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光学多普勒差分流速仪数据解调方法验证

张治军 宋冉 蒋莉莉 张欣雨 李冰冰 陈胜功 苏娟 吴锜

张治军, 宋冉, 蒋莉莉, 张欣雨, 李冰冰, 陈胜功, 苏娟, 吴锜. 光学多普勒差分流速仪数据解调方法验证[J]. 红外与激光工程, 2024, 53(4): 20240094. doi: 10.3788/IRLA20240094
引用本文: 张治军, 宋冉, 蒋莉莉, 张欣雨, 李冰冰, 陈胜功, 苏娟, 吴锜. 光学多普勒差分流速仪数据解调方法验证[J]. 红外与激光工程, 2024, 53(4): 20240094. doi: 10.3788/IRLA20240094
Zhang Zhijun, Song Ran, Jiang Lili, Zhang Xinyu, Li Bingbing, Chen Shenggong, Su Juan, Wu Chi. Verification of demodulation method for differential optical Doppler velocimetry data[J]. Infrared and Laser Engineering, 2024, 53(4): 20240094. doi: 10.3788/IRLA20240094
Citation: Zhang Zhijun, Song Ran, Jiang Lili, Zhang Xinyu, Li Bingbing, Chen Shenggong, Su Juan, Wu Chi. Verification of demodulation method for differential optical Doppler velocimetry data[J]. Infrared and Laser Engineering, 2024, 53(4): 20240094. doi: 10.3788/IRLA20240094

光学多普勒差分流速仪数据解调方法验证

doi: 10.3788/IRLA20240094
基金项目: 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)基金项目(GML2021GD0808)
详细信息
    作者简介:

    张治军,男,硕士生,主要从事激光多普勒测速方面的研究

  • 中图分类号: TN911.7

Verification of demodulation method for differential optical Doppler velocimetry data

Funds: Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou) (GML2021GD0808)
  • 摘要: 光学多普勒差分流速仪在测量海水流速时,由于信号微弱和噪声干扰,接收信号信噪比很低,信号解调面临挑战,可能导致较大的测量误差。为了准确解调埋藏在噪声中的信号并获取速度信息,需要对获取的海试测量数据进行进一步算法处理。采用自适应滤波算法有效降低了多普勒信号中混杂的高频噪声干扰,提高了海试原始数据频域信号的信噪比,并利用寻峰算法更准确地获取了谱峰值。结果表明,与直接读取原始数据的谱峰值相比,经过该算法处理后,激光差分多普勒流速仪与声学多普勒流速仪比测的流速拟合度平均误差为0.2163 cm/s,误差降低了25.5%,表明该算法对激光多普勒测速信号解调是有帮助的。
  • 图  1  (a)双光束-双散射原理光路结构示意图(LD:激光器,SMF:单模光纤,Splitter:分束器,Collimator:准直器,Focus lens:聚焦透镜,DSO:数字示波器,PC:电脑);(b)光学系统样机海试现场照片

    Figure  1.  (a) Schematic diagram of the optical path structure of the double beam-double scattering principle (LD: laser, SMF: single-mode fiber, Splitter: beam splitter, Collimator: collimator, Focus Lens: focusing lens, DSO: digital oscilloscope, PC: computer); (b) Sea test photos of the optical system prototype

    图  2  (a)不同算法寻峰误差;(b)不同算法寻峰标准差

    Figure  2.  (a) Peak search error of different algorithms; (b) Standard deviation of peak search for different algorithms

    图  3  (a)经算法处理前后与ADV比测结果;(b)经过算法处理前后与ADV的误差对比

    Figure  3.  (a) Compared with ADV before and after algorithm treatment; (b) Error comparison with ADV before and after algorithmic processing

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出版历程
  • 收稿日期:  2024-02-08
  • 修回日期:  2024-03-11
  • 网络出版日期:  2024-04-25
  • 刊出日期:  2024-04-25

光学多普勒差分流速仪数据解调方法验证

doi: 10.3788/IRLA20240094
    作者简介:

    张治军,男,硕士生,主要从事激光多普勒测速方面的研究

基金项目:  南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)基金项目(GML2021GD0808)
  • 中图分类号: TN911.7

摘要: 光学多普勒差分流速仪在测量海水流速时,由于信号微弱和噪声干扰,接收信号信噪比很低,信号解调面临挑战,可能导致较大的测量误差。为了准确解调埋藏在噪声中的信号并获取速度信息,需要对获取的海试测量数据进行进一步算法处理。采用自适应滤波算法有效降低了多普勒信号中混杂的高频噪声干扰,提高了海试原始数据频域信号的信噪比,并利用寻峰算法更准确地获取了谱峰值。结果表明,与直接读取原始数据的谱峰值相比,经过该算法处理后,激光差分多普勒流速仪与声学多普勒流速仪比测的流速拟合度平均误差为0.2163 cm/s,误差降低了25.5%,表明该算法对激光多普勒测速信号解调是有帮助的。

English Abstract

  • 在物理海洋科学研究中,海水流速是关键参数之一,主要采用声学多普勒流速仪。近年来,激光多普勒技术在海水流速测量中得到了较大的发展。激光差分多普勒流速仪,因其结构简单易于集成,有望成为与声学多普勒流速仪互补的测量技术。其测量原理如图1(a)所示。一束激光在通过单模光纤后被光纤分束器分成功率相等的两束光,再由准直器将两束光准直成平行光束,射入到放置在末端的平凸透镜,其聚焦功能将两束平行光束聚焦到仪器外部的某一点并在此焦点处产生干涉条纹。当水中的粒子经过干涉条纹时产生散射,散射信号被平凸透镜转为平行光汇集到仪器中,进一步经过聚焦透镜投射到雪崩二极管收集并被转为电信号,由示波器对电信号进行采集,然后对采集到的信号进行算法处理并解调出流速[1]图1(b)为光学系统样机在青岛近海海洋环境中测试的现场照片。

    图  1  (a)双光束-双散射原理光路结构示意图(LD:激光器,SMF:单模光纤,Splitter:分束器,Collimator:准直器,Focus lens:聚焦透镜,DSO:数字示波器,PC:电脑);(b)光学系统样机海试现场照片

    Figure 1.  (a) Schematic diagram of the optical path structure of the double beam-double scattering principle (LD: laser, SMF: single-mode fiber, Splitter: beam splitter, Collimator: collimator, Focus Lens: focusing lens, DSO: digital oscilloscope, PC: computer); (b) Sea test photos of the optical system prototype

    相比于声学测速技术,激光差分多普勒流速仪的优势包括:其更短的波长(微米级)可以开展更小尺度的水团研究;搭载到无人水下载具测速时可以抗水下载具自身产生的噪声干扰等[2]。然而,由于海水吸收和散射,所探测到的信号极其微弱而且埋没在较强的噪声当中,对多普勒信号的解调带来了挑战;受制于采样频率,得到的数据谱峰位置与真实频率存在误差。因此,有效去除噪声干扰,提高测量准确度成为了激光多普勒测速仪的关键技术。文中采用自适应滤波算法对采集的信号去噪并进行快速傅里叶变换,提高了信噪比。比较了三种寻峰算法,并优选了Gaussian-LM算法对信号的功率谱进行寻峰处理,使得功率谱峰值位置接近真实的谱峰值,提高了多普勒信号的解调精度,大大降低了噪声带来的误差。

    从大量噪声中精确地提取出多普勒频移是信号处理的关键,而多普勒信号的噪声是非平稳的。因此,可以利用最小均方误差算法对多普勒信号进行有效去噪[3]。快速傅里叶变换可将研究的重心从时域转为频域,更容易分析多普勒频率的规律。

    通过仿真选取最佳的寻峰算法,利用蒙特卡洛算法、高斯拟合算法、Gaussian-LM算法分别对加入噪声的高斯信号进行寻峰并对比测量准确度,结果如图2(a)所示。对多组数据进行寻峰计算,其标准差如图2(b)所示,结果表明,蒙特卡洛算法所展现的寻峰精度最低,Gaussian-LM算法的寻峰精度最高。而且Gaussian-LM算法比其他算法具有更小的标准差、更低的波动范围,稳定性更好。因此,选取Gaussian-LM算法对多普勒信号进行寻峰。

    图  2  (a)不同算法寻峰误差;(b)不同算法寻峰标准差

    Figure 2.  (a) Peak search error of different algorithms; (b) Standard deviation of peak search for different algorithms

    在青岛中苑码头海边基于自研的光学差分多普勒流速仪(LDV)与声学多普勒单点式流速仪(ADV型号: SonTek,Argonaut-ADV),开展了海水流速的比测试验。针对获得的海水流速测量数据开展了算法研究。考虑到两者具有不同的采样率,首先对获得的数据作30分钟平均。由图3(a)可以看出,算法处理前的数据与ADV所测得的流速值趋势一致,但仍存在误差。而经算法处理后的数据,与ADV所测得的数据拟合程度更高。图3(b)为分别用ADV对处理前和处理后的数据求得误差,并计算平均误差。通过误差分析得知,处理前LDV与ADV比测平均误差为0.2905 cm/s,处理后LDV与ADV比测平均误差为0.2163 cm/s,误差降低了25.5%。

    图  3  (a)经算法处理前后与ADV比测结果;(b)经过算法处理前后与ADV的误差对比

    Figure 3.  (a) Compared with ADV before and after algorithm treatment; (b) Error comparison with ADV before and after algorithmic processing

    海水中悬浮粒子对光散射的信号非常微弱。将淹没在噪声中的信号提取出来并解调出流速测信息是激光多普勒流速仪实现准确测量的挑战。文中针对从青岛近海实验中获得的流速数据开展了解调算法的研究。首先通过模拟仿真优选出Gaussian-LM算法作为寻峰算法。针对实际海试中测得的流速数据,基于LMS算法开展了信号去噪并结合Gaussian-LM算法进行寻峰,实现了高精度解调。自研的激光多普勒流速仪与业界著名的声学多普勒流速仪的比测实验数据表明,经过该算法处理之后的流速测量误差为0.21 cm/s,比处理之前的误差降低了25.5%。

参考文献 (3)

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