相控陣水平測(cè)流儀的研制

杭亮 彭陽(yáng)明

（第七一五研究所，杭州，310023）

相控陣水平測(cè)流儀的研制

杭亮 彭陽(yáng)明

（第七一五研究所，杭州，310023）

針對(duì)港口流場(chǎng)和水文環(huán)境監(jiān)測(cè)的市場(chǎng)需求，研究并開(kāi)發(fā)了一種高精度的相控陣水平測(cè)流儀。該測(cè)流儀以低功耗FPGA芯片Spartan-6 XC6SLX45和MCU芯片MSP430F149IPWR為核心，配合發(fā)射機(jī)和接收機(jī)構(gòu)建的硬件平臺(tái)，利用多普勒頻移算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水流速度及流向的計(jì)算；湖上試驗(yàn)結(jié)果表明在測(cè)量范圍內(nèi)能正確監(jiān)測(cè)流場(chǎng)變化，滿(mǎn)足實(shí)際使用要求。

相控陣水平測(cè)流儀；多普勒頻移；流速；流向

隨著我國(guó)水利事業(yè)不斷發(fā)展，水文信息化是當(dāng)前水文工作的主要發(fā)展方向，而測(cè)量的信息化是水文信息化的前提和保障。目前，水文測(cè)量所用的測(cè)流儀器基本都為進(jìn)口品牌，如TRDI、NORTEK及LinkQuest等，國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)份額很低，尤其相控陣水平測(cè)流儀國(guó)內(nèi)尚無(wú)此類(lèi)產(chǎn)品。

針對(duì)市場(chǎng)及國(guó)產(chǎn)化的需求，本文設(shè)計(jì)了一種相控陣水平測(cè)流儀，利用多普勒效應(yīng)獲得波束方向的流速信息，并采用矢量合成法，計(jì)算水流的流速和流向。利用水平測(cè)流儀固定安裝進(jìn)行流速流向測(cè)量，對(duì)流場(chǎng)不產(chǎn)生任何擾動(dòng)，并且一次可以測(cè)量多個(gè)不同距離剖面層的流速流向信息。

1 基本原理［1］

相控陣水平測(cè)流儀是利用水聲換能器向水體發(fā)射聲波信號(hào)，并接收水體中聲波散射體的反射信號(hào)，通過(guò)分析接收到的兩個(gè)波束回波信號(hào)的多普勒信息，從而得到不同距離水層的流速和流向，波束示意圖如圖1所示。

圖1 波束示意圖

當(dāng)頻率為f0的聲波沿波束方向在水中傳播時(shí)，有一部分能量經(jīng)水流而動(dòng)的散射體散射回來(lái)，這些回波信號(hào)經(jīng)換能器接收，處理后可以測(cè)得其頻率為fr。根據(jù)多普勒頻移原理，只要聲源（或接收器）與散射體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則fr≠f0，其差值為fd。水平測(cè)流儀接收波束的多普勒頻移fd與散射體隨水流而動(dòng)的速度V的關(guān)系是：

其中fd為多普勒頻移，Hz；fs為發(fā)射的聲波頻率，Hz；c為水中聲速，m/s。由式（1）推導(dǎo)得出兩個(gè)波束測(cè)得的徑向速度：

其中f1是波束1的回波頻率，f2為波束2的回波頻率，f0為發(fā)射頻率。

由圖1可知，將實(shí)際水流流速V分解為Vx、Vy兩個(gè)分量，則Vx在波束1、波束2徑向上測(cè)得的流速分量為Vxcosθ，流向相同；Vy在波束 1、波束 2徑向上測(cè)得的流速分量為Vysinθ，流向相反，所以實(shí)際二維流速Vx、Vy為：：

式中，θ為V1、V2與Vx的夾角；將式（2）、（3）代入式（4）、（5），推導(dǎo)出

由于采用多元相控陣，基陣可布成平面，無(wú)需使用不同指向性的換能器，從而減少了體積，便于安裝。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

相控陣水平測(cè)流儀主要包括相控陣、電源、發(fā)射機(jī)、信號(hào)處理機(jī)、接收機(jī)、防雷電路。信號(hào)處理機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)發(fā)射機(jī)功率放大后傳輸給換能器，換能器通過(guò)陶瓷元件振動(dòng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)，輻射到水體中。同時(shí)換能器接收水體的回波信號(hào)，接收機(jī)濾波放大后，傳輸給信號(hào)處理分機(jī)分析計(jì)算后，通過(guò)RS422將結(jié)果傳給上位機(jī)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.2 信號(hào)處理機(jī)

信號(hào)處理機(jī)主要將前端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完的數(shù)據(jù)存入SD卡，或者通過(guò)RS422或CAN總線(xiàn)向外傳輸，其組成框圖見(jiàn)圖3。此接口還用于設(shè)置系統(tǒng)采集參數(shù)，具有發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生、接收信號(hào)采集和處理、對(duì)外通訊、數(shù)據(jù)存貯和電源控制、外同步控制等功能。

圖3 信號(hào)處理機(jī)框圖

信號(hào)處理機(jī)以低功耗FPGA芯片Spartan-6系列和MCU芯片MSP430F149IPWR構(gòu)建[2]。Spartan-6系列是Xilinx公司推出的低功耗FPGA，采用低功耗的45 nm工藝技術(shù)，提供先進(jìn)的電源管理技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

MSP430F149IPWR是TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款超低功耗的16位單片機(jī)，為各種低功耗工業(yè)和便攜式應(yīng)用提供了終級(jí)解決方案[3]。FPGA芯片負(fù)責(zé)時(shí)鐘產(chǎn)生、ADC采樣控制、數(shù)據(jù)采樣存儲(chǔ)、DA控制、對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成、控制SD卡存儲(chǔ)和讀取等；MCU芯片主要負(fù)責(zé)總體流程控制、電源控制和參數(shù)控制。

2.3 發(fā)射機(jī)

信號(hào)處理機(jī)輸出的兩路控制編碼信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離放大、諧振濾波和匹配后，發(fā)射機(jī)輸出相應(yīng)的電信號(hào)，通過(guò)收發(fā)轉(zhuǎn)換電路，將兩路相位差180°的功率信號(hào)分別加到4路換能器上，形成2個(gè)發(fā)射波束。組成框圖見(jiàn)圖4。

圖4 發(fā)射機(jī)框圖

2.4 接收機(jī)

接收機(jī)主要用于接收相控陣4路模擬信號(hào)的輸入和信號(hào)的預(yù)處理。首先是收發(fā)轉(zhuǎn)換，對(duì)接收到的4路信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、時(shí)間增益控制等信號(hào)預(yù)處理，最后輸出至信號(hào)處理機(jī)采集電路，其組成框圖見(jiàn)圖5。

圖5 接收機(jī)框圖

2.5 防雷電路［4］

相控陣水平測(cè)流儀主要安裝在開(kāi)闊的港口或者湖泊，使用環(huán)境比較惡劣，尤其是夏季，雷雨天氣頻繁，雷擊形成的過(guò)電壓和過(guò)電流很容易對(duì)設(shè)備的端口造成永久性損害，所以必須要增加防雷設(shè)計(jì)。防雷電路框圖如圖6所示。

圖6 防雷電路框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)與上位機(jī)通過(guò)RS422接口通訊，系統(tǒng)在工作過(guò)程中的任意時(shí)刻都接收來(lái)自上位機(jī)的命令，在下一個(gè)工作周期開(kāi)始之前更新接收到的參數(shù)，同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)RS422通訊接口將計(jì)算結(jié)果按照一定的格式上傳至上位機(jī)。FPGA與單片機(jī)使用SPI和若干GPIO口進(jìn)行通訊，F(xiàn)PGA需要與單片機(jī)協(xié)調(diào)處理：電源控制、參數(shù)傳遞、數(shù)據(jù)傳遞。FPGA運(yùn)行算法相關(guān)的流程如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 比測(cè)方法確認(rèn)

試驗(yàn)中所用的數(shù)據(jù)處理方法參照 HY/T 102-2007 《聲學(xué)多普勒流速剖面儀檢測(cè)方法》中數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行分層數(shù)據(jù)處理。對(duì)選定的GPS測(cè)量數(shù)據(jù)和被檢測(cè)流儀的分層測(cè)量數(shù)據(jù)分別按公式（8）、（9）計(jì)算樣本平均值、樣本標(biāo)準(zhǔn)差：

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中檢測(cè)結(jié)果的合格判據(jù)，選取顯著性水平a=0.01，查相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表確定自由度r=n?2（n為測(cè)量數(shù)據(jù)組數(shù)）時(shí)的臨界相關(guān)系數(shù)ra。當(dāng)r≥ra時(shí)，認(rèn)為二者相關(guān)，判據(jù)一成立。計(jì)算誤差限。其中為被檢測(cè)流儀流速標(biāo)稱(chēng)示值誤差，為GPS速度標(biāo)稱(chēng)示值誤差。當(dāng)68.3%的VPi滿(mǎn)足下式：

即VPi落在以回歸曲線(xiàn)為中心±Δ的誤差帶內(nèi)的概率不小于68.3%，判據(jù)二成立。當(dāng)判據(jù)一、判據(jù)二同時(shí)成立時(shí)可以認(rèn)為測(cè)流儀測(cè)速精度符合要求。

4.2 比測(cè)結(jié)果

測(cè)流儀湖上試驗(yàn)安排在千島湖中心湖區(qū)，將測(cè)流儀安裝在試驗(yàn)船的一側(cè)，入水深度2 m，換能器輻射面與試驗(yàn)船的首尾線(xiàn)垂直，并使兩個(gè)波束水平射向一側(cè)湖水，安裝圖如圖8所示。高精度差分GPS包括一個(gè)基準(zhǔn)站和一個(gè)移動(dòng)站，基準(zhǔn)站安裝在試驗(yàn)湖區(qū)附近島嶼，移動(dòng)站放置于測(cè)流儀上方，確保GPS接收到位置信息與測(cè)流儀位置一致。試驗(yàn)水域開(kāi)闊，湖底相對(duì)平坦，深度為50 m，湖水流速趨于0，試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)船在 3～8 kn 之間做變速航行，測(cè)流儀所測(cè)的水流速度相當(dāng)于試驗(yàn)船的航行速度，同步采集測(cè)流儀和GPS速度數(shù)據(jù)，比測(cè)結(jié)果如圖9、10所示，測(cè)流儀流速和流向如圖11所示。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)流儀速度曲線(xiàn)與 GPS速度曲線(xiàn)基本吻合，數(shù)據(jù)有效率80%以上，比對(duì)的數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)高，如表1所示。

圖8 安裝示意圖

圖9 升速比測(cè)

圖10 降速比測(cè)

圖11 流速、流向圖

表1 測(cè)流儀、GPS精度考核記錄表

通過(guò)顯控軟件實(shí)時(shí)測(cè)量的最大剖面距離超過(guò)250 m，優(yōu)于200 m的性能指標(biāo)，能夠反映真實(shí)的水流流向。試驗(yàn)結(jié)果表明，相關(guān)系數(shù)r均大于ra=0.254 0。查相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表，ra置信概率均大于標(biāo)準(zhǔn) 68.3%的要求，所以相控陣水平測(cè)流儀的測(cè)速性能達(dá)到了要求。

5 結(jié)論

本文從多普勒測(cè)速基本原理出發(fā)，結(jié)合相控陣技術(shù)，以FPGA和單片機(jī)為基礎(chǔ)搭建低功耗硬件平臺(tái)，通過(guò)湖上試驗(yàn)進(jìn)行性能驗(yàn)證，結(jié)果表明相控陣水平測(cè)流儀能夠真實(shí)反映實(shí)際流場(chǎng)的流向和流速信息。此外，相比于傳統(tǒng)活塞式測(cè)流儀，相控陣水平測(cè)流儀具有體積小和精度高的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)該設(shè)備在水文監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣起到重要的作用。目前，相控陣水平測(cè)流儀已成功應(yīng)用于浙江省交接斷面水文監(jiān)測(cè)和宜昌皇陵廟水文監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中。

[1]田坦,劉國(guó)枝,劉國(guó)枝.聲納技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1999:156-168.

[2]Xilinx Corporation.Spartan-6 FPGA Data Sheet[Z].2015.

[3]Texas Instruments.MSP430 Ultra-Low-Power Microcontrollers Data Sheet[Z].2012.

[4]周龍民,孫義成,殷建強(qiáng).RS-485總線(xiàn)防浪涌技術(shù)[J].低壓電器,2009,(13):31-33.

[5]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).聲學(xué)多普勒流速剖面儀檢測(cè)方法:HY/T 102-2007 [S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.