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摘要：BBADCP宽带声学多普勒流量剖面仪是一种单基地声呐装置，主要用于海流和河流流速的测量，其测量原理是向水流发射出宽带脉冲信号，通过对宽带脉冲信号的分析的多普勒频移量来获取到流速的相关信息。新的BBADCP数字信号处理算法使用数字混频、带通采样等形式来取代传统模拟频器的设计，以便简化电路设计，保证信号处理运算量以及I/Q通道平衡。数字混频技术的应用实现了多普勒频移高精度的分析，这种算法也避免了传统的希尔伯特算法，将数字计算步骤精简化，这不仅提高了计算的精度，也在一定程度上降低对计算机硬件系统的运行要求。本文主要探讨新的BBADCP数字信号处理算法的设计。
关键词：新的BBADCP数字信号处理算法 设计 研究
BBADCP宽带声学多普勒流量剖面仪是一种单基地声呐装置，主要用于海流和河流流速的测量，最早发展于上世纪90年代，BBADCP宽带声学多普勒流量剖面仪使用相干编码宽带信号来测量水流速度，可以有效解决传统窄带声学多普勒流速剖面仪速度分辨率与距离分辨率之间的矛盾，具有很好的抗干扰能力和较好的信噪比，已经逐渐成为现阶段国内外水声测量的主导性技术，但是由于其宽带回波信号是由各种散射回波与水流散射的信号相结合，就需要使用水体散射建模的方式来进行信号处理。BBADCP宽带声学多普勒流量剖面仪的测量原理是向水流发射出宽带脉冲信号，通过对宽带脉冲信号的分析的多普勒频移量来获取到流速的相关信息。由于各种技术水平的限制，旧的BBADCP系统中有着较多的模拟环节，可靠性能较低，难以保证信号处理运算量以及I/Q通道平衡，具有较大的缺陷，为了更精确地获取到水流流速，必须研究一种新的BBADCP数字信号处理算法。为此，可以将软件的无线电思想与BBADCP数字信号处理算法相融合，使用数字混频、带通采样等形式来取代传统模拟频器的设计，以便简化电路设计，保证信号处理运算量以及I/Q通道平衡。数字混频技术的应用实现了多普勒频移高精度的分析，这种算法也避免了传统的希尔伯特算法，将数字计算步骤精简化，这不仅提高了计算的精度，也在一定程度上降低对计算机硬件系统的运行要求。
1 新的BBADCP原理框架简介
BBADCP最早由美国专家BlairH.Brumley发明，BB-
ADCP使用了测量多普勒频移，在一定程度上提升单次测量的精度，也有效提升距离-速度分辨率乘积和剖面的范围，克服了传统测量技术的缺点，可以对水流动力进行精细的研究，尤其是喷射、内浪、迂流、漩涡、小范围扰动等情况，十分适宜用在较浅河流和海流流量的测量。但是，对于水文观测而言，由于河水会出现摇摆的情况，对于河流的流速，特别是汛期流速的测量工作十分困难，在河流的汛期，河水流量变化快，那么在变动的过程中必须要完成整个测量过程，采用传统的BBADCP需要花费较长的时间，测量出的结果并不准确。将数字混频、带通采样等技术融入到BBADCP数字信号处理算法中可以有效解决传统BBADCP测量方式的缺陷，下面就根据实际的情况研究新的BBADCP数字信号处理算法设计。
一般情况下，BBADCP结构包括换能器、放大器、匹
配网络与双工器、模拟I/Q下变频器、正交本振信号发生器、I/Q通道低通滤波器以及DSP芯片等部分，整个系统中的模拟期间很多，其处理的方式主要是以模拟处理方式为主，但是模拟器件常常会带来相位失真、非线性失真、通道宽度不一致等问题，会导致测量的误差增加。因此，必须要探讨一种新的计算方法来减少模拟电路的环节，为此，
可以使用DSP芯片和高速模数芯片。
2 新的BBADCP数字信号处理算法
为了在最大程度上减小测量的误差，新的BBADCP数字信号处理算法会在最大程度上减少对电力环节的模拟，这就可以使用DSP芯片和高速模数芯片来实现，但是，使用DSP芯片和高速模数芯片也会带来一系列新的问题，其中最为突出的问题就是DSP计算量的增加。举例来说，如果想要获取10Hz频率分辨率，需要0.1s的时间来进行数据测量工作，如果要获取3Hz的频率分辨率，在0.1s的时间之内必须最少采集300000个采样点数，如果使用常规的信号处理器，其储存容量以及处理信号需要的时间都难以达到以上的需求，因此，这种方式并不符合实际要求。因此，本文也根据新的BBADCP数字信号处理算法的实际要求，提出一种新型处理技术，以便实现实时处理数据和高频率分辨率数据的有机统一。这种计算方法的中心思想是软件无线电，使用一个采样模数转换器来替代模拟混频器，以便实现变频变换信号的接受。与传统的BBADCP数字信号处理算法相比，新的BBADCP数字信号处理算法采样频率是传统信号带宽的两倍，这种采样频率大大地低于奈奎斯特采样频率。为了更加有效地避免采样频率的重合，应该选择输入信号带宽、采样频率以及输入信号最高频率。这种新的采样技术可以将信号更换至低频，也并不需要安装混频器。在完成以上工序之后，就需要将频谱转移至零频率，这种转换手段可以通过混频器软件来实现，如果要将实数的采样数据转换为复数式的包络数据，可以通过希尔伯特方式进行转换，但是使用这种方式的复杂度较高，如果将滤波、混频这两种方案分别进行实时处理，运算量也较大，操作起来也相对困难。为此，可以将低通滤波信号降低，降低采样的频率，以便在最大程度上减少使用多普列频移计算工作量。新的BBADCP数字信号处理算法可以将抽取、滤波、混频这三个结算进行优化，也可以有效避免希尔伯特变换法在其中的应用。在常规的算术计算完成之后，可以有效降低运算的时间，与此同时，也可以减少运算过程中需要的内存单元。由于BBADCP脉冲信号的长度较短，远远比0.1s要小，并不适宜使用FFT来求多普勒频移，因此，在算法的选择上要将信号从传统的时域变为直接求频谱的方式来进行，在进行时域的相关计算时，可以通过数据相位测量方式来求出多普勒频移信息，这种计算方式可以很好地计算出频率分辨率和时间分辨率。
3 结语
新的BBADCP数字信号处理算法与传统BBADCP数字信号处理算法相比而言具有以下几个特点：第一，新的BBADCP数字信号处理算法实现了电路结构最大限度的转换，也减少了模拟缓解的使用；第二，新的BBADCP数字信号处理算法实现了软件的混频，可以保证I/Q信道平衡度，也可以将多种计算步骤进行优化，将数字处理过程简化，有效节约计算机软件系统的计算时间；第三，新的BBADCP数字信号处理算法代替了多普勒频移，可以获得最好的频率分辨率和最高的时间。这种新的BBADCP数字信号处理算法将软件无线电思想融入到计算过程中，可以有效提升BBADCP数字信号处理算法的性能，值得在海流和河流流速的测量中进行推广和应用。
参考文献：
[1]朱昌平，张红苹，王森.新的BBADCP数字信号处理算法设计[J].仪器仪表学报，2006，12（30）：89-90.
[2]常青青，艾红，邓大伟.数字信号处理算法在DSP上的实现[J].制造业自动化，2011，06（25）：25-26.
[3]秦明暖，王丽华，许东.数字载波锁相环及其数字信号处理技术[J].中国电子学会第七届学术年会论文集，2009，07（01）：78-79.
[4]冷用斌，易星，赖龙伟，黄国庆，阎映炳，赵雷，严晗，陈凯，邬维浩，安琪.新型数字BPM信号处理器研制进展[J].核技术，2011，05（10）.
[5]王森，林善明，朱昌平.宽带声学多普勒流量剖面仪的系统仿真[J].声学技术，2002，3（02）.
作者简介：徐向美（1983-），女，山东莱阳人，教师，助教，研究方向：电路系统设计与智能化设备。
关键词：新的BBADCP数字信号处理算法 设计 研究
BBADCP宽带声学多普勒流量剖面仪是一种单基地声呐装置，主要用于海流和河流流速的测量，最早发展于上世纪90年代，BBADCP宽带声学多普勒流量剖面仪使用相干编码宽带信号来测量水流速度，可以有效解决传统窄带声学多普勒流速剖面仪速度分辨率与距离分辨率之间的矛盾，具有很好的抗干扰能力和较好的信噪比，已经逐渐成为现阶段国内外水声测量的主导性技术，但是由于其宽带回波信号是由各种散射回波与水流散射的信号相结合，就需要使用水体散射建模的方式来进行信号处理。BBADCP宽带声学多普勒流量剖面仪的测量原理是向水流发射出宽带脉冲信号，通过对宽带脉冲信号的分析的多普勒频移量来获取到流速的相关信息。由于各种技术水平的限制，旧的BBADCP系统中有着较多的模拟环节，可靠性能较低，难以保证信号处理运算量以及I/Q通道平衡，具有较大的缺陷，为了更精确地获取到水流流速，必须研究一种新的BBADCP数字信号处理算法。为此，可以将软件的无线电思想与BBADCP数字信号处理算法相融合，使用数字混频、带通采样等形式来取代传统模拟频器的设计，以便简化电路设计，保证信号处理运算量以及I/Q通道平衡。数字混频技术的应用实现了多普勒频移高精度的分析，这种算法也避免了传统的希尔伯特算法，将数字计算步骤精简化，这不仅提高了计算的精度，也在一定程度上降低对计算机硬件系统的运行要求。
1 新的BBADCP原理框架简介
BBADCP最早由美国专家BlairH.Brumley发明，BB-
ADCP使用了测量多普勒频移，在一定程度上提升单次测量的精度，也有效提升距离-速度分辨率乘积和剖面的范围，克服了传统测量技术的缺点，可以对水流动力进行精细的研究，尤其是喷射、内浪、迂流、漩涡、小范围扰动等情况，十分适宜用在较浅河流和海流流量的测量。但是，对于水文观测而言，由于河水会出现摇摆的情况，对于河流的流速，特别是汛期流速的测量工作十分困难，在河流的汛期，河水流量变化快，那么在变动的过程中必须要完成整个测量过程，采用传统的BBADCP需要花费较长的时间，测量出的结果并不准确。将数字混频、带通采样等技术融入到BBADCP数字信号处理算法中可以有效解决传统BBADCP测量方式的缺陷，下面就根据实际的情况研究新的BBADCP数字信号处理算法设计。
一般情况下，BBADCP结构包括换能器、放大器、匹
配网络与双工器、模拟I/Q下变频器、正交本振信号发生器、I/Q通道低通滤波器以及DSP芯片等部分，整个系统中的模拟期间很多，其处理的方式主要是以模拟处理方式为主，但是模拟器件常常会带来相位失真、非线性失真、通道宽度不一致等问题，会导致测量的误差增加。因此，必须要探讨一种新的计算方法来减少模拟电路的环节，为此，
可以使用DSP芯片和高速模数芯片。
2 新的BBADCP数字信号处理算法
为了在最大程度上减小测量的误差，新的BBADCP数字信号处理算法会在最大程度上减少对电力环节的模拟，这就可以使用DSP芯片和高速模数芯片来实现，但是，使用DSP芯片和高速模数芯片也会带来一系列新的问题，其中最为突出的问题就是DSP计算量的增加。举例来说，如果想要获取10Hz频率分辨率，需要0.1s的时间来进行数据测量工作，如果要获取3Hz的频率分辨率，在0.1s的时间之内必须最少采集300000个采样点数，如果使用常规的信号处理器，其储存容量以及处理信号需要的时间都难以达到以上的需求，因此，这种方式并不符合实际要求。因此，本文也根据新的BBADCP数字信号处理算法的实际要求，提出一种新型处理技术，以便实现实时处理数据和高频率分辨率数据的有机统一。这种计算方法的中心思想是软件无线电，使用一个采样模数转换器来替代模拟混频器，以便实现变频变换信号的接受。与传统的BBADCP数字信号处理算法相比，新的BBADCP数字信号处理算法采样频率是传统信号带宽的两倍，这种采样频率大大地低于奈奎斯特采样频率。为了更加有效地避免采样频率的重合，应该选择输入信号带宽、采样频率以及输入信号最高频率。这种新的采样技术可以将信号更换至低频，也并不需要安装混频器。在完成以上工序之后，就需要将频谱转移至零频率，这种转换手段可以通过混频器软件来实现，如果要将实数的采样数据转换为复数式的包络数据，可以通过希尔伯特方式进行转换，但是使用这种方式的复杂度较高，如果将滤波、混频这两种方案分别进行实时处理，运算量也较大，操作起来也相对困难。为此，可以将低通滤波信号降低，降低采样的频率，以便在最大程度上减少使用多普列频移计算工作量。新的BBADCP数字信号处理算法可以将抽取、滤波、混频这三个结算进行优化，也可以有效避免希尔伯特变换法在其中的应用。在常规的算术计算完成之后，可以有效降低运算的时间，与此同时，也可以减少运算过程中需要的内存单元。由于BBADCP脉冲信号的长度较短，远远比0.1s要小，并不适宜使用FFT来求多普勒频移，因此，在算法的选择上要将信号从传统的时域变为直接求频谱的方式来进行，在进行时域的相关计算时，可以通过数据相位测量方式来求出多普勒频移信息，这种计算方式可以很好地计算出频率分辨率和时间分辨率。
3 结语
新的BBADCP数字信号处理算法与传统BBADCP数字信号处理算法相比而言具有以下几个特点：第一，新的BBADCP数字信号处理算法实现了电路结构最大限度的转换，也减少了模拟缓解的使用；第二，新的BBADCP数字信号处理算法实现了软件的混频，可以保证I/Q信道平衡度，也可以将多种计算步骤进行优化，将数字处理过程简化，有效节约计算机软件系统的计算时间；第三，新的BBADCP数字信号处理算法代替了多普勒频移，可以获得最好的频率分辨率和最高的时间。这种新的BBADCP数字信号处理算法将软件无线电思想融入到计算过程中，可以有效提升BBADCP数字信号处理算法的性能，值得在海流和河流流速的测量中进行推广和应用。
参考文献：
[1]朱昌平，张红苹，王森.新的BBADCP数字信号处理算法设计[J].仪器仪表学报，2006，12（30）：89-90.
[2]常青青，艾红，邓大伟.数字信号处理算法在DSP上的实现[J].制造业自动化，2011，06（25）：25-26.
[3]秦明暖，王丽华，许东.数字载波锁相环及其数字信号处理技术[J].中国电子学会第七届学术年会论文集，2009，07（01）：78-79.
[4]冷用斌，易星，赖龙伟，黄国庆，阎映炳，赵雷，严晗，陈凯，邬维浩，安琪.新型数字BPM信号处理器研制进展[J].核技术，2011，05（10）.
[5]王森，林善明，朱昌平.宽带声学多普勒流量剖面仪的系统仿真[J].声学技术，2002，3（02）.
作者简介：徐向美（1983-），女，山东莱阳人，教师，助教，研究方向：电路系统设计与智能化设备。