声学多普勒流速仪测量湍流流速的峰值降噪方法.pdfVIP

第47卷 第8期 人 民 长 江 Vo1．47．No．8 2016年 4月 Yangtze River Apr。， 2016 文章编号：1001—4179(2016)O8—0076一O4 声学多普勒流速仪测量湍流流速的峰值降噪方法 张 鹏 一，杨 胜 发 ，胡 江 ，陈 阳 2 (1．重庆交通大学 国家 内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074； 2．重庆交通大学 河海学院，重庆 400074) 摘要：声学多普勒流速仪常用于测量水流三维瞬时流速，受外界以及仪器 自身等多种因素影响，采集的流速时 间序列 中不免存在噪声干扰 。为了获取真实反映湍流瞬时紊动过程 中的高频流速信号，需对流速仪测量流速 信号中含有的噪声值进行过滤 ，为此提 出了一套流速信号预处理方法。先对大于3．5倍样本标准差的流速数 据进行修正；其次分析样本 中局部区域数据的变化情况 ，对大于2倍局部样本标准差的数据进行插值修正；根 据傅里叶线性变换性质 ，提 出从流速信号功率谱 中过滤掉仪器固有噪声功率谱 。水槽 实验数据分析结果表 明：调整数据量不超过总数 的 12％，符合柯尔莫戈洛夫的 一5／3次幂频率增加规律 ，对高频噪声降噪作用明 显，为湍流瞬时紊动过程分析提供 了更为准确的方法 。 关 键 词 ：ADV；峰值降噪；功率谱 ；数据处理 中图法分类号 ：TV14 文献标志码 ：A DoI：l0．16232／j．cnki．1001—4l79．2016．08．016 声学多普勒流速仪 (ADV)因其能够 以高频采样 效果不好 。Daubechies曾应用 Haar小波 函数进行 降 的方式获取水流单点三维瞬时流速，且采样体积小、操 噪 ，而在小波函数空间中，认为不同分解层是 由小波基 作简捷 、野外测量方便 ，而广泛应用于明渠湍流流速测 函数根据不同参数构成的，降噪处理是对所有数据都 量中…。为 了分析明渠湍流瞬时紊动过程 ，通常需要 减去相应噪声值 ，并不是针对峰值进行去除 。Go— 高频的瞬时采样流速数据 。随着 ADV在湍流研究 ring，刘欢 ，鲁远征等 ，应用数据变化 的相空间阈值法 中的应用 ，人们逐渐认识到ADV以较高采样频率进行 进行峰值降噪，但适用范围有限，主要应用于均值 比较 三维流速测量时所存在的一些不足 。 平稳 的时间序列 ，且在计算过程中可能会 出现复数解 ， ADV在实测流速系列中会出现一些峰值噪声 (见 导致后续处理方法无法实施 。 图 1)，这种峰值噪声一般是 由于真实流速大于预设定 ()-3【】 流速范围或是受到先前发出信号反射 的干扰 ，进而引 =、 (j25 起ADV采集到的输入输 出信号相位差超过有效范围 0．2() 所致 。在湍流时均特性分析时，可以忽略这种高频 黪015 噪声信号导致的干扰影响，但高频噪声信号对湍流瞬 ()．1f) 时演变以及湍流高频脉动特性分析存在很大影响，而 且这些峰值噪声与湍流流速脉动又很难 区分 ，因此在 图 1 ADV采样数 据 分析湍流紊动特性时，对流速时间序列进行预处理是 为此 ，笔者提 出了一套声学多普勒流速仪采集流 十分必要的。 速的降噪方法，即先根据长时间序列样本的阈值排除 较早应用在流速预处理中的是 阈值排除法 ：先确 法进行粗略数据调整；再对长时间序列进行局部小样 定标准差的某个倍数(3—9倍标准差)为阈值，然后判 本序列划分 ，对局部小样本进行中