第5章聲學(xué)多普勒測技術(shù)

1、2021-11-121水下定位與導(dǎo)航技術(shù)水下定位與導(dǎo)航技術(shù)第五章第五章 聲學(xué)多普勒測速技術(shù)聲學(xué)多普勒測速技術(shù)2021-11-1225.1 引言引言o 艦船導(dǎo)航設(shè)備的類型艦船導(dǎo)航設(shè)備的類型n 無線電導(dǎo)航設(shè)備，典型的有勞蘭無線電導(dǎo)航設(shè)備，典型的有勞蘭-c系統(tǒng)（定位精度系統(tǒng)（定位精度約約200米）、系統(tǒng)（精度約米）、系統(tǒng)（精度約1海里）以及臺卡系統(tǒng)海里）以及臺卡系統(tǒng)（精度（精度25米）等。米）等。 n 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度可達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度可達(dá)510m。n 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)?？砷L時間連續(xù)工作，但是有累積誤慣性導(dǎo)航系統(tǒng)?？砷L時間連續(xù)工作，但是有累積誤差，其量級達(dá)到

2、每小時幾十米。差，其量級達(dá)到每小時幾十米。 n 計算法定位導(dǎo)航設(shè)備計算法定位導(dǎo)航設(shè)備o 機械式導(dǎo)航設(shè)備：水壓式測速計、拖曳式旋轉(zhuǎn)流量計等。機械式導(dǎo)航設(shè)備：水壓式測速計、拖曳式旋轉(zhuǎn)流量計等。 o 電子式導(dǎo)航設(shè)備：電磁計程儀、電子式導(dǎo)航設(shè)備：電磁計程儀、聲多普勒計程儀和聲相關(guān)聲多普勒計程儀和聲相關(guān)計程儀。計程儀。 2021-11-1235.1 引言引言o多普勒現(xiàn)象多普勒現(xiàn)象n目標(biāo)與聲源的相對運動（相向、相離）目標(biāo)與聲源的相對運動（相向、相離）n聲源和接收一體的情況聲源和接收一體的情況n影響多普勒測速的主要因素及改進方法影響多普勒測速的主要因素及改進方法o各個測量誤差對總誤差的貢獻各個測量誤差對總誤

3、差的貢獻2021-11-1245.2 艦船多普勒測速原理艦船多普勒測速原理o 多普勒效應(yīng)的時域分析多普勒效應(yīng)的時域分析n 脈沖前沿到達(dá)時刻脈沖前沿到達(dá)時刻設(shè)脈沖經(jīng)目標(biāo)反射回到接收點設(shè)脈沖經(jīng)目標(biāo)反射回到接收點的時間為的時間為t t1 1，則目標(biāo)移動的距離為則目標(biāo)移動的距離為 。因此有因此有因而得到前沿往返時間為因而得到前沿往返時間為t12/1vt2211ctvtlxclcvclcvlt1/2/1/2212/1ct2/1vt2021-11-1255.2 艦船多普勒測速原理艦船多普勒測速原理o 多普勒效應(yīng)的時域分析多普勒效應(yīng)的時域分析n 脈沖后沿到達(dá)時刻脈沖后沿到達(dá)時刻 設(shè)發(fā)射脈沖寬度為設(shè)發(fā)射脈沖寬

4、度為t，則當(dāng)脈沖后沿離開換能則當(dāng)脈沖后沿離開換能器表面時，目標(biāo)已向聲器表面時，目標(biāo)已向聲吶靠近了吶靠近了vt。 t2vt2/2vt2/2vt222121ctvtvtlxxtclt12/22 若其往返時間為若其往返時間為t2，在，在t2時間內(nèi)目標(biāo)又向聲吶靠近時間內(nèi)目標(biāo)又向聲吶靠近 。因此有因此有 由此得到后沿的往返時間為由此得到后沿的往返時間為cvx/2021-11-1265.2 艦船多普勒測速原理艦船多普勒測速原理o 多普勒效應(yīng)的時域分析多普勒效應(yīng)的時域分析n 換能器接收到的脈沖寬度換能器接收到的脈沖寬度前后沿所需往返時間不同，其差值是前后沿所需往返時間不同，其差值是因此，接收信號的脈寬為因此

5、，接收信號的脈寬為n 接收信號頻率變?yōu)榻邮招盘栴l率變?yōu)?n 結(jié)論結(jié)論o 在相向運動時，脈沖被壓縮；在相離運動時，脈沖被展寬。在相向運動時，脈沖被壓縮；在相離運動時，脈沖被展寬。xxtclt12/22xclcvclt1/2/1/21xxttt1221txxxxttttttr1112)(21fxxtxxtfrr111111無相對運動時前后沿到達(dá)的時間應(yīng)當(dāng)相等，無相對運動時前后沿到達(dá)的時間應(yīng)當(dāng)相等，有相對運動，有相對運動，t1-t2變化了多少時間？變化了多少時間？0 t t1 t2t2021-11-1275.2 艦船多普勒測速原理艦船多普勒測速原理o 艦船多普勒測速原理艦船多普勒測速原理 coscv

6、xxcos21)21 (1)1 (1122cvffxfxxfxxfxttttrcos22txttrdxfcvxffffdxtxffcvcos2詹納斯（janus）配置 cvx/cosxvv 船與被照射船與被照射區(qū)的相對徑區(qū)的相對徑向速度為向速度為 ：接收的回波接收的回波信號頻率為：信號頻率為：多普勒頻移多普勒頻移為：為：水平速度水平速度 ：cos2txdifcvfcos2txdiifcvfcos4txdiididfcvfffcos4tdxfcfv 2021-11-1285.2 艦船多普勒測速原理艦船多普勒測速原理o 艦船多普勒測速原理艦船多普勒測速原理 n 十字形配置和十字形配置和x形配置形配

7、置詹納斯（詹納斯（janus）配置）配置 2021-11-1295.3 影響多普勒測速的主要因素及改影響多普勒測速的主要因素及改進方法進方法o 由解算公式近似引起的誤差由解算公式近似引起的誤差o 船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償 o 傳播聲速引起的測速誤差傳播聲速引起的測速誤差 cos4tdxfcfv 2021-11-1210o 由解算公式近似引起的誤差由解算公式近似引起的誤差n 沒有近似時的多普勒頻移為沒有近似時的多普勒頻移為n 一階近似后的多普勒頻移一階近似后的多普勒頻移n 引入的相對測速誤差為引入的相對測速誤差為ttttrdfxxffxxfff12111c

8、os22txtdxfcvxffft發(fā)射頻率發(fā)射頻率fr接收頻率接收頻率fd多普勒頻移多普勒頻移cvxxxxxxfffffxdddddcos122121112021-11-1211o 由解算公式近似引起的誤差由解算公式近似引起的誤差n 沒有近似時沒有近似時i號波束、號波束、ii號波束接收的信號頻率為號波束接收的信號頻率為 n 前后兩波束接收信號的頻差為前后兩波束接收信號的頻差為n 一階近似后的多普勒頻移一階近似后的多普勒頻移n 引入的相對測速誤差為引入的相對測速誤差為詹納斯配置詹納斯配置trfxxf111trfxxf112trrdfxxfff221114cos44txtdfcvfxf22221c

9、os14414cvxxxxxxffxddcvxffxddcos12021-11-12125.3 影響多普勒測速的主要因素及改影響多普勒測速的主要因素及改進方法進方法o 由解算公式近似引起的誤差由解算公式近似引起的誤差o 船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償 o 傳播聲速引起的測速誤差傳播聲速引起的測速誤差 2021-11-1213o 船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償n 向前的向前的i號波束測得的多普勒頻移為號波束測得的多普勒頻移為 n 向后的向后的ii號波束測得的多普勒頻移為號波束測得的多普勒頻移為n 前后兩波束接收信號的頻差為前后兩

10、波束接收信號的頻差為在有搖擺和上下起伏時在有搖擺和上下起伏時)sin(2)cos(c2v)cos(2)cos(2xitzttztxdfcvffcvfcvf)sin(2)cos(2 )cos(2)cos(2iitztxtztxdfcvfcvfcvfcvf sincoscosc4 xztxdiididvvfvfff sincos22coscos22 )sin()sin(2)cos()cos(2 iiitztxtztxdddfcvfcvfcvfcvfff2021-11-1214o船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償n利用姿態(tài)測量裝置對速度進行修正利用姿態(tài)測量裝置對速度進行

11、修正 n前后兩波束接收信號的頻差為前后兩波束接收信號的頻差為n相對頻率測量誤差相對頻率測量誤差 n無搖擺時無搖擺時 ，因此，因此n當(dāng)當(dāng)vz=0時，可以解出修正后的速度為時，可以解出修正后的速度為 cos4txdrfcvf1sincosxzdrdrddrdvvfffff sincoscosc4 xztxdiididvvfvfffcoscos4tdxffcv淺水使用時淺水使用時收發(fā)期間只收發(fā)期間只需測量一次需測量一次姿態(tài)角姿態(tài)角00/drdff2021-11-12155.3 影響多普勒測速的主要因素及改影響多普勒測速的主要因素及改進方法進方法o 由解算公式近似引起的誤差由解算公式近似引起的誤差o

12、船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償 o 傳播聲速引起的測速誤差傳播聲速引起的測速誤差 2021-11-1216o傳播聲速引起的測速誤差傳播聲速引起的測速誤差 n 詹納斯配置的聲速誤差引起的測速誤差詹納斯配置的聲速誤差引起的測速誤差o 由公式可以看出，聲速有多大的相對誤差，將引起同樣的測速由公式可以看出，聲速有多大的相對誤差，將引起同樣的測速誤差（相對誤差）誤差（相對誤差）n 進行聲速補償?shù)姆椒ㄟM行聲速補償?shù)姆椒╫ 測量換能器表面處的聲速，計算速度時使用現(xiàn)場測得的聲速。測量換能器表面處的聲速，計算速度時使用現(xiàn)場測得的聲速。n測量換能器表明的溫度，計算速度時使用現(xiàn)場測

13、得的聲速。測量換能器表明的溫度，計算速度時使用現(xiàn)場測得的聲速。n是利用專門的測量裝置，測量溫度、鹽度和壓力，再利用聲速計是利用專門的測量裝置，測量溫度、鹽度和壓力，再利用聲速計算公式計算聲速。算公式計算聲速。 o 由聲速的計算公式，只要保持由聲速的計算公式，只要保持 為常數(shù)。為常數(shù)。n由斯乃爾定律可知，分層介質(zhì)中各層聲線的入射俯角與層中的聲由斯乃爾定律可知，分層介質(zhì)中各層聲線的入射俯角與層中的聲速之比為常數(shù)，即速之比為常數(shù)，即n因此，只需保持換能器表面附近因此，只需保持換能器表面附近 為常數(shù)，便不會因為常數(shù)，便不會因其它水層的聲速變化而帶來聲速誤差。其它水層的聲速變化而帶來聲速誤差。cos4t

14、dxfcfv cos/c常數(shù).coscos2211ccc/cos相相控控陣陣導(dǎo)流導(dǎo)流罩充罩充油，油，恒溫恒溫2021-11-12175.3 影響多普勒測速的主要因素及改影響多普勒測速的主要因素及改進方法進方法o 由解算公式近似引起的誤差由解算公式近似引起的誤差o 船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償 o 傳播聲速引起的測速誤差傳播聲速引起的測速誤差 2021-11-1218o 有限波束寬度的影響有限波束寬度的影響 n 波束寬度波束寬度 多普勒頻移擴展多普勒頻移擴展n 相對頻移擴展為相對頻移擴展為n 減小有限波束寬度影響的方法減小有限波束寬度影響的方法o 多次獨立測量

15、求平均；測量多次獨立測量求平均；測量m次，平均后誤差可降低次，平均后誤差可降低 倍。倍。o 取回波信號中間部分進行測頻取回波信號中間部分進行測頻sin2txdfcvfdb321cos22txtdfcvxfftanddffm1問題：問題：1）波束寬了不好，）波束寬了不好，窄了可以嗎？窄了可以嗎？2 2）小點好嗎？小點好嗎？2021-11-1219o 有限波束寬度的影響有限波束寬度的影響 n 波束寬度波束寬度 多普勒頻移擴展多普勒頻移擴展n 減小束寬減小束寬o 波束窄好波束窄好頻率擴展減小，測頻精度可以提高，頻率擴展減小，測頻精度可以提高，o 但散射強度但散射強度 ts=rs+10logs 將會減

16、小，將會減小，o 并且束寬并且束寬=/l=/l，或加大陣的尺度，或提高，或加大陣的尺度，或提高f f。n 掠射角掠射角o小多普勒頻偏大，但回波強度下降，信噪比下降。怕?lián)u擺小多普勒頻偏大，但回波強度下降，信噪比下降。怕?lián)u擺o 6060左右。左右。n 脈沖寬度脈沖寬度o 要求兩個波束邊沿的信號必須重疊，要求兩個波束邊沿的信號必須重疊，f才能測量得準(zhǔn)。但脈沖寬才能測量得準(zhǔn)。但脈沖寬對系統(tǒng)的功率提出要求。對系統(tǒng)的功率提出要求。db321cos22txtdfcvxff2021-11-12205.3 影響多普勒測速的主要因素及改影響多普勒測速的主要因素及改進方法進方法o 由解算公式近似引起的誤差由解算公式

17、近似引起的誤差o 船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償 o 傳播聲速引起的測速誤差傳播聲速引起的測速誤差 2021-11-1221o 噪聲對頻率測量的影響噪聲對頻率測量的影響 n 過零檢測法過零檢測法測量測量n次過零的時間計算回波頻率。次過零的時間計算回波頻率。o 設(shè)設(shè)n個過零點總測量時間為個過零點總測量時間為to 多普勒頻率多普勒頻率o 時間時間t的測量誤差與多普勒頻率測量誤差的關(guān)系為的測量誤差與多普勒頻率測量誤差的關(guān)系為 n 由多普勒頻率與速度的關(guān)系可得速度測量誤差與測由多普勒頻率與速度的關(guān)系可得速度測量誤差與測頻誤差的關(guān)系頻誤差的關(guān)系dtffnttftnftd

18、ttnfddd2xtdvcffdcos2dcos2txdxfcvf2021-11-1222n 時間測量誤差與速度測量誤差的關(guān)系時間測量誤差與速度測量誤差的關(guān)系n 在一定的測速誤差下，允許的一個周期的時間測量在一定的測速誤差下，允許的一個周期的時間測量誤差應(yīng)為誤差應(yīng)為 n 當(dāng)采用詹納斯配置時，兩個波束獨立測量頻率。當(dāng)采用詹納斯配置時，兩個波束獨立測量頻率。xtvcnfttdcos2d2tdtfnffntxtxttvcfnvcnffntdcos2dcos2d2dtncfdvtxcos2xtvcnftxdcos2)/1 (d12221xxxxvcndcos222021-11-1223n 例如，當(dāng)例如

19、，當(dāng)n=32，cos0.50.5，要求測速誤差為，要求測速誤差為 ，允許的一個周期內(nèi)的相對時間測量，允許的一個周期內(nèi)的相對時間測量誤差為誤差為003. 01 . 015005 . 022nxs/m1 . 0dxv0188. 02003. 0dbns5 .340188. 01log20/2021-11-12245.3 影響多普勒測速的主要因素及改影響多普勒測速的主要因素及改進方法進方法o 由解算公式近似引起的誤差由解算公式近似引起的誤差o 船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補償 o 傳播聲速引起的測速誤差傳播聲速引起的測速誤差 2021-11-1225o 安裝角度偏離誤

20、差及其校正安裝角度偏離誤差及其校正 n 基陣安裝誤差帶來的系統(tǒng)誤差，可通過現(xiàn)場測速進基陣安裝誤差帶來的系統(tǒng)誤差，可通過現(xiàn)場測速進行校正。行校正。 n 由幾何關(guān)系有兩個速度之間的關(guān)系由幾何關(guān)系有兩個速度之間的關(guān)系o 安裝角度與船的首尾線的幾何關(guān)系安裝角度與船的首尾線的幾何關(guān)系 cossinsincosyxyyxxvvvvvvcos4cos413iiiitdtddxfcffffcvcos4cos442iiivtdtddyfcffffcv由多普勒測速儀可以得到的速度值為由多普勒測速儀可以得到的速度值為2021-11-1226o 安裝角度偏離誤差及其校正安裝角度偏離誤差及其校正 n 校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)方法o

21、 安裝偏移角的校正，可在海上進行。安裝偏移角的校正，可在海上進行。o 船保持直線航行一段距離，例如幾海里，在航速達(dá)到穩(wěn)定船保持直線航行一段距離，例如幾海里，在航速達(dá)到穩(wěn)定后利用差分后利用差分gps測量起止點的船位，根據(jù)航行時間得到船測量起止點的船位，根據(jù)航行時間得到船的平均速度的平均速度 vx、vy。o 利用船上的高精度羅徑得到的航向，算得船坐標(biāo)系的兩個利用船上的高精度羅徑得到的航向，算得船坐標(biāo)系的兩個速度分量速度分量vx、vy 。在速度穩(wěn)定航段中，利用多普勒計程儀。在速度穩(wěn)定航段中，利用多普勒計程儀測得的兩個速度分量同樣也取平均值測得的兩個速度分量同樣也取平均值vx、vy. o 計算安裝偏移

22、角計算安裝偏移角 cossinsincosyxyyxxvvvvvvyyxxyxyxvvvvvvvvarctan2021-11-1227o 安裝角度偏離誤差及其校正安裝角度偏離誤差及其校正 n 校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)方法o 安裝偏移角安裝偏移角 n 修正后的速度修正后的速度cossinsincosyxyyxxvvvvvvyyxxyxyxvvvvvvvvarctancossincos4sincossincoscos4sincos42134213ddtxyyddtyxxfffcvvvfffcvvv對于水平波束對于水平波束x形配置，有形配置，有 4/42134213cos8222cos8222ddtyxyddt

23、yxxfffcvvvfffcvvv2021-11-12285.3 影響多普勒測速的主要因素及改影響多普勒測速的主要因素及改進方法進方法o由解算公式近似引起的誤差由解算公式近似引起的誤差n一階近似誤差-采用雙波束n搖擺誤差-進行搖擺補償n聲速誤差-聲速補償n有限束寬（頻率擴展）-窄波束、大俯角n噪聲-提高信號/噪聲比2021-11-1229只要保證補償相移不隨聲速變化而只要保證補償相移不隨聲速變化而變即可。變即可。5.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣聲速自動補償原理相控陣聲速自動補償原理n 單波束情況下的速度測量公式為單波束情況下的速度測量公式為n 采用采用4個陣元，構(gòu)成的

24、換能器陣，個陣元，構(gòu)成的換能器陣，是固定的，不是固定的，不能隨能隨c c變。變。n 考慮采用多元陣考慮采用多元陣o波束可控波束可控o在大深度工作時由于要降低工作頻率，要保持相當(dāng)窄的收在大深度工作時由于要降低工作頻率，要保持相當(dāng)窄的收/發(fā)波發(fā)波束，基陣尺寸必須加大。采用詹納斯配置需要束，基陣尺寸必須加大。采用詹納斯配置需要4個陣元，因此尺個陣元，因此尺寸很大，需要寸很大，需要減小尺寸。減小尺寸。cos2sin2tdtdxfcffcfv常數(shù)cosc問題是如何問題是如何保證常數(shù)保證常數(shù)2021-11-12305.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣聲速自動補償原理相控陣聲速自動補償

25、原理n 單波束情況下的速度測量公式為單波束情況下的速度測量公式為n 設(shè)多元直線陣，陣元間距為設(shè)多元直線陣，陣元間距為d，n 信號的入射方向：信號的入射方向：n 相鄰陣元的相位差為相鄰陣元的相位差為cos2cdftttfkdfc12coskvcosfcvfxtxd22只要保持只要保持不變不變dk22021-11-12315.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o相控陣聲速自動補償原理相控陣聲速自動補償原理n 當(dāng)采用詹納斯配置時當(dāng)采用詹納斯配置時n 結(jié)論：結(jié)論：o 只要兩兩陣元之間補償?shù)南嘁票３植蛔儯d體速度只與兩個只要兩兩陣元之間補償?shù)南嘁票３植蛔?，載體速度只與兩個波束回波頻率之差（多普

26、勒頻率）及陣元間距有關(guān)，與聲速波束回波頻率之差（多普勒頻率）及陣元間距有關(guān)，與聲速無關(guān)。按照這樣的要求構(gòu)成的陣稱為相控陣。無關(guān)。按照這樣的要求構(gòu)成的陣稱為相控陣。 o采用詹納斯配置采用詹納斯配置是固定的，是固定的， 不能固定，隨不能固定，隨c改變。改變。dfffffcfcfvrrtrrtdx2cos4)(cos42121注意：注意：固定固定隨隨c c改變。改變。cos2cdft2021-11-12325.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn) 1）直線陣的指向性復(fù)習(xí)）直線陣的指向性復(fù)習(xí) 2）復(fù)合陣的指向性）復(fù)合陣的指向性 3）相控陣

27、的指向性）相控陣的指向性 4）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法2021-11-12335.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)1）直線陣地指向性復(fù)習(xí)）直線陣地指向性復(fù)習(xí)n 自然指向性為自然指向性為 n 兩兩陣元間接收信號的相位差兩兩陣元間接收信號的相位差 sinsinsinsin2sin2sindndnnnrsin2 dsindl clt cf sin2222dlctctf2021-11-12345.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)1）直線陣地指向性復(fù)習(xí)）直

28、線陣地指向性復(fù)習(xí)n 自然指向性圖為自然指向性圖為 n 指向性零點方向滿足指向性零點方向滿足1,.2 , 1 ,2nkknndksin sinsinsinsin2sin2sindndnnnr12021-11-12355.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)1）直線陣地指向性復(fù)習(xí)）直線陣地指向性復(fù)習(xí)n 自然指向性圖為自然指向性圖為 n 指向性零點方向滿足指向性零點方向滿足n 旁瓣位置應(yīng)滿足旁瓣位置應(yīng)滿足 sinsinsinsin2sin2sindndnnnr1,.2 , 1 ,22nkknndndk2sin2021-11-12365.

29、4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)1）直線陣地指向性復(fù)習(xí)）直線陣地指向性復(fù)習(xí)n 自然指向性圖為自然指向性圖為 n 指向性零點方向滿足指向性零點方向滿足n 旁瓣位置應(yīng)滿足旁瓣位置應(yīng)滿足n 柵瓣位置滿足柵瓣位置滿足 sinsinsinsin2sin2sindndnnnr,.2 , 1,2kkdksin2021-11-12375.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)1）直線陣地指向性復(fù)習(xí)）直線陣地指向性復(fù)習(xí)n 當(dāng)在相鄰陣元間補償相位時，指向性函數(shù)為當(dāng)在相鄰陣元間補償相位時

30、，指向性函數(shù)為n 主極大方向主極大方向 柵瓣方向柵瓣方向 2sin2sinnnrd2sinddk2sinsin2 d2021-11-12385.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)2）復(fù)合陣的指向性）復(fù)合陣的指向性 o 復(fù)合陣的基本原理指的是，一個多元陣可分解為幾個相同復(fù)合陣的基本原理指的是，一個多元陣可分解為幾個相同的子陣，該多元陣的指向性等于這樣兩個指向性的乘積：的子陣，該多元陣的指向性等于這樣兩個指向性的乘積：一個子陣的指向性，以及位于這些子陣聲學(xué)中心的無指向一個子陣的指向性，以及位于這些子陣聲學(xué)中心的無指向性陣元構(gòu)成的陣的

31、指向性。性陣元構(gòu)成的陣的指向性。 o 例如一個多元陣分成兩個子陣，子陣?yán)缫粋€多元陣分成兩個子陣，子陣1和子陣和子陣2，2個子陣個子陣的指向性為的指向性為 ；將子陣看成一個無方向性的基元，；將子陣看成一個無方向性的基元，2個基元構(gòu)成的個基元構(gòu)成的2元陣的指向性為元陣的指向性為 ；則總指向性；則總指向性為為 。)(2r)(1r)()()(21rrr2021-11-12395.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)3）相控陣及其指向性）相控陣及其指向性 （等間距直線陣分解）n 設(shè)直線陣由設(shè)直線陣由n個（可被個（可被4整除）靈敏度相同，間

32、距為整除）靈敏度相同，間距為d的陣元組成。的陣元組成。第三級有第三級有4個子陣，每個子陣是個子陣，每個子陣是n/4元陣，各陣元之元陣，各陣元之間用導(dǎo)線連接。陣元間距間用導(dǎo)線連接。陣元間距 d34d，陣長，陣長l3=l總總-3d第二級有第二級有2個子陣，每個由個子陣，每個由2個陣元組成，陣元間距個陣元組成，陣元間距d2 2d第一級由第一級由2個陣元組成，陣元間距個陣元組成，陣元間距d1 d子陣子陣 1 2 3 42021-11-12405.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)3）相控陣及指向性）相控陣及指向性 n 第一級第一級2元陣

33、的指向性為元陣的指向性為 ， 零點位置為零點位置為n 第二級第二級2元陣的指向性為元陣的指向性為 ， 零點位置為零點位置為n 第三級子陣的指向性為第三級子陣的指向性為 ， 第一柵瓣的位置為第一柵瓣的位置為n 總陣的自然指向性為總陣的自然指向性為 1rdd22sin1dd42sin2dd4sin3 321rrrr 2r 3r sinsinsinsin2sin2sindndnnnrndksin零點位置為d1 dd2 2dd34d,dksin柵瓣的位置為2021-11-1241自然指向性自然指向性o第一級零點位置第一級零點位置o第二級零點位置第二級零點位置o第三級副極大值位置第三級副極大值位置o合成

34、指向性合成指向性 自然指向性自然指向性 321rrrrdd4sin3dd22sin1dd42sin22021-11-12425.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)4）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法n 實現(xiàn)相控發(fā)射的方法實現(xiàn)相控發(fā)射的方法2021-11-1243自然指向性自然指向性o第一級零點位置第一級零點位置o第二級零點位置第二級零點位置o第三級副極大值位置第三級副極大值位置o合成指向性合成指向性 相控發(fā)射指向性相控發(fā)射指向性 321rrrrdd4sin3dd22sin1dd42sin22021-11-1244自然指向性

35、自然指向性o零點位置零點位置o零點位置零點位置o副極大值位置副極大值位置o合成指向性合成指向性 自然指向性自然指向性 相控發(fā)射指向性相控發(fā)射指向性dd22sin1dd42sin2dd4sin3 321rrrr2021-11-12455.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)4）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法 實現(xiàn)相控發(fā)射的方法實現(xiàn)相控發(fā)射的方法 0sin)4/(sindddd422sin222 對第二級的兩個子陣進行相控，子陣間距為對第二級的兩個子陣進行相控，子陣間距為2d。主極大應(yīng)從。主極大應(yīng)從控制到位置控制到位置 ，子陣

36、，子陣3、子陣、子陣4需補償?shù)南嘁茷樾柩a償?shù)南嘁茷?第三級第三級第二級第二級第一級第一級陣元陣元 1 2 2sin2sinnnrd2sin相位補償后主極大相位補償后主極大方向移到方向移到 2021-11-12465.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)4）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法n 實現(xiàn)相控發(fā)射的方法實現(xiàn)相控發(fā)射的方法n 實現(xiàn)相控接收的方法實現(xiàn)相控接收的方法2021-11-1247自然指向性自然指向性o第一級零點位置第一級零點位置o第二級零點位置第二級零點位置o第三級副極大值位置第三級副極大值位置o合成指向性合成指向

37、性 相控接收指向性（左波束）相控接收指向性（左波束） 321rrrrdd4sin3dd22sin1dd42sin22021-11-1248自然指向性自然指向性o第一級零點位置第一級零點位置o第二級零點位置第二級零點位置o第三級副極大值位置第三級副極大值位置o合成指向性合成指向性 相控接收指向性（右波束）相控接收指向性（右波束） 321rrrrdd4sin3dd22sin1dd42sin22021-11-1249實現(xiàn)相控接收的方法實現(xiàn)相控接收的方法相控接收（左波束）相控接收（左波束） 相控接收（右波束）相控接收（右波束）2021-11-12505.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o

38、相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)4）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法 實現(xiàn)相控接收的方法實現(xiàn)相控接收的方法 0sin)4/(sindddd422sin222對第二級的兩個子陣進行相控，子陣間距為對第二級的兩個子陣進行相控，子陣間距為2d。主極大應(yīng)從。主極大應(yīng)從控制到位置控制到位置 ，子陣，子陣3、子陣、子陣4需補償?shù)南嘁茷樾柩a償?shù)南嘁茷?將第一級二元陣的主極大值方向控制到將第一級二元陣的主極大值方向控制到 的位置，的位置，陣元陣元2（由子陣（由子陣2和子陣和子陣4構(gòu)成）構(gòu)成）需補償?shù)南嘁茷樾柩a償?shù)南嘁茷?sin/ ()4d242sin211ddd第三級第三級第二級第二

39、級第一級第一級子陣子陣 1 2 3 4陣元陣元 1 2右波束右波束2021-11-12515.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)4）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法 實現(xiàn)相控接收的方法實現(xiàn)相控接收的方法 第二級：子陣第二級：子陣3、子陣、子陣4需補償?shù)南嘁菩柩a償?shù)南嘁?，子陣，子?和子陣和子陣2不補償；不補償；第一級：陣元第一級：陣元2（由子陣（由子陣2和子陣和子陣4構(gòu)成）需補償?shù)南嘁茦?gòu)成）需補償?shù)南嘁?2，陣元，陣元1不不補償。補償。第三級第三級第二級第二級第一級第一級陣元陣元 1 2子陣子陣 1 2 3 4對應(yīng)于右發(fā)射

40、波束2021-11-1252實測相控陣指向?qū)崪y相控陣指向2021-11-12535.4 相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣多普勒測速技術(shù)o 相控陣收發(fā)的優(yōu)點相控陣收發(fā)的優(yōu)點n 聲速能自動補償聲速能自動補償n 基陣體積小基陣體積小o 相控陣只用一個多元平面陣，成陣后的總面積約為常規(guī)法相控陣只用一個多元平面陣，成陣后的總面積約為常規(guī)法基陣面積的基陣面積的1/6。n 便于安裝便于安裝o 相控陣是圓形平面陣相控陣是圓形平面陣 ，可以與載體，可以與載體“共形共形” 。n 波束一致性好波束一致性好o 它只用一個多元平面陣，通過相控形成它只用一個多元平面陣，通過相控形成4個波束，各個波個波束，各個波束的指向性、波束

41、寬度是一致的。束的指向性、波束寬度是一致的。 2021-11-12542021-11-12555.5 多普勒計程儀在大深度使用時搖多普勒計程儀在大深度使用時搖擺問題的分析及搖擺補償擺問題的分析及搖擺補償o 搖擺分析搖擺分析 o 搖擺補償搖擺補償2021-11-12565.5 多普勒計程儀在大深度使用時搖多普勒計程儀在大深度使用時搖擺問題的分析及搖擺補償擺問題的分析及搖擺補償o 搖擺分析搖擺分析 n 多普勒測速聲吶在大深度使用時應(yīng)考慮的問題：多普勒測速聲吶在大深度使用時應(yīng)考慮的問題：1 1）深度深度工作頻率工作頻率基陣尺寸基陣尺寸2 2）會出現(xiàn)與海底）會出現(xiàn)與海底“失去接觸失去接觸”的情況的情況

42、 例如：深度例如：深度300m，往返時間，往返時間400ms，搖擺，搖擺周期周期t幾秒十幾秒，因此，不會發(fā)生失去接觸幾秒十幾秒，因此，不會發(fā)生失去接觸的問題。的問題。 在大深度時，則會出現(xiàn)在大深度時，則會出現(xiàn)“失去接觸失去接觸”的情況。如深的情況。如深度度1000m，往返時間，往返時間1.33s，若搖擺周期為，若搖擺周期為t=2.5s，可能發(fā)生失去接觸的問題。，可能發(fā)生失去接觸的問題。2021-11-12575.5 多普勒計程儀在大深度使用時搖多普勒計程儀在大深度使用時搖擺問題的分析及搖擺補償擺問題的分析及搖擺補償n 不失去海底接觸的條件不失去海底接觸的條件o 信號往返時間信號往返時間o 載體

43、的搖擺角載體的搖擺角 搖擺角的速度為搖擺角的速度為 h tttm2sin)( ttttttm2cos2ddcos2chtp h - 2021-11-1258n 1) 最壞的情況：載體以最大角速度搖擺。最壞的情況：載體以最大角速度搖擺。o 用最大擺速計算，信號往返時間內(nèi)波束指向性變化應(yīng)小于波束用最大擺速計算，信號往返時間內(nèi)波束指向性變化應(yīng)小于波束寬度的一半（滿足寬度的一半（滿足不失去接觸的條件不失去接觸的條件 ）。）。o 例如：例如：在搖擺周期在搖擺周期 t25s， 搖擺角搖擺角m3，23， 3.3時，有時，有h1510m1510m。 當(dāng)當(dāng)t10s，有，有h604m604m。n 2) 在信號往返

44、時間內(nèi)，載體的搖擺角達(dá)到最大在信號往返時間內(nèi)，載體的搖擺角達(dá)到最大 o 當(dāng)載體水平時當(dāng)載體水平時 ，認(rèn)為是認(rèn)為是信號發(fā)射時刻，當(dāng)信號發(fā)射時刻，當(dāng)ttp時，搖擺角為時，搖擺角為2cos222chtttmpmmcth8cos 2cos22sin2sinchttttmpmp mcth2sin4cos1在上述條件下在上述條件下h1600m1600mh1700m1700m2021-11-1259n3)一般的情況：在一般的情況：在tj時刻發(fā)射，信號接收時刻為時刻發(fā)射，信號接收時刻為tr，同時海底有傾斜，同時海底有傾斜 。o 設(shè)某波束第設(shè)某波束第j次發(fā)射時的搖擺角度為次發(fā)射時的搖擺角度為o 第第j個回波到達(dá)

45、接收點并開始測頻時的搖擺角為個回波到達(dá)接收點并開始測頻時的搖擺角為 o 回波不失去接觸的條件回波不失去接觸的條件o 設(shè)發(fā)射次設(shè)發(fā)射次nt，nr次接收到回波。次接收到回波。 則則回波接觸比為回波接觸比為 jmj ttt2sinrjmrjtt2sin2rjjtrennn 2021-11-1260n 海底有斜坡，有搖擺時，左右（或前后）波束的回波時間差海底有斜坡，有搖擺時，左右（或前后）波束的回波時間差iriirhbccbairiirhbccab 假定載體速度不大，在收發(fā)時間內(nèi)可認(rèn)為水平移動距離與海深相假定載體速度不大，在收發(fā)時間內(nèi)可認(rèn)為水平移動距離與海深相比甚小。因此，可在同一測量點分析載體搖擺時

46、的信號傳播時間。比甚小。因此，可在同一測量點分析載體搖擺時的信號傳播時間。 當(dāng)載體速度較大時，還應(yīng)考慮由此引起的波束不能接觸的問題。當(dāng)載體速度較大時，還應(yīng)考慮由此引起的波束不能接觸的問題。2021-11-1261n 海底有斜坡，有搖擺時，左右（或前后）波束的回波時間差海底有斜坡，有搖擺時，左右（或前后）波束的回波時間差iriirhbccbairiirhbccabbccbacacabc和和abc相似相似tanctgcoscos/hhrhrii號波束、號波束、ii號波束號波束到海底的斜距為到海底的斜距為sintancoshrisintancoshrii當(dāng)載體有搖擺角當(dāng)載體有搖擺角時時)sin(ta

47、n)cos(hri)sin(tan)cos(hrii思路：只要知道距離差便可知思路：只要知道距離差便可知道兩個波束的回波時間差。道兩個波束的回波時間差。2021-11-1262o 按照前面分析的第一種情況按照前面分析的第一種情況 ，設(shè)信號發(fā)射時刻載體處于，設(shè)信號發(fā)射時刻載體處于水平狀態(tài)，則接收時刻載體搖擺角的最大值為水平狀態(tài)，則接收時刻載體搖擺角的最大值為o 號波束、號波束、 ii號波束回波到達(dá)接收點的距離與標(biāo)稱距離之號波束回波到達(dá)接收點的距離與標(biāo)稱距離之差分別為差分別為 o i號波束和號波束和ii號波束回波到達(dá)時間差為號波束回波到達(dá)時間差為 rmtt2max)sin(tan)cos()sin

48、(tan)cos(sintancos maxmaxmaxmaxiiiirrrr)sin(tan)cos()sin(tan)cos(sintancos maxmaxmaxmaxiiiiiiiirrrriiiiiirrct2,2021-11-12635.5 多普勒計程儀在大深度使用時搖多普勒計程儀在大深度使用時搖擺問題的分析及搖擺補償擺問題的分析及搖擺補償o 搖擺補償搖擺補償n 在搖擺角未知（沒有姿態(tài)儀）的情況下，如何對測在搖擺角未知（沒有姿態(tài)儀）的情況下，如何對測量的船速進行搖擺修正。量的船速進行搖擺修正。coscos4tdxffcvdiididfff利用利用5.3節(jié)節(jié)學(xué)過學(xué)過的內(nèi)的內(nèi)容容)co

49、s(2txdifcvf)cos(2txdiifcvf用兩個波束頻率之差和頻率之和兩者來用兩個波束頻率之差和頻率之和兩者來計算速度，以得到更高的速度精度計算速度，以得到更高的速度精度 。2021-11-1264n 用兩個波束頻率用兩個波束頻率之差和頻率之和之差和頻率之和計算速度計算速度 由此可得由此可得)cos(cos4txdiidifcvff)sin(sin4txdiidifcvff)cos(cos14tdiidixfffcv)sin(sin14tdiidixfffcv)(sin)(22convvxx)sin(sin)cos(cos4diididiiditfffffc 用兩個波束的用兩個波束的

50、頻率之差和頻率之頻率之差和頻率之和兩者來計算速度，和兩者來計算速度，可以得到更高的速可以得到更高的速度精度。度精度。 2021-11-1265n 搖擺角的計算搖擺角的計算)tan(tandiididiidiffffdiididiididiididiidiffffffff11tan1)(tan)tan(aa11tan1)tan(diidiffa 注意到前向波束和后向波束總是一個正的頻移，注意到前向波束和后向波束總是一個正的頻移，一個負(fù)的頻移，即一個負(fù)的頻移，即fdi與與fdii總是反號總是反號 ，記，記可以利用多普可以利用多普勒計程儀本身勒計程儀本身測出的的兩個測出的的兩個多普勒頻率來多普勒頻率

51、來計算搖擺角，計算搖擺角，并由此進行速并由此進行速度修正。度修正。)cos(cos4txdiidifcvff)sin(sin4txdiidifcvff2021-11-12665.6 多普勒測速聲吶的頻率測量多普勒測速聲吶的頻率測量o 過零點頻率測量方法過零點頻率測量方法n 基本思想：指定時間內(nèi)記錄過零點的數(shù)目基本思想：指定時間內(nèi)記錄過零點的數(shù)目 o 采用計數(shù)器直接記錄過零點個數(shù)采用計數(shù)器直接記錄過零點個數(shù) o 數(shù)字式過零頻率測量技術(shù)數(shù)字式過零頻率測量技術(shù) 2021-11-12675.6 多普勒測速聲吶的頻率測量多普勒測速聲吶的頻率測量o 過零點頻率測量方法過零點頻率測量方法 n 雙計數(shù)器頻率測

52、量方法雙計數(shù)器頻率測量方法 0mtnt mnff0規(guī)定的規(guī)定的 f0一般需為幾一般需為幾mhz幾十幾十mhz 2021-11-1268n 數(shù)字式過零點頻率測量方法數(shù)字式過零點頻率測量方法o 方法方法 先對信號進行濾波、放大、及限幅處理。先對信號進行濾波、放大、及限幅處理。 以采樣頻率以采樣頻率f fs s對信號采樣，判斷并記錄剛過零的對信號采樣，判斷并記錄剛過零的2 2個個相鄰周期的采樣時刻，以及過零前的兩個采樣時刻；相鄰周期的采樣時刻，以及過零前的兩個采樣時刻； 利用線性插值或余弦插值法計算利用線性插值或余弦插值法計算2 2個零點地位置；個零點地位置； 記錄第一次和第記錄第一次和第n n次過

53、零的估計時間，以降低估計誤次過零的估計時間，以降低估計誤差（將兩次估計的誤差平均到差（將兩次估計的誤差平均到n n1 1個周期）；個周期）； 計算誤差。計算誤差。 o 設(shè)輸入信號的離散形式為設(shè)輸入信號的離散形式為ssffnantfany002sin)2sin()(被測頻率 采樣頻率 2021-11-1269n 數(shù)字式過零點頻率測量方法數(shù)字式過零點頻率測量方法stnk)()(ntz) 1( ntz)(0nnt)(nteytststn) 1( ) 1( nstn)()(n正弦信號的周期估計值為正弦信號的周期估計值為 setnnnknt) 1()()()(ssiaibtitiss)(1)(iaibi

54、biaibibssssssi)(頻頻率率估估計計方方法法tz(n)tz(n-1)2021-11-1270誤差的性質(zhì)誤差的性質(zhì)o 設(shè)信號的實際周期為設(shè)信號的實際周期為t0，從某時刻開始計算，第從某時刻開始計算，第n個過零個過零點的時刻點的時刻o 信號周期為信號周期為o 其中其中 ( )為單位階躍序列。上式取為單位階躍序列。上式取z變換后得到變換后得到o 令令o 則有則有) 1()()() 1()()(0nnnutntntntzze)()(0nntntz)1)()()(10zzztzte)exp()/2exp()2exp(00jffjftjz)1)()()(0jeefftft2021-11-127

55、1因此估計的周期序列的功率譜為因此估計的周期序列的功率譜為)1)()1)()( )1)(1)()()()()(0220*2jjjjeeeefeftfeefftftftft0222022202sin)(4)( 2sin)(4)()(fffftfftfte)1)()()(0jeefftft02021-11-1272誤差的性質(zhì)誤差的性質(zhì)o 周期序列的功率譜為周期序列的功率譜為o 誤差譜為誤差譜為o 誤差的形狀誤差的形狀022202sin)(4)( )(fffftfte)(sin4)(2022ffffh2021-11-1273 復(fù)互相關(guān)頻率測量方法復(fù)互相關(guān)頻率測量方法n思路：思路：找出估計頻率與相關(guān)函數(shù)的關(guān)系與采樣值的關(guān)系找出估計頻率與相關(guān)函數(shù)的關(guān)系與采樣值的關(guān)系1）求平均頻率與相關(guān)函