射信号进行水文测量。本发明主要应用于水文测量场合。

主权项：1.一种基于互补编码的分层测流方法，其特征是，建立海洋环境的分层模型，基于伪随机序列进行满足指标条件的发射信号设计，基于互补编码原理进行波形设计，利用设计好的基于互补编码的发射信号进行水文测量；具体步骤如下：步骤一：建立海洋环境的ADCP发射信号模型分析声学多普勒流速剖面仪ADCP分层模型，建立海洋环境发射信号模型，ADCP的换能器是收发合置的，是先发射信号，发射完成后切换到接收模式，接收来自流体中的散射体的反射信号，其中：ADCP系统结构和信号模型：Δz是层厚分辨率，发射的波束与垂直方向成θ角，两个脉冲信号分别为0，ta和tr，T0，tr为相干延迟时间，ta为脉冲宽度，T0为发射信号长度，两脉冲重叠部分为tr，ta，它们之间的延迟tr小于脉冲宽度ta，声波信号遇到相应水层的散射体后反射回来，并相继到达换能器，散射体所在的水层越深，回波到达换能器的时间越晚，t1时刻接收的回波信号是0时刻发射的脉冲前沿经z1平面反射与ta时刻发射的脉冲前沿经z0平面的叠加；一次发射信号使用两个脉冲，单个码元宽度为τ，单次编码的码元数设为4，编码的重复次数设为3，得到两个参数ta、tr的关系式：ta＝MLτ1tr＝Lτ2宽带测速方式发送的波形是二相位伪随机编码信号，其解析形式为： 上式中，φt为相位调制函数，对重复二相编码信号来说，只能取0或π；f0表示载波信号频率，at是幅度调制函数，令二相编码信号的包络为矩形，即： 其中，E为信号能量，T为发射脉冲持续时间，编码重复次数为M时，发射信号的形式为： 其中，编码长度为L，码元长度为τ，且有T＝MLτ，经过调制的伪随机编码信号发射后遇到水流中不同深度的散射体会产生散射回波，深度为r处的散射体回波的时间延迟为td＝2rc，散射体相对于换能器的速度为v，时间尺度因子k＝c+vc-v，传输过程中的扩展损失、吸收损失造成的能力损失用衰减因子br来表示，那么，深度r处的反射回波为： 那么，编码重复次数为M的发射信号回波为： 当待测水流速度v＜＜c时，k≈1+2vc，上式可化为式8： 步骤二：ADCP发射信号的设计为了知道发射信号的脉冲宽度、时延、编码位数、重复次数参数，考虑层厚分辨率、测流精度、最大可测范围三个指标与参数的关系，根据步骤一中的发射信号模型反推波形参数，实现ADCP发射信号的设计；具体地：1层厚分辨率水体剖面的深度单元层厚Δz与换能器发射脉冲编码信号的脉冲宽度ta对应： 因此，层厚表示为： 2测流精度对于宽带测流方式，在高信噪比理想编码情况下的速度标准差公式： 其中，L是单次编码的码元数，M是编码的重复次数，是单个码元的宽度；3测速范围ADCP测流速的表达式为： 其中，fd为最大可测多普勒频移，λ为声波波长，因为fd不能超过相干延迟时间tr倒数的一半，因此最大可测流速为： 步骤三：基于互补编码原理进行发射信号波形设计基于互补编码原理进行波形的编码设计，即对发射信号进行互补编码，实现ADCP发射信号的优化，详细步骤如下：1选取合适的基础互补码设两个长度均为N序列A＝{a0,a1,…,aN-1},B＝{b0,b1,...,bN-1},两序列的元素ai＝±1，bi＝±1，i＝0,1,…，N-1；其非周期自相关函数分别定义为： 当序列A,B的非周期自相关函数满足: 那么序列A和序列B构成互补码，记为A,B∈GSN；通过扩展构造出许多不同长度的互补码，其长度必定满足N＝2α10β26γ,α、β、γ均大于等于0；2构造2N长度的互补对取补序列逆序序列A＝{aN-1,aN-2,...,a0}；奇数项取补序列A'＝{-a0,a1,-a2,...,-1NaN-1}；偶数项取补序列A”＝{a0,-a1,a2,...,-1N-1aN-1}；由互补序列的性质可知，对互补对进行以下操作：①互补对中对任一序列或两个序列的每一个元素取补；②互补对中任一序列或两个序列的元素顺序被反转；③互补二相信号中两个序列分别进行相间码元取补；得到的也是互补对，即：若A,B∈GSN，那么有：①B,A∈GSN；②③A,B∈GSN，④A′,B″∈GSN，A″,B′∈GSN，A′,B′∈GSN，A″,B″∈GSN；因此，构造长度为2N的互补码的方法是：将A序列与B序列直接连接得到E1序列，将A序列与B的取补序列连接就得到E2序列，其中，E1和E2的长度均为2N，且有E1,E2∈GS2N；3构造M＝2k长度的互补对每次构造得到长度为上一次长度的两倍的新序列，且满足新序列也是一对互补序列，对于要构造长度为M＝2k的互补序列，则需要经过k次构造。

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百度查询： 天津大学 中国船舶重工集团公司第七〇七研究所 基于互补编码的分层测流方法

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