點(diǎn)式單波束多普勒測(cè)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

蔡銘霞，杜 海，李木國(guó)，丁 可

(1.大連理工大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；3.DUT-UWA海洋工程聯(lián)合研究中心，遼寧 大連 116024)

點(diǎn)式單波束多普勒測(cè)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

蔡銘霞1,2，杜 海2,3，李木國(guó)2,3，丁 可1,2

(1.大連理工大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；3.DUT-UWA海洋工程聯(lián)合研究中心，遼寧 大連 116024)

為了加快多普勒流速計(jì)算速度和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，提出基于FPGA技術(shù)的多普勒測(cè)速的設(shè)計(jì)方法，其中包括信號(hào)發(fā)射電路和信號(hào)接收電路;首先通過M碼進(jìn)行二相相移鍵控信號(hào)的調(diào)制，減少了回波誤差、增加信號(hào)發(fā)射能量，有效地降低了水中超聲波的能量耗散對(duì)信號(hào)提取的影響;然后對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行二相解調(diào)，并利用復(fù)自相關(guān)算法進(jìn)行分析處理;最后，通過測(cè)速實(shí)驗(yàn)對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法不僅具有較低的實(shí)驗(yàn)誤差而且具有較高的可靠性。

流速測(cè)量；多普勒；FPGA；復(fù)自相關(guān)

0 引言

我國(guó)海洋資源豐富，如何準(zhǔn)確探測(cè)海洋資源，從而使得海洋資源得到合理的保護(hù)、開發(fā)和利用顯得尤為重要。因此如何更快、更有效、更準(zhǔn)確地探測(cè)海洋流速，從而更有效地獲取海流資料并有效用于艦艇船舶的航行之中，變得尤為重要[1]。

海流計(jì)經(jīng)歷了從全機(jī)械式的印刷式海流計(jì)，到半機(jī)械式的轉(zhuǎn)子式海流計(jì)，再到基于法拉第效應(yīng)的電磁式海流計(jì)，再到現(xiàn)在使用的多普勒流速儀，由于其利用聲波在水中傳播的性能十分穩(wěn)定，多普勒流速儀是現(xiàn)今海工實(shí)驗(yàn)室中最常用的流速測(cè)量?jī)x器之一，其測(cè)量方法和技術(shù)一直是研究的重點(diǎn)[2]。多普勒流速儀是利用水中懸浮顆粒物對(duì)超聲波的反射，再結(jié)合多普勒原理來測(cè)量流速，這種測(cè)量方式具有對(duì)水流無擾動(dòng)的特征，便于對(duì)不同類型的液體進(jìn)行流速測(cè)量。然而，現(xiàn)今實(shí)驗(yàn)室用的多普勒流速測(cè)量系統(tǒng)還存在一系列問題，如驅(qū)動(dòng)電路與濾波電路的設(shè)計(jì)還達(dá)不到信號(hào)處理的要求，回波信號(hào)的提取與分析質(zhì)量不高，所以流速測(cè)量結(jié)果誤差較大。

本文以FPGA為核心提出了新型的多普勒流速儀的設(shè)計(jì)方法，其中包括控制電路、信號(hào)發(fā)射電路、信號(hào)接收電路和換能器信號(hào)控制電路。FPGA提供的 IP核資源，可以提高運(yùn)算精度，精簡(jiǎn)硬件電路，如數(shù)字頻率合成(DDS)電路。信號(hào)發(fā)射電路由D/A轉(zhuǎn)換電路和換能器驅(qū)動(dòng)電路組成。信號(hào)接收電路由窄帶帶通濾波電路、放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成。流速儀采用一個(gè)換能器實(shí)現(xiàn)收發(fā)一體化。最后采用了仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了本文方法的有效性。

1 多普勒測(cè)流的基本原理

水中存在著大量懸浮物、微小顆粒及氣泡都可作為散射體，多普勒流速測(cè)量過程中便將它們的速度近似為水流速度。所以流速儀發(fā)射的聲波被流體中的散射體的反射，返回到流速儀的換能器中，通過測(cè)量回波頻率，計(jì)算發(fā)射波和回波頻率的差值得出水流速度。聲波頻率與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系[3]見式(1)：

(1)

其中:FD為多普勒頻移頻率(Hz)；FS為發(fā)射頻率(Hz)；V為聲源與散射體之間的相對(duì)速度(m/s)，當(dāng)聲源與散射體相向運(yùn)動(dòng)是為正，相反運(yùn)動(dòng)為負(fù)；C為聲速(m/s)。由于測(cè)量過程中聲波經(jīng)歷了兩次反射，所以式(1)可轉(zhuǎn)化為:

(2)

根據(jù)式(2)，用一個(gè)換能器實(shí)現(xiàn)收發(fā)一體化。換能器探頭發(fā)出的超聲信號(hào)，到達(dá)采樣體位置時(shí)發(fā)生反射，反射信號(hào)首先被探頭所接收，接下來進(jìn)行信號(hào)的調(diào)解和處理，最后便得到采樣體散射顆粒的流速信息。

2 控制電路與發(fā)射的信號(hào)

2.1 控制電路

選用XC3S400 FPGA芯片作為控制載體(Xilinx公司性價(jià)比較高的一款FPGA芯片)。發(fā)射信號(hào)的頻率為2 MHz，控制芯片的單端端口的傳輸速率可以達(dá)到622 Mbits/s，時(shí)鐘頻率為5～300 MHz,可以滿足信號(hào)的傳輸要求?？刂菩酒木д癫捎玫氖?.3 V電壓，40 MHz頻率，并將其作為全局時(shí)鐘，如圖1所示。FPGA提供數(shù)字時(shí)鐘管理模塊(DCM)的IP核資源，利用DCM可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘倍頻，將頻率倍頻到100 MHz，F(xiàn)PGA提供的相位環(huán)路鎖定可以實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)鐘綜合，并能夠降低抖動(dòng)實(shí)現(xiàn)過濾功能。

圖1 晶振電路

2.2 發(fā)射信號(hào)的設(shè)計(jì)

超聲波信號(hào)在水中由于信號(hào)的散射，其能量會(huì)出現(xiàn)衰減，回波信號(hào)由于非平穩(wěn)隨機(jī)過程會(huì)造成頻率估計(jì)誤差。所以采用二相調(diào)制信號(hào)，因?yàn)槎嗾{(diào)制信號(hào)可以在帶寬不變的狀況下，增加信號(hào)發(fā)射長(zhǎng)度，從而增加信號(hào)的發(fā)射能量[4]。利用M碼對(duì)信號(hào)進(jìn)行二相調(diào)制是最常用的方法之一，其得到的M序列，具有良好的自相關(guān)特性。M序列是由級(jí)聯(lián)的線性移位寄存器完成的偽隨機(jī)序列。

在以往的研究中，數(shù)字頻率合成需要使用專用芯片AD9854?？刂菩酒峁?shù)字頻率合成 (DDS)的 IP核資源，可作為信號(hào)發(fā)生器直接產(chǎn)生正弦波。采用FPGA+DA芯片的模式來產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)，這樣做可以更好地自定義發(fā)射波形。DDS是在采樣定理的基礎(chǔ)上建立的，首先對(duì)需要產(chǎn)生的波形進(jìn)行采樣，將采樣值數(shù)字化后存入存儲(chǔ)器作為查找表，然后通過查表讀取數(shù)據(jù)，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)為模擬量，將保存的波形重新合成出來[5]。DDS模塊的相位累加器n采用8位寬度，幅值查找表采用8位深度。DA采用Analog公司的高速DAC芯片AD9708，其分辨率為8 Bits，轉(zhuǎn)換速率最高為125 MSPS，性能足以達(dá)到我們的要求。DCM模塊和DAC芯片均在經(jīng)過DCM倍頻的頻率fc下工作。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，固定相位累加器的步長(zhǎng)M為5。生成的正弦信號(hào)頻率的計(jì)算公式為：

(3)

經(jīng)過以上計(jì)算得f0=1.953 125 MHz。將此信號(hào)進(jìn)行調(diào)相，再將此數(shù)字信號(hào)經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，作為發(fā)射信號(hào)。

DDS基本原理及M調(diào)制信號(hào)生成圖如圖2所示。圖3為基于5級(jí)M碼，F(xiàn)PGA的DDS二相調(diào)制仿真圖。

圖2 基于FPGA的DDS的M碼調(diào)相信號(hào)生成模塊

圖3 DDS二相調(diào)制仿真圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：信號(hào)發(fā)射電路和信號(hào)接收電路。信號(hào)發(fā)射電路由D/A轉(zhuǎn)換電路和換能器驅(qū)動(dòng)電路組成，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)電路到模擬信號(hào)電路的轉(zhuǎn)換和濾波放大，從而經(jīng)過換能器發(fā)射。信號(hào)接收電路包括高頻信號(hào)放大電路、窄帶帶通濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，從而實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的放大濾波和A/D轉(zhuǎn)換，將信號(hào)傳送到FPGA中做分析處理。

3.1 換能器驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路通常是根據(jù)換能器的特性所設(shè)計(jì)，其中包括功放電路、阻抗電路以及濾波電路[6]。功放電路采用的是AD811作為主控芯片，后接高速放大器BUF634起緩沖作為，提高帶負(fù)載能力，其最大輸出電流為250 mA，帶寬最高可以達(dá)到30 MHz，且芯片內(nèi)帶有電流限制具有過流保護(hù)和熱關(guān)斷的功能，較適于中高頻功率放大。

高速運(yùn)放放大器AD811和緩沖器BUF634組成的運(yùn)算放大器，其帶寬可以維持在一個(gè)很寬的增益范圍，滿足發(fā)射信號(hào)的帶寬要求。本文所運(yùn)用的放大器的最大放大倍數(shù)可達(dá)到16倍，完全滿足換能器發(fā)射電壓為24 V的要求。

3.2 窄帶帶通濾波電路

經(jīng)反射物反射回的信號(hào)十分微弱，只幾十mV。其頻偏也十分微小，在100 kHz之內(nèi)。其中還包含大量噪聲信號(hào)，所以需要對(duì)反射回的信號(hào)進(jìn)行高Q值的濾波。

帶通濾波分為窄帶和寬帶兩種[7]，如果上限截止頻率和下限截止頻率的比值大于一倍頻程，則這個(gè)濾波器可被認(rèn)為是一個(gè)寬帶濾波器，對(duì)于寬帶濾波器可分為兩個(gè)獨(dú)立濾波來設(shè)計(jì)，低通濾波器和高通濾波器，并簡(jiǎn)單地看作是低通和高通的級(jí)聯(lián)。

窄帶濾波器不能通過低通濾波器和高通濾波器和合成方法實(shí)現(xiàn)。因?yàn)殡S著上限截止頻率和下限截止頻率的比值下降，在中心頻率處的損耗就會(huì)增加，如圖4所示。同時(shí)窄帶濾波器的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，對(duì)元件Q值得要求也加大[8]。

圖4 對(duì)窄帶濾波器實(shí)現(xiàn)濾波控制

3.2.1 多反饋帶通電路

圖5所示電路可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)多路反饋帶通結(jié)構(gòu)電路，此電路的特色是采用最少電路元件，并且電路對(duì)元件參數(shù)誤差的靈敏度低。

電路的傳遞函數(shù)：

(4)

中心頻率：

(5)

假定電容取100 pF，對(duì)信號(hào)的濾波要求為中心頻率為2 MHz，帶寬為200 kHz，增益為5。中心頻率也可用式(6)表示：

(6)

(7)

(8)

(9)

圖5 多重反饋帶通濾波器

將求出的Q、f0和c值帶入(7)、(8)、(9)中求出各個(gè)電阻的值。

巖體稀土元素含量∑REE為116.43×10-6，∑Ce/∑Y比值為2.66，δEu為0.61。(La/Sm)N值為3.47，(Gd/Yb)N為0.91；為富輕稀土型。δEu<0.7，表明巖漿為上地殼經(jīng)不同程度的部分熔融形成的。

3.2.2 濾波器硬件電路

用芯片M33078DE4實(shí)現(xiàn)二級(jí)反饋有源帶通濾波器，圖6為濾波器的硬件原理圖。M33078DE4是雙極性運(yùn)算放大器，工作電壓為±5 V～±18 V，單位增益帶寬積為16 MHz。圖7為帶通濾波電路的增益、相位和頻率特性圖。

圖6 二級(jí)反饋有源帶通濾波器原理圖

圖7 帶通濾波電路的增益-相位-頻率特性圖

4 復(fù)自相關(guān)脈沖回波處理技術(shù)

脈沖對(duì)處理技術(shù)主要是基于復(fù)自相關(guān)算法原理[9]，進(jìn)而利用成對(duì)的偽隨機(jī)編碼來達(dá)到消除混響的目的。設(shè)回波信號(hào)為：

f(t)=Amcos(wmt+wdt+θ)

(10)

其中:Am是回波幅值，wm是載頻信號(hào)，wd是頻偏信號(hào)，θ為初始相位。

圖8 信號(hào)的正交調(diào)解

先對(duì)回波信號(hào)做正交解調(diào)，如圖8，將輸入信號(hào)與相互正交的兩路信號(hào)分別做乘法運(yùn)算，得到混頻信號(hào)x1(t)和x2(t)，再用低通濾波器濾除x1(t)和x2(t)的高頻部分，就可得到如下：

(11)

(12)

以x1p(t)為虛部x2p(t)為實(shí)部合成復(fù)數(shù)信號(hào)S(t)=x2p(t)+ix1p(t)。進(jìn)而求得復(fù)自相關(guān)值S：

(13)

由上式可知，復(fù)自相關(guān)值S只與回波信號(hào)的頻率有關(guān)，與初始信號(hào)的角頻率及回波信號(hào)的初始相位無關(guān)，所以復(fù)自相關(guān)函數(shù)計(jì)算多普勒頻移是可行的。然后，根據(jù)角頻率和頻率之間的關(guān)系，求出多普勒頻偏：

(14)得到多普勒頻移之后，帶入式(2)，求出水流速度V，其中水流速度設(shè)在常溫下為1 450 m/s。超聲波在水中的速度C會(huì)隨著水溫變化，所以需要對(duì)水溫進(jìn)行測(cè)試，從而對(duì)最終流速進(jìn)行修正。

5 信號(hào)性能測(cè)試與結(jié)果分析

在MATLAB仿真情況下，將2 MHz的發(fā)射信號(hào)加上信噪比為10的白噪聲之后，加上不同的頻偏之后，分別通過品質(zhì)因數(shù)為10、增益為5和中心頻率為2 MHz的低通濾波器和帶通濾波器，所得到的信號(hào)，通過復(fù)自相關(guān)運(yùn)算測(cè)出相應(yīng)頻偏。根據(jù)表1可以發(fā)現(xiàn)窄帶帶通濾波的濾波誤差明顯低于低通濾波。圖9表示在不加頻偏只加噪聲的情況下，低通濾波和帶通濾波的MATLAB信號(hào)仿真圖?？梢钥闯鰩V波的效果優(yōu)于低通濾波。

表1 低通帶通濾波結(jié)果分析表

圖10為回波信號(hào)經(jīng)過濾波之后真實(shí)的模擬信號(hào)圖。其濾波效果顯著，能很好地濾掉噪聲，雖然波峰處仍有毛刺，但誤差在可接受范圍之內(nèi)。經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度可達(dá)24 V，滿足換能器對(duì)發(fā)射信號(hào)的要求。將回波信號(hào)送入FPGA中計(jì)算處理，就可得出水流流速。本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其流速的可測(cè)范圍為0.2 ～5 m/s。

圖9 低通濾波和帶通濾波信號(hào)仿真圖

圖10 濾波后的回波圖

6 總結(jié)

本文介紹了多普勒測(cè)流的基本原理，并以FPGA為控制芯片搭建硬件電路，控制芯片內(nèi)有豐富的IP核資源，最大化的精簡(jiǎn)了硬件電路。對(duì)DDS的工作原理進(jìn)行了闡述，利用FPGA生成M碼，用M碼對(duì)DDS生成的正弦波進(jìn)行二相調(diào)制，增加發(fā)射信號(hào)的能量，減少回波信號(hào)因非平穩(wěn)隨機(jī)過程所產(chǎn)生的頻率估計(jì)誤差，提高測(cè)量精度。在本文工作中，優(yōu)化設(shè)計(jì)了發(fā)射電路的換能器驅(qū)動(dòng)電路和接收電路的信號(hào)濾波電路。驅(qū)動(dòng)電路滿足了換能器的發(fā)射需求，濾波電路使用窄帶濾波電路可以實(shí)現(xiàn)精確濾波，減少回波信號(hào)的噪聲。利用復(fù)自相關(guān)算法對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，能很好地計(jì)算出水流流速。具有測(cè)量精度高、誤差低等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 田 淳，劉少華.聲學(xué)多普勒測(cè)流原理及其應(yīng)用[M].鄭州.黃河水利出版社,2003.

[2] 鄧昌閭. 超聲多普勒流速儀的研制 (下)[J]. 水利信息化, 1990(3):22-26.

[3] 范寒柏, 賈少栓, 左保收, 等. 單波束聲學(xué)多普勒流速儀設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2016 (9): 37-40.

[4] Haide M. A pulse-to-pulse incoherent flow measurement with frequency-coded signals[J]. 2013, 47(1):986-989.

[5] 陳斌杰. 基于FPGA的擴(kuò)頻信號(hào)發(fā)生器的研究與設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué), 2009.

[6] 范思航. 超聲波換能器驅(qū)動(dòng)及前端接收電路研究[D]. 西安:西安石油大學(xué), 2014.

[7] 聞蔚峰. 基于FPGA的水聲通信信標(biāo)信號(hào)生成及數(shù)字濾波[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2005.

[8] Williams A. Analog filter and circuit design handbook[M]. McGraw Hill Professional, 2013.

[9] 朱 昊. 基于軟件無線電的數(shù)字ADCP信號(hào)處理系統(tǒng)的研究[D]. 天津:天津大學(xué), 2005.

A Design Method of Dot-mode Single-beam Doppler Flow System

Cai Mingxia1,2, Du Hai2,3, Li Muguo2,3, Ding Ke1,2

(1.School of Control Science and Engineering, Dalian University of Technology, 116024, China; 2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, 116024,China;3.Ocean Engineering Joint Research Center of DUT-UWA, 116024, China)

In order to speed up the Doppler velocity calculation and improve the system stability, the design method is proposed based on FPGA technology, including signal transmission circuit and signal receiving circuit. Firstly, the modulation of the binary phase shift keying signal is carried out by M code, which reduces the echo error and increases the energy of signal transmission, and effectively reduces the influence which the energy dissipation of the ultrasonic in the water to the signal extraction.Then the echo signal is demodulated by two-phase, and analyzed and processed by complex autocorrelation algorithm. Finally, the proposed method is verified by the velocity measurement experiment. The experimental results show thatthe proposed method not only has low experimental error but also has high reliability.

flow velocity measurement; Doppler; FPGA; complex autocorrelation algorithm

2017-01-05；

2017-02-11。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61202253)；海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年學(xué)者創(chuàng)新基金(LY1613)。

蔡銘霞(1992-)，女，江西上饒人，碩士，主要從事近海傳感器方向的研究。李木國(guó)(1953-)，男，遼寧莊河人，博士研究生導(dǎo)師，教授，主要從事海洋工程模擬實(shí)驗(yàn)理論、現(xiàn)代控制技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)08-0008-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.003

TP273

A