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(diǎn)式聲學(xué)多普勒海流計(jì)研究設(shè)計(jì)

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(duì)高精度測(cè)量海水流速問題，研究并設(shè)計(jì)了點(diǎn)式多普勒海流計(jì)，基于STM32F407和AVR微處理器進(jìn)行硬件開發(fā)和軟件設(shè)計(jì)，給出了硬件電路設(shè)計(jì)及軟件流程圖，對(duì)基于編碼驅(qū)動(dòng)的自相關(guān)算法進(jìn)行了分析，對(duì)不同算法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明基于編碼驅(qū)動(dòng)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(jì)；自相關(guān)算法

0 引言

流速是重要的海洋動(dòng)力學(xué)參數(shù)，對(duì)于海洋環(huán)境保護(hù)、海洋環(huán)境評(píng)價(jià)、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(jì)是利用多普勒效應(yīng)來測(cè)量海水流速的裝置[1-2]，該裝置用來測(cè)量某一定點(diǎn)處的流速及方向，適用于含有適量能反射超聲波信號(hào)的顆粒物或氣泡的液體。聲學(xué)多普勒海流計(jì)是在改進(jìn)傳統(tǒng)的海洋流速測(cè)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(dá)與聲納的基本原理，運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，探頭堅(jiān)固耐用，不易損壞并且測(cè)得的流速有著傳統(tǒng)流速儀不能比擬的準(zhǔn)確性，可以廣泛應(yīng)用于海洋流速及內(nèi)陸河流流速的測(cè)量[4]。研究設(shè)計(jì)海流流速測(cè)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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的聲波頻率會(huì)偏離聲波原來的頻率[5]。相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越大，頻率偏移也越大。觀察者向著聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)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(cè)者速度。

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

圖1 海流計(jì)測(cè)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(hào)，經(jīng)功率放大驅(qū)動(dòng)輸出變壓器，再經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)與壓電陶瓷片,達(dá)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(shí)，為了限制發(fā)送時(shí)的大功率信號(hào)，加入了限幅保護(hù)電路；在接收時(shí)，對(duì)返回來的信號(hào)經(jīng)過多次放大、濾波得到一個(gè)幅值比較大的信號(hào)，再經(jīng)過AGC自動(dòng)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?yàn)榘l(fā)射電路，下部分的虛線框?yàn)榻邮针娐贰?/p>

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(shí)間，通過驅(qū)動(dòng)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(dòng)探頭發(fā)射超聲波。如圖2實(shí)框圖所示。實(shí)際應(yīng)用中，為了使探頭發(fā)射盡量大的信號(hào)，發(fā)射時(shí)，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(gè)部分，選頻放大電路、AGC自動(dòng)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(hào)放大電路。

2.2.1 選頻放大電路

超聲波信號(hào)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(hào)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(hào)中包含了大量的噪聲信號(hào)，而返回的有用信號(hào)幅值很小，在微伏級(jí)，不能滿足后續(xù)解調(diào)電路對(duì)輸入信號(hào)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(jí)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(hào)，濾除雜波?；夭ㄐ盘?hào)主要是由直接耦合到壓電陶瓷片的發(fā)射信號(hào)和經(jīng)顆粒散射之后的信號(hào)組成，散射信號(hào)的頻率等于發(fā)射信號(hào)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(hào)的LC選頻放大處理電路

2.2.2 自動(dòng)增益控制電路

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

圖4 自動(dòng)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(hào)主要包含本振信號(hào)和攜帶流速信息的信號(hào)，為了提取多普勒頻移量，需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行乘法混頻，即將兩個(gè)不同的頻率信號(hào)經(jīng)過乘法混頻，產(chǎn)生新的頻率信號(hào)。

設(shè)基準(zhǔn)信號(hào)為

u1=Acosω0t

(4)

解調(diào)信號(hào)為

u2=Bcosω1t

(5)

混頻后的信號(hào)為

(6)

顯然采用乘法器解調(diào)，混頻后的信號(hào)主要包含多普勒頻移量信號(hào)、4 MHz左右的頻率信號(hào)以及高次諧波信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中，為更好地解調(diào)信號(hào)，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(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，得到455 000 Hz的多普勒頻移量信號(hào)。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(hào)包括了高頻信號(hào)、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(shí)為了盡量放大有用信號(hào)的幅值，對(duì)信號(hào)再次進(jìn)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(hào)放大電路

經(jīng)過解調(diào)濾波之后的多普勒頻移信號(hào)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(jìn)行放大，以滿足A/D采樣的需求。本級(jí)采用普通放大電路，信號(hào)放大電路如圖7所示。

圖7 信號(hào)放大電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要功能為：4個(gè)探頭工作的協(xié)調(diào)、功率譜估計(jì)及流速計(jì)算?；诖?，本系統(tǒng)選用STM32進(jìn)行功率譜估計(jì)，ATemga64負(fù)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(shí)線框圖為AVR流程，左邊部分實(shí)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(dòng)

實(shí)踐證明，偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBS)是最適合用作超聲發(fā)射的脈沖壓縮信號(hào)，其中用的最多的是m序列[6]。用m序列驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，發(fā)射超聲波，對(duì)接收信號(hào)相關(guān)運(yùn)算，從而精確地計(jì)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(duì)于由r級(jí)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(gè)很復(fù)雜的波形，為了減小誤差提高海流計(jì)的分辨率，系統(tǒng)采用自相關(guān)算法來計(jì)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(hào)X(t)的復(fù)數(shù)表達(dá)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(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

采用傳統(tǒng)FFT算法測(cè)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(dòng)的自相關(guān)算法測(cè)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(cè)量多普勒頻偏時(shí)，頻率上下波動(dòng)范圍在200 Hz左右，誤差較大，分辨率也不是很高，無法對(duì)一些高精度或是信噪比較低的場(chǎng)合進(jìn)行有效的測(cè)量。

圖11(b)是國家海洋技術(shù)中心水池的測(cè)試記錄，從圖11(b)中可以看出，當(dāng)采用基于編碼驅(qū)動(dòng)的自相關(guān)算法時(shí)，海流計(jì)記錄的頻率波動(dòng)在36 Hz左右，能夠滿足高精度的測(cè)量場(chǎng)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(qiáng)，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(cè)量的原理以及多普勒海流計(jì)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一種以STM32F407和AVR處理器為核心的點(diǎn)式海流計(jì)，并闡述了基于編碼驅(qū)動(dòng)的自相關(guān)算法的理論分析。測(cè)試結(jié)果表明本系統(tǒng)在測(cè)量流速方面有很好的應(yīng)用前景，尤其是對(duì)湖泊海洋的測(cè)流有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。為此進(jìn)行了一系列驗(yàn)證試驗(yàn)，并在國家海洋技術(shù)中心的水池成功地驗(yàn)證了算法可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：研制的點(diǎn)式多普勒聲學(xué)多普勒海流計(jì)可以穩(wěn)定地測(cè)量頻偏和流速的變化情況，可以進(jìn)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(jì)高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).儀表技術(shù)與傳感器,2011(2):22-25.

[2] HAMADENE H，COLLE E.Optimal estimation of the range for MRs using ultrasonic sensors.SICICA 97，1997：141-146.

[3] 孫悅民.中國海洋資源開發(fā)現(xiàn)狀及對(duì)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(hào)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009(2):241-244.

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[6] 陳靜.超聲波流量計(jì)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?yàn)殡娮优c通信工程技術(shù)應(yīng)用。