點式聲學(xué)多普勒海流計研究設(shè)計

范寒柏，李瑞琪，趙文成，陳紹權(quán)

(1.華北電力大學(xué)電子與通信工程系，河北保定 071000；2.廣西梧州供電公司，廣西梧州 543000)

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點式聲學(xué)多普勒海流計研究設(shè)計

范寒柏1，李瑞琪1，趙文成1，陳紹權(quán)2

(1.華北電力大學(xué)電子與通信工程系，河北保定 071000；2.廣西梧州供電公司，廣西梧州 543000)

針對高精度測量海水流速問題，研究并設(shè)計了點式多普勒海流計，基于STM32F407和AVR微處理器進行硬件開發(fā)和軟件設(shè)計，給出了硬件電路設(shè)計及軟件流程圖，對基于編碼驅(qū)動的自相關(guān)算法進行了分析，對不同算法進行測試，測試結(jié)果表明基于編碼驅(qū)動的自相關(guān)算法與傳統(tǒng)的FFT相比分辨率更高。

多普勒；頻率響應(yīng)；低噪聲放大；頻譜估計；自相關(guān)算法

0 引言

流速是重要的海洋動力學(xué)參數(shù)，對于海洋環(huán)境保護、海洋環(huán)境評價、海洋防災(zāi)減災(zāi)和海洋氣候等方面都有重要的意義。聲學(xué)多普勒海流計是利用多普勒效應(yīng)來測量海水流速的裝置[1-2]，該裝置用來測量某一定點處的流速及方向，適用于含有適量能反射超聲波信號的顆粒物或氣泡的液體。聲學(xué)多普勒海流計是在改進傳統(tǒng)的海洋流速測量方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技產(chǎn)品[3]，它采用雷達與聲納的基本原理，運用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)，無機械轉(zhuǎn)動部件，探頭堅固耐用，不易損壞并且測得的流速有著傳統(tǒng)流速儀不能比擬的準確性，可以廣泛應(yīng)用于海洋流速及內(nèi)陸河流流速的測量[4]。研究設(shè)計海流流速測量儀器在海洋的研究及探索領(lǐng)域都有著重要意義。

1 應(yīng)用原理

聲學(xué)多普勒效應(yīng)中，當(dāng)聲源和觀察者存在相對運動時，觀察者接收到的聲波頻率會偏離聲波原來的頻率[5]。相對運動速度越大，頻率偏移也越大。觀察者向著聲源運動時，觀測者接收的頻率為

(1)

式中：v為聲波速度；f為發(fā)射頻率；f′為返回頻率;v′為觀測者速度。

考慮海流速度與超聲波發(fā)射方向不同，設(shè)計采用4個且相鄰的兩兩垂直的壓電陶瓷片制成的探頭進行超聲波的發(fā)射接收，流體速度可由相鄰兩個探頭所測得的頻移量來計算。如圖1所示。

圖1 海流計測量原理圖

(2)

(3)

2 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)的硬件部分由收發(fā)電路2部分構(gòu)成。系統(tǒng)的工作電壓為7～12 V，其中發(fā)射部分由DDS產(chǎn)生2 MHz左右的頻率信號，經(jīng)功率放大驅(qū)動輸出變壓器，再經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)與壓電陶瓷片,達到諧振狀態(tài)并發(fā)出超聲波。由于探頭收發(fā)一體，在發(fā)射時，為了限制發(fā)送時的大功率信號，加入了限幅保護電路；在接收時，對返回來的信號經(jīng)過多次放大、濾波得到一個幅值比較大的信號，再經(jīng)過AGC自動增益控制電路，最后送入正交解調(diào)電路，解出多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻差。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。圖2中上部分的虛線框為發(fā)射電路，下部分的虛線框為接收電路。

圖2 壓電陶瓷片收發(fā)電路總體框圖

2.1 發(fā)射電路

發(fā)射電路的頻率由DDS芯片AD9833產(chǎn)生，由CPLD控制發(fā)射時間，通過驅(qū)動電路、功率放大、匹配網(wǎng)絡(luò)后，可以在發(fā)射的瞬間提供將近30 V的電壓來驅(qū)動探頭發(fā)射超聲波。如圖2實框圖所示。實際應(yīng)用中，為了使探頭發(fā)射盡量大的信號，發(fā)射時，采用了1.966 MHz的探頭諧振頻率。

2.2 接收電路

超聲波接收電路共分成5個部分，選頻放大電路、AGC自動增益控制電路、混頻解調(diào)電路、低通濾波和選頻電路以及信號放大電路。

2.2.1 選頻放大電路

超聲波信號由壓電陶瓷片射入海水中，大部分被海水中的顆粒散射，只有很少量的信號被顆粒反射并耦合到壓電陶瓷片探頭上，但由于返回的信號中包含了大量的噪聲信號，而返回的有用信號幅值很小，在微伏級，不能滿足后續(xù)解調(diào)電路對輸入信號的要求。因此，本系統(tǒng)選用選頻放大器(如圖3所示)作為第一級處理電路，通過設(shè)置中心頻率及帶寬保留并放大有用信號，濾除雜波?；夭ㄐ盘栔饕怯芍苯玉詈系綁弘娞沾善陌l(fā)射信號和經(jīng)顆粒散射之后的信號組成，散射信號的頻率等于發(fā)射信號的頻率或減去多普勒頻移量，由于多普勒頻移小于8 kHz。因此選取f0為2 MHz，帶寬為100 kHz，LC選頻放大處理電路如圖5所示。

圖3 接收返回信號的LC選頻放大處理電路

2.2.2 自動增益控制電路

自動增益控制電路(AGC)的功能主要是為了防止信號幅值過大或過小，在混頻前，對接收信號的幅值范圍進行限制。自動增益控制電路如圖4所示。

圖4 自動增益控制(AGC)電路

2.2.3 混頻解調(diào)電路

經(jīng)選頻放大后的回波信號主要包含本振信號和攜帶流速信息的信號，為了提取多普勒頻移量，需要對回波信號進行乘法混頻，即將兩個不同的頻率信號經(jīng)過乘法混頻，產(chǎn)生新的頻率信號。

設(shè)基準信號為

u1=Acosω0t

(4)

解調(diào)信號為

u2=Bcosω1t

(5)

混頻后的信號為

(6)

顯然采用乘法器解調(diào)，混頻后的信號主要包含多普勒頻移量信號、4 MHz左右的頻率信號以及高次諧波信號。實際應(yīng)用中，為更好地解調(diào)信號，采用了1.511 MHz的本地諧振頻率和1.966 MHz的探頭諧振頻率進行算術(shù)運算，得到455 000 Hz的多普勒頻移量信號。具體混頻電路如圖5所示。

2.2.4 低通濾波和選頻放大電路

由于混頻之后的信號包括了高頻信號、高次諧波和多普勒頻移量以及一些信道噪聲。為了把高頻分量去掉，直接用低通濾波器濾掉高頻分量。同時為了盡量放大有用信號的幅值，對信號再次進行選頻放大。低通濾波和選頻放大電路如圖6所示。

圖5 混頻解調(diào)電路

圖6 低通濾波和選頻放大電路

2.2.5 信號放大電路

經(jīng)過解調(diào)濾波之后的多普勒頻移信號依然很弱，幅值一般在十幾到幾十mV之間，因此在送入A/D轉(zhuǎn)換電路之前需要進行放大，以滿足A/D采樣的需求。本級采用普通放大電路，信號放大電路如圖7所示。

圖7 信號放大電路

3 軟件設(shè)計

軟件主要功能為：4個探頭工作的協(xié)調(diào)、功率譜估計及流速計算。基于此，本系統(tǒng)選用STM32進行功率譜估計，ATemga64負責(zé)方向切換、供電控制和溫度壓力的采集等功能。圖8中的右邊部分實線框圖為AVR流程，左邊部分實線框圖為STM32流程，整體軟件流程如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

4 自相關(guān)算法

4.1 編碼驅(qū)動

實踐證明，偽隨機二進制序列(PRBS)是最適合用作超聲發(fā)射的脈沖壓縮信號，其中用的最多的是m序列[6]。用m序列驅(qū)動超聲波換能器，發(fā)射超聲波，對接收信號相關(guān)運算，從而精確地計算出回波頻率。

m序列的自相關(guān)函數(shù)具有近似于δ-函數(shù)(沖擊函數(shù))的特性。對于由r級移位寄存器構(gòu)成的m序列，若其碼片寬度為TC，則其自相關(guān)函數(shù)RCN(τ)可以寫為

(7)

式中：LC=2r-1為m序列的長度；LC×TC為m序列的重復(fù)周期。

圖9為式(7)所示的m序列的自相關(guān)函數(shù)。

圖9 m序列的自相關(guān)函數(shù)

4.2 自相關(guān)算法

由于回波是一個很復(fù)雜的波形，為了減小誤差提高海流計的分辨率，系統(tǒng)采用自相關(guān)算法來計算頻率偏移量。自相關(guān)算法處理流程如圖9所示。

圖10 自相關(guān)算法處理流程

回波信號X(t)的復(fù)數(shù)表達式為

X(t)=Arcos[2π(f0+fc)t]

(8)

經(jīng)過A/D采樣、正交解調(diào)和fir濾波后

X(i)=R(i)+j·I(i),i=0，……，N

(9)

式中：實部R(i)=Arcos(2πfci/fs);虛部I(i)=Arsin(2πfci/fs)。

根據(jù)多普勒頻移中心頻率統(tǒng)計值公式：

(10)

式中：i=0，…，N;Si=R(i)·I(i+h)-I(i)·R(i+h)；Qi=R(i)·R(i+h)+I(i)·I(i+h)。

由式(10)可求得多普勒頻偏的值。

5 實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

采用傳統(tǒng)FFT算法測量的多普勒頻偏結(jié)果如圖11(a)所示。采用基于編碼驅(qū)動的自相關(guān)算法測得的頻偏結(jié)果如圖11(b)所示。從圖11(a)可以看出，當(dāng)使用普通的FFT算法測量多普勒頻偏時，頻率上下波動范圍在200 Hz左右，誤差較大，分辨率也不是很高，無法對一些高精度或是信噪比較低的場合進行有效的測量。

圖11(b)是國家海洋技術(shù)中心水池的測試記錄，從圖11(b)中可以看出，當(dāng)采用基于編碼驅(qū)動的自相關(guān)算法時，海流計記錄的頻率波動在36 Hz左右，能夠滿足高精度的測量場合，誤差也比較小。也能夠在低信噪比的環(huán)境中得出穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，抗干擾性更強，適應(yīng)更苛刻的環(huán)境。

6 結(jié)束語

本文首先介紹了多普勒測量的原理以及多普勒海流計的硬件和軟件設(shè)計。設(shè)計了一種以STM32F407和AVR處理器為核心的點式海流計，并闡述了基于編碼驅(qū)動的自相關(guān)算法的理論分析。測試結(jié)果表明本系統(tǒng)在測量流速方面有很好的應(yīng)用前景，尤其是對湖泊海洋的測流有著重要的現(xiàn)實意義。為此進行了一系列驗證試驗，并在國家海洋技術(shù)中心的水池成功地驗證了算法可行性。實驗結(jié)果證明：研制的點式多普勒聲學(xué)多普勒海流計可以穩(wěn)定地測量頻偏和流速的變化情況，可以進一步海試。

圖11 不同算法結(jié)果比較

[1] 張興紅,張慧,王先全，等.超聲波流量計高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計與實現(xiàn).儀表技術(shù)與傳感器,2011(2):22-25.

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[3] 孫悅民.中國海洋資源開發(fā)現(xiàn)狀及對策.海洋信息,2009(3):20-23.

[4] 孫樂義,王英,付菊英.基于ARM的聲學(xué)海流剖面儀信號模擬器的設(shè)計與實現(xiàn).浙江理工大學(xué)學(xué)報,2009(2):241-244.

[5] 孫凱.基于DSP的海洋流速測量技術(shù)研究：[學(xué)位論文].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2008.

[6] 陳靜.超聲波流量計的研制：[學(xué)位論文].西安：西安科技大學(xué)，2004.

Study and Design of Bullet Point Acoustic Doppler Current Meter

FAN Han-bai1，LI Rui-qi1，ZHAO Wen-cheng1，CHEN Shao-quan2

(1.Institute of Electrical and Electronic Engineering, College of North China Electric Power , Baoding 071000,China； 2.Guangxi Wuzhou Power Supply Company，Wuzhou 543000, China)

To solve the problem of measuring seawater flow velocity in high precision, this paper researched and designed the bullet point acoustic doppler current meter, developed hardware and designed software based on STM32F407 and AVR microprocessor, showed the hardware circuit and software flowchart, analyzed the autocorrelation algorithm based on coding drive, and made tests for different algorithms.The test results show that the autocorrelation algorithm based on the code driven has higher resolution than traditional FFT algorithm.

doppler；frequency response；LNA low noise amplifier； frequency spectrum；autocorrelation algorithm

2015-04-22 收修改稿日期：2015-06-03

TP342

A

1002-1841(2015)11-0038-04

范寒柏(1963— )，副教授，研究生導(dǎo)師，主要研究方向為電子與通信工程技術(shù)應(yīng)用。