一種適用于聲學多普勒流速儀的數據后處理系統與應用的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種適用于聲學多普勒流速儀的數據后處理軟件系統。系統包括軟件系統打開、ADV數據載入、ADV數據處理和ADV信息共享輸出四個部分。ADV數據處理包括數據類別判定模塊、數據過濾模塊和后處理分析模塊，數據類別判定模塊包括單點ADV數據判定塊和多點垂線ADV數據判定塊，數據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據進行過濾，后處理分析模塊可將單點或多點垂線數據平均值和紊動值進行計算處理，ADV信息共享輸出可將處理分析好的數據以表格和圖像的形式輸出，并存儲和打印。本發明兼容性強，適用于市場上的各種版本的聲學多普勒流速儀，計算精確，大大縮減數據后處理分析時間，操作簡單，易于上手。
【專利說明】一種適用于聲學多普勒流速儀的數據后處理系統與應用
一、【技術領域】
[0001]本發明涉及一種適用于聲學多普勒流速儀的數據后處理系統與應用，屬于水利、海洋【技術領域】。
二、【背景技術】
[0002]運用脈沖技術為基本工作原理的聲學多普勒流速儀(ADV)已投向市場使用超過二十年的時間。自從20世紀90年代初推出以來，因其所測量的流速數據具有低干擾、高精度和低噪聲的特點，使其成為在困難的環境中進行流速監測的第一選擇。然而，早期版本的ADV所收集到的數據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”點式流速儀，該設備擁有四個傳感接收器間隔90°方位角，而不是傳統的三接收器120°方位角，它同時擁有一個更為細長的信號發射探頭，所有這些變化大大降低了多普勒噪聲變化對于數據質量的影響，進而使得“小威龍”成為進行采樣流速監測的更佳選擇。但原始的“小威龍”因其單向靜態系統設計，僅能進行單點流速的監測。為解決這一問題，Nortek公司最新研發的“小威龍二代”剖面流速儀采用了更加先進的雙向靜態多普勒分析系統。此系統的應用大大增加了用戶的使用效率，保證用戶可以同時收集一個長達3.5厘米的三維立體區域的流速數據。
[0003]眾所周知，因儀器自身的局限性，所有聲學多普勒流速儀所測的數據都需要進行過濾處理才可用于進一步的流態分析。國內外市面上現有的最受到大家認可的ADV數據后處理軟件是《WinADV》，但是因其所發明年代是ADV發展的初期，所以只適用于處理原始的點式三接收器的流速儀所測的數據，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”所測量的結果更不具備處理能力。對于目前較為先進的流速儀數據處理，國內外技術人員多根據工程或研究目的自己選擇編程處理，處理過程需要很強的專業技術性。
[0004]與此同時，水利工程領域的研究者們在對原始聲學多普勒流速儀數據過濾處理以后往往會繼續深入挖掘測點或者測量區域的各種紊動特性，例如紊動強度、雷諾切應力等，盡管這些特性的物理意義較為普及，但是通過編程計算獲取最終結果對于該領域的初級研究者或者相關工程人員較為困難和耗時。目前國內外市場上沒有一款功能比較完善的聲學多普勒流速儀數據過濾以及后處理分析系統，可以做到兼容處理最新的Nortek “小威龍二代”剖面流速儀的多點剖面式流速數據。
[0005]本發明綜合考慮各種經典數據過濾方法，提供一套具有數據過濾和紊動特性值后處理分析的全新獨立的系統，可以同時兼容各種版本的聲學多普勒流速儀所收集的單點或多點剖面式流速數據。
三、
【發明內容】
[0006]本發明旨在提供一種具有數據過濾和紊動特性值后處理分析的系統與應用，可以同時兼容各種版本的聲學多普勒流速儀所收集的單點或多點剖面式流速數據。本發明所采用的技術方案是:
[0007]—種適用于聲學多普勒流速儀的數據后處理系統，其特征在于:該系統包括系統打開、ADV數據載入、ADV數據處理和ADV信息共享輸出四個部分，其中ADV數據處理包括數據類別判定模塊、數據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、生成電子文檔、打印；所述的數據類別判定模塊包括單點ADV數據判定塊和多點垂線ADV數據判定塊，所述的數據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、關聯率過濾塊、信號噪聲率過濾塊和流速區間過濾塊，所述的后處理分析模塊分為單點數據分析和多點垂線數據分析，其中單點數據分析內容包括流速時間序列分析、時均流速分析、流速標準差分析、流速方差分析、流速偏態和峰態分析、雷諾應力分析、紊動強度分析、湍流動能分析、快速傅里葉變化能量譜分析，多點垂線數據分析內容包括多點流速時間序列分析、多點時均流速分析、垂線多點標準差分析、垂線多點流速方差分析、垂線多點流速偏態和峰態分析、垂線多點雷諾應力分析、垂線多點紊動強度分析、垂線多點湍流動能分析、快速傅里葉變化能量譜分析。
[0008]所述的一種適用于聲學多普勒流速儀的數據后處理系統的應用包括以下步驟:
[0009](I)系統進入初始狀態；
[0010](2)將采集到的單點或多點垂線ADV數據載入系統；
[0011](3)首先對ADV數據類別進行判定，并選擇所述數據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、關聯率過濾塊、信號噪聲率過濾塊和流速區間過濾塊中的一種或多種數據過濾塊對ADV數據進行過濾處理，然后根據需要對數據進行后處理分析；
[0012](4)將處理分析好的數據以表格和圖像的形式輸出，在數據庫或計算機中存儲，并生成電子文檔和對相應文檔進行打印。
[0013]本發明的優點在于:
[0014](I)具有較強的兼容性，可以適用于市場上的各種版本的聲學多普勒流速儀，首次實現了對于剖面流速儀的垂線數據的直接處理；
[0015](2)多種數據過濾方法的組合可以使最終流速及測點的紊動特性計算更為精確；
[0016](3)各種紊動特性值的直接輸出大大縮減研究人員進行數據后處理分析的時間；
[0017](4)操作簡單，易于上手，適用于各個層次的研究人員和工程人員。
四、【專利附圖】
【附圖說明】:
[0018]圖1為本發明所提供的整體流程圖。
[0019]圖2為本發明所提供的局部模塊流程圖。
[0020]附圖標記說明:
[0021 ] 模塊1-數據類別判定模塊，模塊2-數據過濾模塊，模塊3-后處理分析模塊，模塊4-信息共享輸出模塊。
五、【具體實施方式】:
[0022]本發明的一種適用于聲學多普勒流速儀的數據后處理軟件的流程圖如圖1所示。現結合【具體實施方式】對本發明進一步說明。[0023]實施例1:
[0024]參見圖1和圖2，一種適用于聲學多普勒流速儀的數據后處理系統與應用，其特征在于:該系統包括系統打開、ADV數據載入、ADV數據處理和ADV信息共享輸出四個部分，其中ADV數據處理包括數據類別判定模塊、數據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、生成電子文檔、打印；所述的數據類別判定模塊包括單點ADV數據判定塊和多點垂線ADV數據判定塊，所述的數據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、關聯率過濾塊、信號噪聲率過濾塊和流速區間過濾塊，所述的后處理分析模塊分為單點數據分析和多點垂線數據分析，其中單點數據分析內容包括流速時間序列分析、時均流速分析、流速標準差分析、流速方差分析、流速偏態和峰態分析、雷諾應力分析、紊動強度分析、湍流動能分析、快速傅里葉變化能量譜分析，多點垂線數據分析內容包括多點流速時間序列分析、多點時均流速分析、垂線多點標準差分析、垂線多點流速方差分析、垂線多點流速偏態和峰態分析、垂線多點雷諾應力分析、垂線多點紊動強度分析、垂線多點湍流動能分析、快速傅里葉變化能量譜分析。
[0025]所述的一種適用于聲學多普勒流速儀的數據后處理系統的應用包括包括以下步驟:
[0026](I)系統進入初始狀態；
[0027](2)將采集到的單點或多點垂線ADV數據載入系統；
[0028](3)對ADV數據進行處理:
[0029]首先，對ADV數據類別進行判定，判定為單點或多點ADV數據； [0030]其次，選擇一種或多種數據過濾塊對ADV數據進行過濾處理，本系統共包含五種不同的過濾方式，對于每一個點流速的數據集合，本系統將把多個接收器所得的時間序列流速數據逐一分析過濾，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對于一點流速數據集合中水流方向接收器(X軸)所得的時間序列流速數據ui，首先計算出此數據組的中位數，之后將中位數從數據組中每一個數據中減去；
[0033]②通過中心差分近似法來計算步驟一中得到的數據組中每兩個臨近的數據的一階導數和二階導數，對于數據組中第一個和最后一個數值，分別通過前向差分近似法和后向差分近似法來求出，具體計算公式如下:
[0034]一階導數:R，二階導數
[0035]③對于①中得到的數據組以及②中得到的一階導數和二階導數數據組，分別計算出其標準差數值(σ)，對于計算方法，運用中位數絕對偏差(MAD)來間接計算標準差值，計算公式如下:
[0036]ο =1.4826MAD
[0037]④通過③得到的標準差值，計算出三個相對應的期望絕對最大值(Em)用于接下來的相位空間比較，具體計算方式如下:
[0038]￡., =χ σ
[0039]⑤對應的三個期望最大值，計算出每兩個之間的軸線的夾角，由于對稱的關系，原始數據和一階導數之間的夾角以及原始數據和二階導數之間的夾角為0°，對于一階導數和二階導數之間的夾角，具體計算方式如下:
[0040]
【權利要求】
1.一種適用于聲學多普勒流速儀的數據后處理系統，其特征在于:該系統包括系統打開、ADV數據載入、ADV數據處理和ADV信息共享輸出四個部分，其中ADV數據處理包括數據類別判定模塊、數據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、生成電子文檔、打印；所述的數據類別判定模塊包括單點ADV數據判定塊和多點垂線ADV數據判定塊，所述的數據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、關聯率過濾塊、信號噪聲率過濾塊和流速區間過濾塊，所述的后處理分析模塊分為單點數據分析和多點垂線數據分析，其中單點數據分析內容包括流速時間序列分析、時均流速分析、流速標準差分析、流速方差分析、流速偏態和峰態分析、雷諾應力分析、紊動強度分析、湍流動能分析、快速傅里葉變化能量譜分析，多點垂線數據分析內容包括多點流速時間序列分析、多點時均流速分析、垂線多點標準差分析、垂線多點流速方差分析、垂線多點流速偏態和峰態分析、垂線多點雷諾應力分析、垂線多點紊動強度分析、垂線多點湍流動能分析、快速傅里葉變化能量譜分析。
2.根據權利要求1中所述的一種適用于聲學多普勒流速儀的數據后處理系統的應用包括包括以下步驟: (1)系統進入初始狀態； (2)將采集到的單點或多點垂線ADV數據載入系統； (3)首先對ADV數據類別進行判定，并選擇所述數據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、關聯率過濾塊、信號噪聲率過濾塊和流速區間過濾塊中的一種或多種數據過濾方法對ADV數據進行過濾處理，然后根據需要對數據進行后處理分析； (4)將處理分析好的數據以表格和圖像的形式輸出，在數據庫或計算機中存儲，并生成電子文檔和對相應文檔進行打印。
【文檔編號】G01P5/24GK103995147SQ201410186774
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月5日 優先權日:2014年5月5日
【發明者】管大為, 徐振山, 許春陽, 安子文, 吳志鋼 申請人:河海大學
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