《水下定位与导航技术》声学多普勒测速技术

2020/4/151水下定位与导航技术第五章声学多普勒测速技术2020/4/1525.1引言舰船导航设备的类型无线电导航设备，典型的有劳兰-C系统（定位精度约200米）、系统（精度约1海里）以及台卡系统（精度25米）等。卫星导航系统，全球卫星导航系统定位精度可达5~10m。惯性导航系统。可长时间连续工作，但是有累积误差，其量级达到每小时几十米。计算法定位导航设备机械式导航设备：水压式测速计、拖曳式旋转流量计等。电子式导航设备：电磁计程仪、声多普勒计程仪和声相关计程仪。2020/4/1535.1引言多普勒现象目标与声源的相对运动（相向、相离）声源和接收一体的情况多普勒速度解算公式舰船的测速原理、方法测速误差产生的原因影响多普勒测速的主要因素及改进方法各个测量误差对总误差的贡献减小测速误差的方法相控阵多普勒测速技术多普勒计程仪在大深度使用时摇摆问题的分析及摇摆补偿多普勒测速声呐频率测量技术2020/4/1545.2舰船多普勒测速原理多普勒效应的时域分析脉冲前沿到达时刻设脉冲经目标反射回到接收点的时间为t1，则目标移动的距离为。因此有因而得到前沿往返时间为t12/1vt2211CtvtLxcLcvcLcvLt1/2/1/2212/1ct2/1vt2020/4/1555.2舰船多普勒测速原理多普勒效应的时域分析脉冲后沿到达时刻设发射脉冲宽度为T，则当脉冲后沿离开换能器表面时，目标已向声呐靠近了vT。t2vT2/2vt2/2vt222121CtvTvtLxxTCLt12/22若其往返时间为t2，在t2时间内目标又向声呐靠近。因此有由此得到后沿的往返时间为cvx/2020/4/1565.2舰船多普勒测速原理多普勒效应的时域分析换能器接收到的脉冲宽度前后沿所需往返时间不同，其差值是因此，接收信号的脉宽为接收信号频率变为结论在相向运动时，脉冲被压缩；在相离运动时，脉冲被展宽。xxTCLt12/22xCLCvCLt1/2/1/21xxTtt1221TxxxxTTttTTr1112)(21fxxTxxTfrr111111无相对运动时前后沿到达的时间应当相等，有相对运动，t1-t2变化了多少时间？0Tt1t2＋T2020/4/1575.2舰船多普勒测速原理舰船多普勒测速原理cosCvxxcos21)21(1)1(1122CvffxfxxfxxfxTTTTrcos22TxTTrdxfCvxffffdxTxffCvcos2詹纳斯（Janus）配置Cvx/cosxvv船与被照射区的相对径向速度为：接收的回波信号频率为：多普勒频移为：水平速度：cos2TxdIfCvfcos2TxdIIfCvfcos4TxdIIdIdfCvfffcos4TdxfCfv2020/4/1585.2舰船多普勒测速原理舰船多普勒测速原理十字形配置和X形配置詹纳斯（Janus）配置船首尾线方向船首尾线方向X形波束配置前后左右形配置2020/4/1595.3影响多普勒测速的主要因素及改进方法由解算公式近似引起的误差船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿传播声速引起的测速误差有限波束宽度的影响噪声对频率测量的影响安装角度偏离误差及其校正cos4Tdxfcfv2020/4/1510由解算公式近似引起的误差没有近似时的多普勒频移为一阶近似后的多普勒频移引入的相对测速误差为TTTTrdfxxffxxfff12111cos22TxTdxfCvxfffT－－发射频率fr－－接收频率fd－－多普勒频移Cvxxxxxxfffffxdddddcos122121112020/4/1511由解算公式近似引起的误差没有近似时I号波束、II号波束接收的信号频率为前后两波束接收信号的频差为一阶近似后的多普勒频移引入的相对测速误差为詹纳斯配置Trfxxf111Trfxxf112Trrdfxxfff221114cos44TxTdfCvfxf22221cos14414CvxxxxxxffxddCvxffxddcos12020/4/15125.3影响多普勒测速的主要因素及改进方法由解算公式近似引起的误差船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿传播声速引起的测速误差有限波束宽度的影响噪声对频率测量的影响安装角度偏离误差及其校正2020/4/1513船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿向前的I号波束测得的多普勒频移为向后的II号波束测得的多普勒频移为前后两波束接收信号的频差为在有摇摆和上下起伏时)sin(2)cos(C2v)cos(2)cos(2xITzTTzTxdfCvffCvfCvf)sin(2)cos(2)cos(2)cos(2IITzTxTzTxdfCvfCvfCvfCvfsincoscosC4xzTxdIIdIdvvfvfffsincos22coscos22)sin()sin(2)cos()cos(2IIITzTxTzTxdddfCvfCvfCvfCvfff2020/4/1514船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿利用姿态测量装置对速度进行修正前后两波束接收信号的频差为相对频率测量误差无摇摆时，因此当vz=0时，可以解出修正后的速度为例如当105和时，将分别带来0.3%和1.5％的测量误差。在船舶无摇摆及上下起伏时cos4TxdrfCvf1sincosxzdrdrddrdvvfffffsincoscosC4xzTxdIIdIdvvfvfffcoscos4TdxffCv浅水使用时收发期间只需测量一次姿态角00/drdff2020/4/15155.3影响多普勒测速的主要因素及改进方法由解算公式近似引起的误差船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿传播声速引起的测速误差有限波束宽度的影响噪声对频率测量的影响安装角度偏离误差及其校正2020/4/1516传播声速引起的测速误差詹纳斯配置的声速误差引起的测速误差由公式可以看出，声速有多大的相对误差，将引起同样的测速误差（相对误差）进行声速补偿的方法测量换能器表面处的声速，计算速度时使用现场测得的声速。测量换能器表明的温度，计算速度时使用现场测得的声速。是利用专门的测量装置，测量温度、盐度和压力，再利用声速计算公式计算声速。由声速的计算公式，只要保持为常数。由斯乃尔定律可知，分层介质中各层声线的入射俯角与层中的声速之比为常数，即因此，只需保持换能器表面附近为常数，便不会因其它水层的声速变化而带来声速误差。cos4Tdxfcfvcos/c常数......coscos2211ccc/cos相控阵导流罩充油，恒温2020/4/15175.3影响多普勒测速的主要因素及改进方法由解算公式近似引起的误差船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿传播声速引起的测速误差有限波束宽度的影响（掠射角、束宽、脉宽）噪声对频率测量的影响安装角度偏离误差及其校正2020/4/1518有限波束宽度的影响波束宽度－－多普勒频移扩展相对频移扩展为减小有限波束宽度影响的方法多次独立测量求平均；测量M次，平均后误差可降低倍。取回波信号中间部分进行测频sin2TxdfCvfdB321cos22TxTdfcvxfftanddffM1α问题：1）波束宽了不好，窄了可以吗？2）α小点好吗？2020/4/1519有限波束宽度的影响波束宽度－－多普勒频移扩展减小束宽波束窄好→频率扩展减小，测频精度可以提高，但散射强度TS=RS+10logS将会减小，并且束宽Θ=λ/L，或加大阵的尺度，或提高f。掠射角α小多普勒频偏大，但回波强度下降，信噪比下降。怕摇摆60°左右。脉冲宽度要求两个波束边沿的信号必须重叠，f才能测量得准。但脉冲宽对系统的功率提出要求。dB321cos22TxTdfcvxffα2020/4/15205.3影响多普勒测速的主要因素及改进方法由解算公式近似引起的误差船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿传播声速引起的测速误差有限波束宽度的影响噪声对频率测量的影响安装角度偏离误差及其校正2020/4/1521噪声对频率测量的影响过零检测法—测量N次过零的时间计算回波频率。设N个过零点总测量时间为T多普勒频率时间T的测量误差与多普勒频率测量误差的关系为由多普勒频率与速度的关系可得速度测量误差与测频误差的关系dTffNTTfTNfTdTTNfddd2xTdvCffdcos2dcos2Txdxfcvf2020/4/1522时间测量误差与速度测量误差的关系在一定的测速误差下，允许的一个周期的时间测量误差应为当采用詹纳斯配置时，两个波束独立测量频率。xTvCNfTTdcos2d2TdTfNffNTxTxTTvcfNvcNffNTdcos2dcos2d2dTNcfdvTxcos2xTvCNfTxdcos2)/1(d12221'xxxxvCNdcos222020/4/1523例如，当N=32，cosα＝0.5，要求测速误差为，允许的一个周期内的相对时间测量误差为测速精度对信噪比对的要求003.01.015005.022Nxs/m1.0dxv0188.02003.0dBNS5.340188.01log20/信号+噪声信号噪声2020/4/15245.3影响多普勒测速的主要因素及改进方法由解算公式近似引起的误差船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿传播声速引起的测速误差有限波束宽度的影响噪声对频率测量的影响安装角度偏离误差及其校正2020/4/1525安装角度偏离误差及其校正基阵安装误差带来的系统误差，可通过现场测速进行校正。由几何关系有两个速度之间的关系安装角度与船的首尾线的几何关系船首尾线方向xyIIIIIIIVxvxvcossinsincosyxyyxxvvvvvvcos4cos413IIIITdTddxfCffffCvcos4cos442IIIVTdTddyfCffffCv由多普勒测速仪可以得到的速度值为2020/4/1526安装角度偏离误差及其校正校准方法安装偏移角的校正，可在海上进行。船保持直线航行一段距离，例如几海里，在航速达到稳定后利用差分GPS测量起止点的船位，根据航行时间得到船的平均速度vx、vy。利用船上的高精度罗径得到的航向，算得船坐标系的两个速度分量vx、vy。在速度稳定航段中，利用多普勒计程仪测得的两个速度分量同样也取平均值v’x、v’y.计算安装偏移角cossinsincosyxyyxxvvvvvvyyxxyxyxvvvvvvvvarctan2020/4/1527安装角度偏离误差及其校正校准方法安装偏移角修正后的速度船首尾线方向xyIIIIIIIVxvxvcossinsincosyxyyxxvvvvvvyyxxyxyxvvvvvvvvarctancossincos4sincossincoscos4sincos42