水下定位與導(dǎo)航技術(shù)聲學(xué)多普勒測速技術(shù)概述課件

2023/9/201水下定位與導(dǎo)航技術(shù)第五章 聲學(xué)多普勒測速技術(shù)5.1引言2023/9/202艦船導(dǎo)航設(shè)備的類型無線電導(dǎo)航設(shè)備，典型的有勞蘭-C系統(tǒng)（定位精度約200米）、系統(tǒng)（精度約1海里）以及臺卡系統(tǒng)（精度25米）等。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)5~10m。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)到每小時幾十米。計算法定位導(dǎo)航設(shè)備機(jī)械式導(dǎo)航設(shè)備：水壓式測速計、拖曳式旋轉(zhuǎn)流量計等。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)計程儀。5.1引言2023/9/203多普勒現(xiàn)象目標(biāo)與聲源的相對運(yùn)動（相向、相離）聲源和接收一體的情況多普勒速度解算公式艦船的測速原理、方法測速誤差產(chǎn)生的原因影響多普勒測速的主要因素及改進(jìn)方法

各個測量誤差對總誤差的貢獻(xiàn)減小測速誤差的方法相控陣多普勒測速技術(shù)多普勒計程儀在大深度使用時搖擺問題的分析及搖擺補(bǔ)償多普勒測速聲吶頻率測量技術(shù)5.2

艦船多普勒測速原理多普勒效應(yīng)的時域分析脈沖前沿到達(dá)時刻設(shè)脈沖經(jīng)目標(biāo)反射回到接收點(diǎn)。的時間為t1，則目標(biāo)移動的距離為因此有因而得到前沿往返時間為t12023/9/2045.2

艦船多普勒測速原理多普勒效應(yīng)的時域分析脈沖后沿到達(dá)時刻設(shè)發(fā)射脈沖寬度為T

，則當(dāng)脈沖后沿離開換能器表面時，目標(biāo)已向聲吶靠近了vT。t2。若其往返時間為t2，在t2時間內(nèi)目標(biāo)又向聲吶靠近因此有由此得到后沿的往返時間為2023/9/2055.2

艦船多普勒測速原理結(jié)論在相向運(yùn)動時，脈沖被壓縮；在相離運(yùn)動時，脈沖被展寬。多普勒效應(yīng)的時域分析換能器接收到的脈沖寬度前后沿所需往返時間不同，其差值是無相對運(yùn)動時前后沿到達(dá)的時間應(yīng)當(dāng)相等，有相對運(yùn)動，t1-t2變化了多少時間？因此，接收信號的脈寬為接收信號頻率變?yōu)?

T

t1

t2＋T2023/9/206艦船多普勒測速原理5.2

艦船多普勒測速原詹納斯理（Janus）配置船與被照射區(qū)的相對徑向速度為：接收的回波

信號頻率為：多普勒頻移為：水平速度：2023/9/2075.2

艦船多普勒測速原理艦船多普勒測速原理十字形配置和X形配置詹納斯（Janus）配置2023/9/2085.3影響多普勒測速的主要因素及改進(jìn)方法由解算公式近似引起的誤差船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補(bǔ)償傳播聲速引起的測速誤差有限波束寬度的影響噪聲對頻率測量的影響安裝角度偏離誤差及其校正2023/9/209由解算公式近似引起的誤差沒有近似時的多普勒頻移為一階近似后的多普勒頻移引入的相對測速誤差為fT－－發(fā)射頻率

fr－－接收頻率

fd－－多普勒頻移2023/9/2010由解算公式近似引起的誤差沒有近似時I號波束、II號波束接收的信號頻率為前后兩波束接收信號的頻差為一階近似后的多普勒頻移引入的相對測速誤差為詹納斯配置2023/9/20115.3影響多普勒測速的主要因素及改進(jìn)方法2023/9/2012由解算公式近似引起的誤差船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補(bǔ)償傳播聲速引起的測速誤差有限波束寬度的影響噪聲對頻率測量的影響安裝角度偏離誤差及其校正船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補(bǔ)償向前的I號波束測得的多普勒頻移為向后的II號波束測得的多普勒頻移為前后兩波束接收信號的頻差為在有搖擺和上下起伏時2023/9/20132023/9/2014船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補(bǔ)償利用姿態(tài)測量裝置對速度進(jìn)行修正相對頻率測量誤差無搖擺時 ，因此當(dāng)vz=0時，可以解出修正后的速度為在船舶無搖擺及上下起伏時前后兩波束接收信號的頻差為淺水使用時收發(fā)期間只需測量一次姿態(tài)角5.3

影響多普勒測速的主要因素及改

進(jìn)方法2023/9/2015由解算公式近似引起的誤差船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補(bǔ)償傳播聲速引起的測速誤差有限波束寬度的影響噪聲對頻率測量的影響安裝角度偏離誤差及其校正傳播聲速引起的測速誤差詹納斯配置的聲速誤差引起的測速誤差由公式可以看出，聲速有多大的相對誤差，將引起同樣的測速誤差（相對誤差）進(jìn)行聲速補(bǔ)償?shù)姆椒y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。測量換能器表明的溫度，計算速度時使用現(xiàn)場測得的聲速。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。由聲速的計算公式，只要保持 為常數(shù)。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)，即因此，只需保持換能器表面附近為常數(shù)，便不會因其它水層的聲速變化而帶來聲速誤差。相控陣2023/9/2016導(dǎo)流罩充油，恒溫5.3

影響多普勒測速的主要因素及改

進(jìn)方法2023/9/2017由解算公式近似引起的誤差船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補(bǔ)償傳播聲速引起的測速誤差有限波束寬度的影響（掠射角、束寬、脈寬）噪聲對頻率測量的影響安裝角度偏離誤差及其校正有限波束寬度的影響波束寬度－－多普勒頻移擴(kuò)展相對頻移擴(kuò)展為減小有限波束寬度影響的方法多次獨(dú)立測量求平均；測量M次，平均后誤差可降低 倍。取回波信號中間部分進(jìn)行測頻α問題：波束寬了不好，窄了可以嗎？α小點(diǎn)好嗎？2023/9/2018有限波束寬度的影響波束寬度－－多普勒頻移擴(kuò)展減小束寬波束窄好→頻率擴(kuò)展減小，測頻精度可以提高，但散射強(qiáng)度TS=RS+10logS

將會減小，并且束寬Θ=λ/L，或加大陣的尺度，或提高f。掠射角α小多普勒頻偏大，但回波強(qiáng)度下降，信噪比下降。怕?lián)u擺60°左右。脈沖寬度要求兩個波束邊沿的信號必須重疊，f才能測量得準(zhǔn)。但脈沖寬對系統(tǒng)的功率提出要求。α2023/9/20195.3影響多普勒測速的主要因素及改進(jìn)方法2023/9/2020由解算公式近似引起的誤差船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補(bǔ)償傳播聲速引起的測速誤差有限波束寬度的影響噪聲對頻率測量的影響安裝角度偏離誤差及其校正噪聲對頻率測量的影響過零檢測法—測量N次過零的時間計算回波頻率。

設(shè)N個過零點(diǎn)總測量時間為T多普勒頻率時間T的測量誤差與多普勒頻率測量誤差的關(guān)系為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2023/9/2021時間測量誤差與速度測量誤差的關(guān)系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)為當(dāng)采用詹納斯配置時，兩個波束獨(dú)立測量頻率。2023/9/2022例如，當(dāng)N=32，cosα＝0.5，要求測速誤差為，允許的一個周期內(nèi)的相對時間測量誤差為測速精度對信噪比對的要求2023/9/20235.3影響多普勒測速的主要因素及改進(jìn)方法2023/9/2024由解算公式近似引起的誤差船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補(bǔ)償傳播聲速引起的測速誤差有限波束寬度的影響噪聲對頻率測量的影響安裝角度偏離誤差及其校正安裝角度偏離誤差及其校正

基陣安裝誤差帶來的系統(tǒng)誤差，可通過現(xiàn)場測速進(jìn)行校正。由幾何關(guān)系有兩個速度之間的關(guān)系

安裝角度與船的首尾線的幾何關(guān)系由多普勒測速儀可以得到的速度值為2023/9/2025安裝角度偏離誤差及其校正校準(zhǔn)方法安裝偏移角的校正，可在海上進(jìn)行。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GPS測量起止點(diǎn)的船位，根據(jù)航行時間得到船的平均速度vx、vy。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vx、vy。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v’x、v’y.計算安裝偏移角2023/9/2026安裝角度偏離誤差及其校正校準(zhǔn)方法

安裝偏移角修正后的速度對于水平波束X形配置，有2023/9/20275.3

影響多普勒測速的主要因素及改

進(jìn)方法2023/9/2028由解算公式近似引起的誤差一階近似誤差---采用雙波束船舶搖擺引起的測速誤差及搖擺補(bǔ)償搖擺誤差---進(jìn)行搖擺補(bǔ)償傳播聲速引起的測速誤差聲速誤差---聲速補(bǔ)償有限波束寬度的影響有限束寬（頻率擴(kuò)展）---窄波束、大俯角噪聲對頻率測量的影響噪聲---提高信號/噪聲比安裝角度偏離誤差及其校正只要保證補(bǔ)償相移不隨聲速變化而變即可。5.4

相控陣多普勒測速技術(shù)隨c變。考慮采用多元陣波束可控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，因此尺寸很大，需要減小尺寸。相控陣聲速自動補(bǔ)償原理單波束情況下的速度測量公式為問題是如何保證＝常數(shù)采用4個陣元，構(gòu)成的換能器陣，α是固定的，不能2023/9/20295.4

相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣聲速自動補(bǔ)償原理單波束情況下的速度測量公式為設(shè)多元直線陣，陣元間距為d，信號的入射方向：θ相鄰陣元的相位差為只要保持ф不變2023/9/20305.4

相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣聲速自動補(bǔ)償原理當(dāng)采用詹納斯配置時結(jié)論：只要兩兩陣元之間補(bǔ)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。采用詹納斯配置α是固定的，ф不能固定，隨c改變。注意：ф固定

α隨c改變。2023/9/20315.4

相控陣多普勒測速技術(shù)2023/9/2032相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)直線陣的指向性復(fù)習(xí)復(fù)合陣的指向性相控陣的指向性相控收發(fā)的實現(xiàn)方法5.4

相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)直線陣地指向性復(fù)習(xí)自然指向性為兩兩陣元間接收信號的相位差2023/9/20335.4

相控陣多普勒測速技術(shù)現(xiàn)相控陣布陣及相控收發(fā)的實直線陣地指向性復(fù)習(xí)自然指向性圖為指向性零點(diǎn)方向滿足12023/9/20345.4

相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)直線陣地指向性復(fù)習(xí)自然指向性圖為指向性零點(diǎn)方向滿足旁瓣位置應(yīng)滿足2023/9/20355.4

相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)直線陣地指向性復(fù)習(xí)自然指向性圖為指向性零點(diǎn)方向滿足旁瓣位置應(yīng)滿足柵瓣位置滿足2023/9/20365.4

相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)直線陣地指向性復(fù)習(xí)當(dāng)在相鄰陣元間補(bǔ)償相位時，指向性函數(shù)為主極大方向柵瓣方向2023/9/20375.4

相控陣多普勒測速技術(shù)相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)復(fù)合陣的指向性復(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：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)成的陣的指向性。例如一個多元陣分成兩個子陣，子陣1和子陣2，2個子陣的指向性為 ；將子陣看成一個無方向性的基元，2個基元構(gòu)成的2元陣的指向性為 ；則總指向性為。2023/9/20385.4

相控陣多普勒測速技術(shù)第三級有4個子陣，每個子陣是N/4元陣，各陣元之間用導(dǎo)線連接。陣元間距D3＝4d，陣長L3=L總-3d第二級有2個子陣，每個由2個陣元組成，陣元間距D2

＝2d第一級由2個陣元組成，陣元間距D1

＝d子陣

1

2

3

4相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣及其指向性（等間距直線陣分解）設(shè)直線陣由N個（可被4整除）靈敏度相同，間距為d的陣元組成?！?023/9/20395.4

相控陣多普勒測速技術(shù)，相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控陣及指向性第一級2元陣的指向性為零點(diǎn)位置為第二級2元陣的指向性為，零點(diǎn)位置為第三級子陣的指向性為，第一柵瓣的位置為總陣的自然指向性為D1

＝dD2

＝2dD3＝4d2023/9/2040自然指向性第一級零點(diǎn)位置第二級零點(diǎn)位置第三級副極大值位置合成指向性自然指向性2023/9/20415.4

相控陣多普勒測速技術(shù)2023/9/2042相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)相控收發(fā)的實現(xiàn)方法實現(xiàn)相控發(fā)射的方法自然指向性第一級零點(diǎn)位置第二級零點(diǎn)位置第三級副極大值位置合成指向性相控發(fā)射指向性2023/9/2043自然指向性零點(diǎn)位置零點(diǎn)位置副極大值位置合成指向性自然指向性相控發(fā)射指向性2023/9/20445.4

相控陣多普勒測速技術(shù)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)方法實現(xiàn)相控發(fā)射的方法對第二級的兩個子陣進(jìn)行相控，子陣間距為2d。主極大應(yīng)從控制到位置 ，子陣3、子陣4需補(bǔ)償?shù)南嘁茷榈谌壍诙壍谝患壸雨?/p>

1

2

3

4陣元

1

2相位補(bǔ)償后主極大方向移到2023/9/20455.4

相控陣多普勒測速技術(shù)2023/9/2046相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)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)相控接收的方法自然指向性第一級零點(diǎn)位置第二級零點(diǎn)位置第三級副極大值位置合成指向性相控接收指向性（左波束）2023/9/2047自然指向性第一級零點(diǎn)位置第二級零點(diǎn)位置第三級副極大值位置合成指向性相控接收指向性（右波束）2023/9/2448實現(xiàn)相控接收的方法相控接收（左波束）2023/9/2449相控接收（右波束）5.4

相控陣多普勒測速技術(shù)4）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法實現(xiàn)相控接收的方法對第二級的兩個子陣進(jìn)行相控，子陣間距為2d。主極大應(yīng)從控制到位置 ，子陣3、子陣4需補(bǔ)償?shù)南嘁茷閷⒌谝患壎嚨闹鳂O大值方向控制到的位置，陣元2（由子陣2和子陣4構(gòu)成）需補(bǔ)償?shù)南嘁茷榈谌?023/9/2450第二級第一級子陣

1

2

3

4相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)陣元

1

2右波束5.4

相控陣多普勒測速技術(shù)4）相控收發(fā)的實現(xiàn)方法實現(xiàn)相控接收的方法第二級：子陣3、子陣4需補(bǔ)償?shù)南嘁痞校雨?和子陣2不補(bǔ)償；第一級：陣元2（由子陣2和子陣4構(gòu)成）需補(bǔ)償?shù)南嘁痞?2，陣元1不補(bǔ)償。第三級第二級第一級陣元

1

22023/9/2451子陣

1

2

3

4相控陣布陣及相控收發(fā)的實現(xiàn)對應(yīng)于右發(fā)射波束實測相控陣指向總陣指向性2023/9/2452相控后的指向性5.4

相控陣多普勒測速技術(shù)2023/9/2453相控陣收發(fā)的優(yōu)點(diǎn)聲速能自動補(bǔ)償基陣體積小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1/6。便于安裝相控陣是圓形平面陣，可以與載體“共形”。波束一致性好它只用一個多元平面陣，通過相控形成4個波束，各個波束的指向性、波束寬度是一致的。美國RD300常規(guī)美國RD150相控2023/9/24545.5

多普勒計程儀在大深度使用時搖擺問題的分析及搖擺補(bǔ)償2023/9/2455搖擺分析搖擺補(bǔ)償5.5

多普勒計程儀在大深度使用時搖

擺問題的分析及搖擺補(bǔ)償2023/9/2456搖擺分析多普勒測速聲吶在大深度使用時應(yīng)考慮的問題：深度↑→工作頻率↓→基陣尺寸↑會出現(xiàn)與海底“失去接觸”的情況例如：深度＝300m，往返時間≈400ms，搖擺周期T＝幾秒～十幾秒，因此，不會發(fā)生失去接觸的問題。在大深度時，則會出現(xiàn)“失去接觸”的情況。如深度＝1000m，往返時間≈1.33s，若搖擺周期為

T=2.5s，可能發(fā)生失去接觸的問題。5.5

多普勒計程儀在大深度使用時搖擺問題的分析及搖擺補(bǔ)償不失去海底接觸的條件信號往返時間載體的搖擺角搖擺角的速度為2023/9/24571)最壞的情況：載體以最大角速度搖擺。

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（滿足不失去接觸的條件）。例如：在搖擺周期

T＝25s，

搖擺角βm＝3°，θ＝23°，

Θ＝3.3°時，有H≤1510m。

當(dāng)T＝10s，有H≤604m。2)在信號往返時間內(nèi)，載體的搖擺角達(dá)到最大

當(dāng)載體水平時，認(rèn)為是信號發(fā)射時刻，當(dāng)t＝tp時，搖擺角為在上述條件下H≤1600m2023/9/2458H≤1700m3)一般的情況：在tj時刻發(fā)射，信號接收時刻為tr，同時海底有傾斜。

設(shè)某波束第j次發(fā)射時的搖擺角度為第j個回波到達(dá)接收點(diǎn)并開始測頻時的搖擺角為回波不失去接觸的條件設(shè)發(fā)射次Nt，Nr次接收到回波。則回波接觸比為2023/9/2459海底有斜坡，有搖擺時，左右（或前后）波束的回波時間差①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(diǎn)分析載體搖擺時的信號傳播時間。②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。2023/9/2460距離門的設(shè)定問題Ι號波束、II號波束到海底的斜距為當(dāng)載體有搖擺角β時海底有斜坡，有搖擺時，左右（或前后）波束的回波時間差思路：只要知道距離差便可知道兩個波束的回波時間差?！鰽BC和△AB’C’相似2023/9/2461按照前面分析的第一種情況，設(shè)信號發(fā)射時刻載體處于水平狀態(tài)，則接收時刻載體搖擺角的最大值為Ι號波束、II號波束回波到達(dá)接收點(diǎn)的距離與標(biāo)稱距離之差分別為I號波束和II號波束回波到達(dá)時間差為2023/9/24625.5

多普勒計程儀在大深度使用時搖

擺問題的分析及搖擺補(bǔ)償搖擺補(bǔ)償在搖擺角未知（沒有姿態(tài)儀）的情況下，如何對測量的船速進(jìn)行搖擺修正。利用5.3節(jié)學(xué)過的內(nèi)容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。2023/9/2463用兩個波束頻率之差和頻率之和計算速度由此可得用兩個波束的

頻率之差和頻率之

和兩者來計算速度，可以得到更高的速

度精度。2023/9/2464搖擺角的計算注意到前向波束和后向波束總是一個正的頻移，一2023/9/2465個負(fù)的頻移，即fdI與fdII總是反號，記可以利用多普勒計程儀本身測出的的兩個多普勒頻率來計算搖擺角，并由此進(jìn)行速度修正。5.6

多普勒測速聲吶的頻率測量2023/9/2466過零點(diǎn)頻率測量方法基本思想：指定時間內(nèi)記錄過零點(diǎn)的數(shù)目采用計數(shù)器直接記錄過零點(diǎn)個數(shù)數(shù)字式過零頻率測量技術(shù)復(fù)互相關(guān)頻率測量方法5.6

多普勒測速聲吶的頻率測量過零點(diǎn)頻率測量方法雙計數(shù)器頻率測量方法規(guī)定的f0一般需為幾MHz～幾十MHz2023/9/2467數(shù)字式過零點(diǎn)頻率測量方法

方法①

先對信號進(jìn)行濾波、放大、及限幅處理。② 以采樣頻率fs對信號采樣，判斷并記錄剛過零的2個相鄰周期的采樣時刻，以及過零前的兩個采樣時刻；③ 利用線性插值或余弦插值法計算2個零點(diǎn)地位置；④ 記錄第一次和第N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N－1個周期）；⑤

計算誤差。設(shè)輸入信號的離散形式為被測頻率采樣頻率2023/9/2468數(shù)字式過零點(diǎn)頻率測量方法正弦信號的周期估計值為頻率估計方法tz(n)tz(n-1)2023/9/2469誤差的性質(zhì)設(shè)信號的實際周期為T0，從