1、本科毕业论文（20 届）声学多普勒测速技术研究所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II目 录摘要 .IAbstract .II1 研究背景及意义 .12 声学多普勒测速技术的原理 .32.1 测量基础原理 多普勒效应 .32.2 流速矢量测量及换能器配置 .42.2.1 发射波形 .53 声学多普勒测速技术的影响因素 .73.1 声波频率的影响 .73.2 水文环境的影响 .83.2.1 与断面有关的问题 .83.2.2 与泥沙有关的几个问题 .93.3 发射及接受环节 .93.3.1 换能器方向的影响 .93.3.2 参考速度的影响 .103.3.
2、3 与流速流向有关的问题 .114 海洋应用分析 .124.1 实际应用设计 .124.1.1 在洋山港设计应用 .124.2 数据分析方法 .134.2.1 顶部和底部数据推算 .134.2.2 脉动性数据处理 .144.2.3 通量校正 .154.3 误差控制方法 .164.3.1 换能器的方向和校正 .164.3.2 简单误差控制 .165 结果讨论与分析 .18参考文献 .19I声学多普勒测速技术研究摘要声学多普勒测速技术是当今世界最先进的测流仪器，代表最前沿的科技。在实际水文监测研究中，传统方法存在着非常多的问题，声学多普勒的出现很好的克服了很多难。本文先是阐述了声学多普勒测速技术的
3、时代背景及其意义；然后简单介绍了声学多普勒测速技术的基本配套设备和优点，还介绍了这项技术的基本原理多普勒效应；接着分析研究了在实际过程中所产生的一些问题；最后简单设计了在洋山港的测速应用，数据分析方法和误差控制方法。与传统方法对比，声学多普勒测速技术具有效率高、测量范围广、线性好等诸多优点，使得被广泛应用于水文监测研究中。虽然它代表着最前沿的科技，有着强大的功能，但是在实际应用过程中，还是碰到了非常多的问题。关键词：声学多普勒；多普勒效应；测速技术；水文观测；流速测量IIAcoustic Doppler Velocimetry Technology ResearchAbstractAcoust
4、ic Doppler Velocimetry Technology is the worlds most advanced flow measurem- ent instruments, represent the most cutting-edge technology. Hydrological monitoring in the actual study, the traditional method there is a lot of problems, the emergence of Acoustic Doppler Velocimetry to overcome a lot of
5、 hard.This paper first describes the acoustic Doppler velocimetry of the historical background and significance; then introduces the basic acoustic Doppler velocimetry equipment and benef-its, but also introduces the basic principles of this technology - Doppler effect; then the actual process of an
6、alysis in some of the issues arising; last simple design of the gun in the Yangshan Port applications, data analysis and error control methods.Compared with traditional methods, acoustic Doppler velocimetry with high efficiency, wide measurement range, good linearity, and many other advantages, maki
7、ng the monitoring is widely used in hydrological studies. Although it represents the cutting edge of technology, with powerful features, but in practical application process, or met a lot of problems.Key words Acoustic Doppler ; Doppler Effect ; Velocimetry ; Hydrological Observations ;Flow mea-sure
8、ments11 研究背景及意义全球面积的 71%左右是海洋，海流是非常重要的海洋学参数。我国的海洋资源非常丰富，有 18000 多公里的海岸带和 6960 多个岛屿，海岛总面积约为 6700 平方公里，海流的观测是海洋调查中非常重要内容，掌握了海流的规律可以为渔业、居民生活、国防、海运交通、建港等提供服务，海洋科学的很多领域研究与海流研究，比如有关水团的形成和海水内部及海水空气界面之间热量的交换。海洋环境的保护和评价、海洋工程的开发、海洋气候的预报、海洋的防灾减灾和军事海洋学的应用等方面也都把海流作为重要参数。流速测量准确性对很多不同领域具有非常重要的意义，例如天气预报、生物营养的研究、研究调
9、查排污环境的影响和研究环境资源。从 1905 年以来，海流测量仪器就一直在被不断更新和完善。转子式海流计、电磁式、转子式等海流计也相继出现，在海流的流速及流向测量中这些测流仪器被人们广泛应用。但是在使用上这些测量仪器往往受到很多限制，比如电磁式海流计流速的测量是利用流动的海水切割磁力线所产生的感应电势，但是测流精度随着海水介质电导率的变化而降低；最常用的转子式海流计缺点明显，它响应速度慢以及惯性很大，不能测量流速快速变化的湍流，还因为流速传感部分直接放置在被测海水之中，所以影响了流场的分布。此外，上述各种海流计的测流灵敏度都比较低，测量低速流时误差大，不适用于低流速的测量。快速发展的社会经济和
10、日新月异的科技，对水文信息的快速发展提出越来越多的要求，水文观测项目和精度都在不断地增加，对观测手段和方法以及水文监测技术的研发和应用的要求也变得越来越高。近年来，随着各项技术的不断成熟和完善，流速测量技术也随着得到了更好的发展，先后出现了非常多的流速测量方法 1。声学多普勒测流技术凭借独特的优点，已经成为海洋流速测量中被最广泛应用的流速仪。海岛经济的发展和人民生活水平的提高由于能源短缺被严重地制约着，海岛的供电可以选择使用海流能发电，对海洋资源的开发和使用极大地影响着我国经济发展以及人民生活水平的提高。此外，海流发电也是海洋观测设备和灯塔等设施的理想能源，它可以在无人的情况下持续供电。海流及
11、海面海气交换是影响全球气候变化的最重要因素，监测海流变化是研究自然界环境变化的重要方法，特别是研究它2在时间上的变化以及空间上的分布，以便随时掌握自然界的变化规律，对于污染物的扩散、稀释和自净化，海流能的充分利用，分析全球气候变化和形成水旱风浪潮的原因，远洋舰队和核潜艇的发展等等都有着深远的意义。32 声学多普勒测速技术的原理海水中存在大量的声波散射体，比如说微小粒子，水中浮游生物及气泡等，这些物体随海水流动 2。平稳随机过程是声学多普勒流速测量建立的基础，就是认为在水中漂浮的微小浮游生物和悬浮泥沙和海流融为一体的，它们的速度大小和方向就代表了水流的速度大小和流向。换能器（既是发射器又是接收器
12、）先向水中发射声波，声波在水中传播遇到散射体后会向向四周散射，散射的范围是四周，所以换能器会接受到散射回来的声波。当换能器相对散射体运动时，换能器发射的频率和接受到的频率是不一样的，它们的差值就是多普勒频移，再根据多普勒频移经过计算就可以得到散射体相对接收器的速度。系统一共有四个换能器，根据多普勒测量的原理，就求得海流的平面速度。与传统方法相对比，这项技术具有效率高；既能测量流速又能测量流向；可以自动消除各种外界影响因素；对流场没有干扰，不会破坏流场的真实情况；它的测量范围非常广、线性好，可以测量一个剖面上若干层海流流速。声学多普勒测速仪器的基本配置包括换能器（既是发射器又是接受器） ；方向和
13、倾斜传感器外接电罗径及接口、数据采集软件、导航接口软件；辅件有微机配置、温盐深传感器等。分别对应传感器系统、数据采集系统、导航传感器系统三个主要的功能系统。2.1 测量基础原理多普勒效应Christian Doppler 在 1842 提出了多普勒效应这一理论，多普勒效应就是是为纪念他而命名的。所谓多普勒效应就是指当声源和声接收器在连续介质中存在相对运动时，接收器接收到的声波频率与声源发出的声波频率不同，两者之间的位置靠近时频率就会升高，反之就会降低 3。这里所介绍的相对运动，就是指声源与接收器之前的相对运动，声源与接收器都可以运动，计算得出的结果也就是相对速度。本部分内容假设声波传播的方向和
14、运动方向在一条直线上，如果它们不在同一直线上，相对运动在声波方向上的投影影响着频移。当声源以速度 s 运动和接收器以 r 运动，声源发射出频率为 fs 的声波，设接收器接收到声波的频率为 fr，并且它们的运动方向和声波的传播方向在一条直线上，4得：（21）srrfvcf)(上述公式中，c 就 表示声波的速度， 表示接收器和声源的相对运动情况，当声源远离接收器运动时，v s 取+号，相反就取-号；当靠近运动时，v r 取-号，相反就取+ 号。当水体介质接受声波反射声波后，它就从接受体变成了反射体，反射体也就是接受体是就变成了声源。当声源没有运动，而反射体在运动时，反射体（接受体）接收到的声波频率
15、和向外发射声波的频率为：（22）srrfcvf)(如果接收器是静止的放在声源处，对于这个接收器而言，声源是以速度v r 向着自己运动，声源发出频率为 fs 的声波，接收器收到频率 f2 为的声波应为：（23）srrfvcf)()(2当 cv r时，有：（24）srsfcff22在式(2-4)中，f 表示在声源处发射声波的频率和返回声波的频率之差（多普勒频移） 。两者靠近时取-号，反之取+号。另外，在声波发射方向的分量速度记为 r。当两者运动方向垂直时，就不存在着多普勒频移。当换能器发射频率为 f0 的声脉冲后，声波在水中传播，水流中的介质反射或散射声波，并导致频率变化。介质向着换能器移动时频率
16、随之就增加，反之频率随之减小。假设水体介质和水流的流速一致，通过测量多普勒频移就计算出水体介质（水流）的流速和流向。假设换能器是静止的，那么多普勒频移为：（25）cvff0d2其中，多普勒频移表示为 fd，发射声波频率表示为 f0，c 表示声波在水流中的传播速度，v 为水流的流速。52.2 流速矢量测量及换能器配置声学多普勒流速测量系统中水流速度矢量测量的设置可采用如图 2.1 所示。图 2.1 换能器结构四个换能器发射的声波分别沿着射线 b1、b2、b3 和 b4 方向 传播，在传播的过程中，声波被反射体反射回换能器。以波束 b1 为例，发射频率为 f0 的波束，遇到以速度矢量 v 运动的散
17、射体后发生散射，散射波的频率为 f0+fdi，速度矢量 v 与发射波之间夹角为 1，与散射波间夹角为 2。散射波的多普勒频移：（26）)cos(21vf0d由于换能器是收发一体，所以换能器在实际测量时只能接收到自己背向的散射信号，即 1= 2=0o。假设在一个水平平面内水体的流速是均匀的，那么在测量范围内，在四个波束上水体速度矢量 v 都有一个投影速度，相当于在某一平面上，波束内的水体都沿着波束运动，它们的速度可分别表示为 vb1，v b2，v b3，v b4。因为水体是流动的，所以存在着多普勒频移：i=1，2，3，4 （27）02fcvdib在式(2-7)中，波束坐标的序号表示为 i，发射声
18、波的频率表示为 f0，v bi 表示在第i 个波束上投影的水体的运动速度矢量。如果配置换能器按照上述结构，就可以测量出流速矢量在四个波束上的投影。2.2.1 发射波形系统使用声波信号进行测量，发射的声波波信号根据不同的目的发射不同的信6号。常用的几种信号形式有单频脉冲分长脉冲、短脉冲两种、线性调频脉冲、编码调相脉冲、伪随机信号和它们之间的各种组合形式。这些常用的特性不同的信号，可根据不同的要求进行选择。单频脉冲信号（余弦波脉冲信号）可用式(2-8)表示，其波形如图 2.2 所示。（28）)t2sin()(0fTtrectu图 2.2 单频脉冲信号及其频谱图这是一种常用的简单信号，其特点是 6：(1)合成非常简单，只要给正弦信号（频率为 f0）加一个发射窗口即可；(2)时间带宽积为 TeBe=1.5。在式(2-9)中，Be 为有效带宽，Te 为信号的有效持续时间， Te=T。（29） dtRBe2)(/0（210）TtTtdTtrecTt .10)(1)( 其 它可以根据信号的模糊函数求出信号的时间分辨率 te 和频率分辨率 fe：（211）Ttfe3.0/4
