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一種適用于聲學(xué)多普勒流速儀的數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)與應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種適用于聲學(xué)多普勒流速儀的數(shù)據(jù)后處理軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)包括軟件系統(tǒng)打開、ADV數(shù)據(jù)載入、ADV數(shù)據(jù)處理和ADV信息共享輸出四個(gè)部分。ADV數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)類別判定模塊、數(shù)據(jù)過濾模塊和后處理分析模塊，數(shù)據(jù)類別判定模塊包括單點(diǎn)ADV數(shù)據(jù)判定塊和多點(diǎn)垂線ADV數(shù)據(jù)判定塊，數(shù)據(jù)過濾模塊可采用相位空間臨界值過濾塊等一種或多種方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，后處理分析模塊可將單點(diǎn)或多點(diǎn)垂線數(shù)據(jù)平均值和紊動(dòng)值進(jìn)行計(jì)算處理，ADV信息共享輸出可將處理分析好的數(shù)據(jù)以表格和圖像的形式輸出，并存儲(chǔ)和打印。本發(fā)明兼容性強(qiáng)，適用于市場上的各種版本的聲學(xué)多普勒流速儀，計(jì)算精確，大大縮減數(shù)據(jù)后處理分析時(shí)間，操作簡單，易于上手。
【專利說明】一種適用于聲學(xué)多普勒流速儀的數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)與應(yīng)用
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于聲學(xué)多普勒流速儀的數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)與應(yīng)用，屬于水利、海洋【技術(shù)領(lǐng)域】。
二、【背景技術(shù)】
[0002]運(yùn)用脈沖技術(shù)為基本工作原理的聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)已投向市場使用超過二十年的時(shí)間。自從20世紀(jì)90年代初推出以來，因其所測量的流速數(shù)據(jù)具有低干擾、高精度和低噪聲的特點(diǎn)，使其成為在困難的環(huán)境中進(jìn)行流速監(jiān)測的第一選擇。然而，早期版本的ADV所收集到的數(shù)據(jù)容易被多普勒噪聲所污染。在2006年左右，挪威的Nortek公司推出了“小威龍”點(diǎn)式流速儀，該設(shè)備擁有四個(gè)傳感接收器間隔90°方位角，而不是傳統(tǒng)的三接收器120°方位角，它同時(shí)擁有一個(gè)更為細(xì)長的信號(hào)發(fā)射探頭，所有這些變化大大降低了多普勒噪聲變化對于數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，進(jìn)而使得“小威龍”成為進(jìn)行采樣流速監(jiān)測的更佳選擇。但原始的“小威龍”因其單向靜態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，僅能進(jìn)行單點(diǎn)流速的監(jiān)測。為解決這一問題，Nortek公司最新研發(fā)的“小威龍二代”剖面流速儀采用了更加先進(jìn)的雙向靜態(tài)多普勒分析系統(tǒng)。此系統(tǒng)的應(yīng)用大大增加了用戶的使用效率，保證用戶可以同時(shí)收集一個(gè)長達(dá)3.5厘米的三維立體區(qū)域的流速數(shù)據(jù)。
[0003]眾所周知，因儀器自身的局限性，所有聲學(xué)多普勒流速儀所測的數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行過濾處理才可用于進(jìn)一步的流態(tài)分析。國內(nèi)外市面上現(xiàn)有的最受到大家認(rèn)可的ADV數(shù)據(jù)后處理軟件是《WinADV》，但是因其所發(fā)明年代是ADV發(fā)展的初期，所以只適用于處理原始的點(diǎn)式三接收器的流速儀所測的數(shù)據(jù)，較難兼容Nortek公司的四傳感接收器流速儀，對于Nortek公司的最新多普勒流速儀“小威龍二代”所測量的結(jié)果更不具備處理能力。對于目前較為先進(jìn)的流速儀數(shù)據(jù)處理，國內(nèi)外技術(shù)人員多根據(jù)工程或研究目的自己選擇編程處理，處理過程需要很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)性。
[0004]與此同時(shí)，水利工程領(lǐng)域的研究者們在對原始聲學(xué)多普勒流速儀數(shù)據(jù)過濾處理以后往往會(huì)繼續(xù)深入挖掘測點(diǎn)或者測量區(qū)域的各種紊動(dòng)特性，例如紊動(dòng)強(qiáng)度、雷諾切應(yīng)力等，盡管這些特性的物理意義較為普及，但是通過編程計(jì)算獲取最終結(jié)果對于該領(lǐng)域的初級(jí)研究者或者相關(guān)工程人員較為困難和耗時(shí)。目前國內(nèi)外市場上沒有一款功能比較完善的聲學(xué)多普勒流速儀數(shù)據(jù)過濾以及后處理分析系統(tǒng)，可以做到兼容處理最新的Nortek “小威龍二代”剖面流速儀的多點(diǎn)剖面式流速數(shù)據(jù)。
[0005]本發(fā)明綜合考慮各種經(jīng)典數(shù)據(jù)過濾方法，提供一套具有數(shù)據(jù)過濾和紊動(dòng)特性值后處理分析的全新獨(dú)立的系統(tǒng)，可以同時(shí)兼容各種版本的聲學(xué)多普勒流速儀所收集的單點(diǎn)或多點(diǎn)剖面式流速數(shù)據(jù)。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明旨在提供一種具有數(shù)據(jù)過濾和紊動(dòng)特性值后處理分析的系統(tǒng)與應(yīng)用，可以同時(shí)兼容各種版本的聲學(xué)多普勒流速儀所收集的單點(diǎn)或多點(diǎn)剖面式流速數(shù)據(jù)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種適用于聲學(xué)多普勒流速儀的數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括系統(tǒng)打開、ADV數(shù)據(jù)載入、ADV數(shù)據(jù)處理和ADV信息共享輸出四個(gè)部分，其中ADV數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)類別判定模塊、數(shù)據(jù)過濾模塊和后處理分析模塊，ADV信息共享輸出包括表格和圖像輸出、存儲(chǔ)、生成電子文檔、打??；所述的數(shù)據(jù)類別判定模塊包括單點(diǎn)ADV數(shù)據(jù)判定塊和多點(diǎn)垂線ADV數(shù)據(jù)判定塊，所述的數(shù)據(jù)過濾模塊包含相位空間臨界值過濾塊、加速度臨界值過濾塊、關(guān)聯(lián)率過濾塊、信號(hào)噪聲率過濾塊和流速區(qū)間過濾塊，所述的后處理分析模塊分為單點(diǎn)數(shù)據(jù)分析和多點(diǎn)垂線數(shù)據(jù)分析，其中單點(diǎn)數(shù)據(jù)分析內(nèi)容包括流速時(shí)間序列分析、時(shí)均流速分析、流速標(biāo)準(zhǔn)差分析、流速方差分析、流速偏態(tài)和峰態(tài)分析、雷諾應(yīng)力分析、紊動(dòng)強(qiáng)度分析、湍流動(dòng)能分析、快速傅里葉變化能量譜分析，多點(diǎn)垂線數(shù)據(jù)分析內(nèi)容包括多點(diǎn)流速時(shí)間序列分析、多點(diǎn)時(shí)均流速分析、垂線多點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差分析、垂線多點(diǎn)流速方差分析、垂線多點(diǎn)流速偏態(tài)和峰態(tài)分析、垂線多點(diǎn)雷諾應(yīng)力分析、垂線多點(diǎn)紊動(dòng)強(qiáng)度分析、垂線多點(diǎn)湍流動(dòng)能分析、快速傅里葉變化能量譜分析。
[0008]所述的一種適用于聲學(xué)多普勒流速儀的數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)的應(yīng)用包括以下步驟:
[0009](I)系統(tǒng)進(jìn)入初始狀態(tài)；
[0010](2)將采集到的單點(diǎn)或多點(diǎn)垂線ADV數(shù)據(jù)載入系統(tǒng)；
[0011](3)首先對ADV數(shù)據(jù)類別進(jìn)行判定，并選擇所述數(shù)據(jù)過濾模塊包含的相位空間臨界值過濾塊、加速度臨界值過濾塊、關(guān)聯(lián)率過濾塊、信號(hào)噪聲率過濾塊和流速區(qū)間過濾塊中的一種或多種數(shù)據(jù)過濾塊對ADV數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，然后根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理分析；
[0012](4)將處理分析好的數(shù)據(jù)以表格和圖像的形式輸出，在數(shù)據(jù)庫或計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)，并生成電子文檔和對相應(yīng)文檔進(jìn)行打印。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0014](I)具有較強(qiáng)的兼容性，可以適用于市場上的各種版本的聲學(xué)多普勒流速儀，首次實(shí)現(xiàn)了對于剖面流速儀的垂線數(shù)據(jù)的直接處理；
[0015](2)多種數(shù)據(jù)過濾方法的組合可以使最終流速及測點(diǎn)的紊動(dòng)特性計(jì)算更為精確；
[0016](3)各種紊動(dòng)特性值的直接輸出大大縮減研究人員進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理分析的時(shí)間；
[0017](4)操作簡單，易于上手，適用于各個(gè)層次的研究人員和工程人員。
四、【專利附圖】

【附圖說明】:
[0018]圖1為本發(fā)明所提供的整體流程圖。
[0019]圖2為本發(fā)明所提供的局部模塊流程圖。
[0020]附圖標(biāo)記說明:
[0021 ] 模塊1-數(shù)據(jù)類別判定模塊，模塊2-數(shù)據(jù)過濾模塊，模塊3-后處理分析模塊，模塊4-信息共享輸出模塊。
五、【具體實(shí)施方式】:
[0022]本發(fā)明的一種適用于聲學(xué)多普勒流速儀的數(shù)據(jù)后處理軟件的流程圖如圖1所示?，F(xiàn)結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)一步說明。[0023]實(shí)施例1:
[0024]參見圖1和圖2，一種適用于聲學(xué)多普勒流速儀的數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)與應(yīng)用，其特征在于:該系統(tǒng)包括系統(tǒng)打開、ADV數(shù)據(jù)載入、ADV數(shù)據(jù)處理和ADV信息共享輸出四個(gè)部分，其中ADV數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)類別判定模塊、數(shù)據(jù)過濾模塊和后處理分析模塊，ADV信息共享輸出包括表格和圖像輸出、存儲(chǔ)、生成電子文檔、打??；所述的數(shù)據(jù)類別判定模塊包括單點(diǎn)ADV數(shù)據(jù)判定塊和多點(diǎn)垂線ADV數(shù)據(jù)判定塊，所述的數(shù)據(jù)過濾模塊包含相位空間臨界值過濾塊、加速度臨界值過濾塊、關(guān)聯(lián)率過濾塊、信號(hào)噪聲率過濾塊和流速區(qū)間過濾塊，所述的后處理分析模塊分為單點(diǎn)數(shù)據(jù)分析和多點(diǎn)垂線數(shù)據(jù)分析，其中單點(diǎn)數(shù)據(jù)分析內(nèi)容包括流速時(shí)間序列分析、時(shí)均流速分析、流速標(biāo)準(zhǔn)差分析、流速方差分析、流速偏態(tài)和峰態(tài)分析、雷諾應(yīng)力分析、紊動(dòng)強(qiáng)度分析、湍流動(dòng)能分析、快速傅里葉變化能量譜分析，多點(diǎn)垂線數(shù)據(jù)分析內(nèi)容包括多點(diǎn)流速時(shí)間序列分析、多點(diǎn)時(shí)均流速分析、垂線多點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差分析、垂線多點(diǎn)流速方差分析、垂線多點(diǎn)流速偏態(tài)和峰態(tài)分析、垂線多點(diǎn)雷諾應(yīng)力分析、垂線多點(diǎn)紊動(dòng)強(qiáng)度分析、垂線多點(diǎn)湍流動(dòng)能分析、快速傅里葉變化能量譜分析。
[0025]所述的一種適用于聲學(xué)多普勒流速儀的數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)的應(yīng)用包括包括以下步驟:
[0026](I)系統(tǒng)進(jìn)入初始狀態(tài)；
[0027](2)將采集到的單點(diǎn)或多點(diǎn)垂線ADV數(shù)據(jù)載入系統(tǒng)；
[0028](3)對ADV數(shù)據(jù)進(jìn)行處理:
[0029]首先，對ADV數(shù)據(jù)類別進(jìn)行判定，判定為單點(diǎn)或多點(diǎn)ADV數(shù)據(jù)； [0030]其次，選擇一種或多種數(shù)據(jù)過濾塊對ADV數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，本系統(tǒng)共包含五種不同的過濾方式，對于每一個(gè)點(diǎn)流速的數(shù)據(jù)集合，本系統(tǒng)將把多個(gè)接收器所得的時(shí)間序列流速數(shù)據(jù)逐一分析過濾，各種過濾方式的具體步驟如下:
[0031]A.相位空間臨界值過濾塊:
[0032]①對于一點(diǎn)流速數(shù)據(jù)集合中水流方向接收器(X軸)所得的時(shí)間序列流速數(shù)據(jù)ui，首先計(jì)算出此數(shù)據(jù)組的中位數(shù)，之后將中位數(shù)從數(shù)據(jù)組中每一個(gè)數(shù)據(jù)中減去；
[0033]②通過中心差分近似法來計(jì)算步驟一中得到的數(shù)據(jù)組中每兩個(gè)臨近的數(shù)據(jù)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，對于數(shù)據(jù)組中第一個(gè)和最后一個(gè)數(shù)值，分別通過前向差分近似法和后向差分近似法來求出，具體計(jì)算公式如下:
[0034]一階導(dǎo)數(shù):R，二階導(dǎo)數(shù)
[0035]③對于①中得到的數(shù)據(jù)組以及②中得到的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)組，分別計(jì)算出其標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值(σ)，對于計(jì)算方法，運(yùn)用中位數(shù)絕對偏差(MAD)來間接計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差值，計(jì)算公式如下:
[0036]ο =1.4826MAD
[0037]④通過③得到的標(biāo)準(zhǔn)差值，計(jì)算出三個(gè)相對應(yīng)的期望絕對最大值(Em)用于接下來的相位空間比較，具體計(jì)算方式如下:
[0038]￡., =χ σ
[0039]⑤對應(yīng)的三個(gè)期望最大值，計(jì)算出每兩個(gè)之間的軸線的夾角，由于對稱的關(guān)系，原始數(shù)據(jù)和一階導(dǎo)數(shù)之間的夾角以及原始數(shù)據(jù)和二階導(dǎo)數(shù)之間的夾角為0°，對于一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)之間的夾角，具體計(jì)算方式如下:
[0040]
【權(quán)利要求】
1.一種適用于聲學(xué)多普勒流速儀的數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括系統(tǒng)打開、ADV數(shù)據(jù)載入、ADV數(shù)據(jù)處理和ADV信息共享輸出四個(gè)部分，其中ADV數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)類別判定模塊、數(shù)據(jù)過濾模塊和后處理分析模塊，ADV信息共享輸出包括表格和圖像輸出、存儲(chǔ)、生成電子文檔、打?。凰龅臄?shù)據(jù)類別判定模塊包括單點(diǎn)ADV數(shù)據(jù)判定塊和多點(diǎn)垂線ADV數(shù)據(jù)判定塊，所述的數(shù)據(jù)過濾模塊包含相位空間臨界值過濾塊、加速度臨界值過濾塊、關(guān)聯(lián)率過濾塊、信號(hào)噪聲率過濾塊和流速區(qū)間過濾塊，所述的后處理分析模塊分為單點(diǎn)數(shù)據(jù)分析和多點(diǎn)垂線數(shù)據(jù)分析，其中單點(diǎn)數(shù)據(jù)分析內(nèi)容包括流速時(shí)間序列分析、時(shí)均流速分析、流速標(biāo)準(zhǔn)差分析、流速方差分析、流速偏態(tài)和峰態(tài)分析、雷諾應(yīng)力分析、紊動(dòng)強(qiáng)度分析、湍流動(dòng)能分析、快速傅里葉變化能量譜分析，多點(diǎn)垂線數(shù)據(jù)分析內(nèi)容包括多點(diǎn)流速時(shí)間序列分析、多點(diǎn)時(shí)均流速分析、垂線多點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差分析、垂線多點(diǎn)流速方差分析、垂線多點(diǎn)流速偏態(tài)和峰態(tài)分析、垂線多點(diǎn)雷諾應(yīng)力分析、垂線多點(diǎn)紊動(dòng)強(qiáng)度分析、垂線多點(diǎn)湍流動(dòng)能分析、快速傅里葉變化能量譜分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種適用于聲學(xué)多普勒流速儀的數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)的應(yīng)用包括包括以下步驟: (1)系統(tǒng)進(jìn)入初始狀態(tài)； (2)將采集到的單點(diǎn)或多點(diǎn)垂線ADV數(shù)據(jù)載入系統(tǒng)； (3)首先對ADV數(shù)據(jù)類別進(jìn)行判定，并選擇所述數(shù)據(jù)過濾模塊包含的相位空間臨界值過濾塊、加速度臨界值過濾塊、關(guān)聯(lián)率過濾塊、信號(hào)噪聲率過濾塊和流速區(qū)間過濾塊中的一種或多種數(shù)據(jù)過濾方法對ADV數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，然后根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理分析； (4)將處理分析好的數(shù)據(jù)以表格和圖像的形式輸出，在數(shù)據(jù)庫或計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)，并生成電子文檔和對相應(yīng)文檔進(jìn)行打印。
【文檔編號(hào)】G01P5/24GK103995147SQ201410186774
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】管大為, 徐振山, 許春陽, 安子文, 吳志鋼 申請人:河海大學(xué)