[发明专利]一种基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法

说明书

本发明公开了一种基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，该方法包括如下步骤：(1)选取两个非对称测量扇面，并设定标准层厚；(2)分时测量两个扇面的多波束分层径向多普勒；(3)在非对称的两个测量扇面内分别选取两个对应的波束分层测量点，组成一组四波束分层测量点；(4)多波束三维流速合成及坐标转换；(5)重复步骤(3)‑(4)获得多组空间三维流速测量点。(6)汇总并绘制出整个测量扇面的高分辨三维流速大小和方向分布。该方法用两次测量扇面内多组非对称四波束分层径向测量结果合成三维流速，并进行了三维流速的坐标转换，实现了空间流场的非均匀水流速度估计。

技术领域

本发明涉及一种基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，属于声纳信号处理技术领域。

背景技术

在水声工程中，流场的测验是其中的一个重要组成部分，声学测量具有快速、准确、便捷等优点，流场的声学特性研究不仅在舰船消隐、尾流自导鱼雷等军事领域需求迫切，而且在港口河道岸基冲刷，水库流量监测等民用领域的作用也日益突出，空间流场特性研究日益受到各科学与技术研究领域的重视。

条带测深声纳是多波束测深声纳的一种，广泛应用于海底测深领域。其原理是利用发射换能器基阵向海底发射宽覆盖扇区的声波，并由接收换能器基阵对海底回波进行窄波束接收，通过发射、接收波束相交在海底与船行方向垂直的条带区域，并通过波束形成来测量一整个条带的深度信息。多波束测深声纳已成为国内外海洋科学研究、海底资源开发、海洋工程建设等海洋活动中最主要的海洋调查勘测仪器之一。当前多波束测深声纳朝着超宽覆盖、高分辨、高精度、多功能一体化探测的趋势发展，在超宽覆盖基阵技术、海底散射信号精细信号处理技术、声学海底分类技术、多波束测深声纳现场校准与实验室精密评估技术等仍充满了巨大的挑战。

流速是重要的流场特性，流速的测量早期是采用驻点法的机械测量方式，随着声学技术的发展，人们开始采用声学的测量方法，早期的声学测量对方法就是用来测量两点之间的相对流速，随着多普勒流速剖面仪的出现(以下简称ADCP)，声学多普勒流速测量技术进入了一个全新的发展阶段，改变了以往测流时两点之间必须均匀分布的限制，实现了分层测流，大大提高流速测量的效果，配合GPS可以实现大范围的扫描测量。

但是ADCP的测流时假设流速必须有水平均匀性，即只能在深度方向对水流实现分层，这一假设只有在海洋的大范围流场情况下才能基本满足，对于中小型河流的流场难以成立。这是因为河流的宽度有限，常常是中心流速快而两边流速慢，另一方面是自然情况下河流固有的弯曲特性，流场会随着河流地形的变化而改变，此时流场的水平均匀性难以保证，流速测量受到很大的限制，难以精确估计水平流场变化。

解决水平流场不均匀的测量问题，传统的办法是采用物理建模的方法，对河流和流场进行建模分析，但是建模的方法只能解决自然流场的测量，且难以适应复杂多变的河流地形变化。除了自然流场之外，人类的航行活动，水中螺旋桨的机械搅动都会对影响流场特性，产生人为的非均匀流场。非均匀性包括两个方面，一是流速的不均匀性，二是散射体的散射强度的不均匀性，比如机械搅动带来的气泡。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，在测得多波束分层径向多普勒的基础上，在非对称的两个测量扇面内分别选取两个对应的波束分层测量点，组成一组四波束分层测量点，依次选取多组合成三维流速，实现了空间流场的非均匀水流速度估计。

技术方案：一种基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，包括如下步骤：

(1)选取两个非对称测量扇面，并设定标准层厚；

(2)分时测量两个扇面的多波束分层径向多普勒频偏；

(3)在非对称的两个测量扇面内分别选取两个对应的波束分层测量点，组成一组四波束分层测量点；

(4)多波束三维流速合成及坐标转换；