《水下定位及导航技术》声学多普勒测速技术课件.ppt

2022/11/30,1,水下定位与导航技术,第五章 声学多普勒测速技术,2,5.1 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510m。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。,3,5.1 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,4,5.2 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,t1,5,5.2 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。,t2,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,6,5.2 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。,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？,7,5.2 舰船多普勒测速原理,舰船多普勒测速原理,詹纳斯（Janus）配置,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 ：,8,5.2 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,9,5.3 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,10,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,fT发射频率fr接收频率fd多普勒频移,11,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,12,5.3 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,13,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,14,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,在船舶无摇摆及上下起伏时,浅水使用时收发期间只需测量一次姿态角,15,5.3 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,16,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。,相控阵,导流罩充油，恒温,17,5.3 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,18,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,问题：1）波束宽了不好，窄了可以吗？2）小点好吗？,19,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=/L，或加大阵的尺度，或提高f。掠射角小多普勒频偏大，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。,20,5.3 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,21,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,22,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。,23,例如，当N=32，cos0.5，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,24,5.3 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,25,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,由多普勒测速仪可以得到的速度值为,26,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vx、vy. 计算安装偏移角,27,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,对于水平波束X形配置，有,28,5.3 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一阶近似误差-采用双波束船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 摇摆误差-进行摇摆补偿传播声速引起的测速误差 声速误差-声速补偿有限波束宽度的影响 有限束宽（频率扩展）-窄波束、大俯角噪声对频率测量的影响 噪声-提高信号/噪声比安装角度偏离误差及其校正,29,只要保证补偿相移不随声速变化而变即可。,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵声速自动补偿原理单波束情况下的速度测量公式为采用4个阵元，构成的换能器阵，是固定的，不能随c变。考虑采用多元阵波束可控在大深度工作时由于要降低工作频率，要保持相当窄的收/发波束，基阵尺寸必须加大。采用詹纳斯配置需要4个阵元，因此尺寸很大，需要减小尺寸。,问题是如何保证常数,30,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵声速自动补偿原理单波束情况下的速度测量公式为设多元直线阵，阵元间距为d，信号的入射方向：相邻阵元的相位差为,只要保持不变,31,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵声速自动补偿原理当采用詹纳斯配置时结论：只要两两阵元之间补偿的相移保持不变，载体速度只与两个波束回波频率之差（多普勒频率）及阵元间距有关，与声速无关。按照这样的要求构成的阵称为相控阵。 采用詹纳斯配置是固定的， 不能固定，随c改变。,注意：固定随c改变。,32,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现 1）直线阵的指向性复习 2）复合阵的指向性 3）相控阵的指向性 4）相控收发的实现方法,33,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现1）直线阵地指向性复习自然指向性为 两两阵元间接收信号的相位差,34,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现1）直线阵地指向性复习自然指向性图为 指向性零点方向满足,1,35,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现1）直线阵地指向性复习自然指向性图为 指向性零点方向满足旁瓣位置应满足,36,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现1）直线阵地指向性复习自然指向性图为 指向性零点方向满足旁瓣位置应满足栅瓣位置满足,37,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现1）直线阵地指向性复习当在相邻阵元间补偿相位时，指向性函数为主极大方向 栅瓣方向,38,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现2）复合阵的指向性 复合阵的基本原理指的是，一个多元阵可分解为几个相同的子阵，该多元阵的指向性等于这样两个指向性的乘积：一个子阵的指向性，以及位于这些子阵声学中心的无指向性阵元构成的阵的指向性。 例如一个多元阵分成两个子阵，子阵1和子阵2，2个子阵的指向性为 ；将子阵看成一个无方向性的基元，2个基元构成的2元阵的指向性为 ；则总指向性为 。,39,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现3）相控阵及其指向性 （等间距直线阵分解）设直线阵由N个（可被4整除）灵敏度相同，间距为d的阵元组成。,第三级有4个子阵，每个子阵是N/4元阵，各阵元之间用导线连接。阵元间距 D34d，阵长L3=L总-3d,第二级有2个子阵，每个由2个阵元组成，阵元间距D2 2d,第一级由2个阵元组成，阵元间距D1 d,子阵 1 2 3 4,40,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现3）相控阵及指向性 第一级2元阵的指向性为 ， 零点位置为第二级2元阵的指向性为 ， 零点位置为第三级子阵的指向性为 ， 第一栅瓣的位置为总阵的自然指向性为,D1 dD2 2dD34d,41,自然指向性第一级零点位置第二级零点位置第三级副极大值位置合成指向性 自然指向性,42,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现4）相控收发的实现方法实现相控发射的方法,43,自然指向性第一级零点位置第二级零点位置第三级副极大值位置合成指向性 相控发射指向性,44,自然指向性零点位置零点位置副极大值位置合成指向性 自然指向性 相控发射指向性,45,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现4）相控收发的实现方法 实现相控发射的方法,对第二级的两个子阵进行相控，子阵间距为2d。主极大应从控制到位置 ，子阵3、子阵4需补偿的相移为,相位补偿后主极大方向移到,46,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现4）相控收发的实现方法实现相控发射的方法实现相控接收的方法,47,自然指向性第一级零点位置第二级零点位置第三级副极大值位置合成指向性 相控接收指向性（左波束）,48,自然指向性第一级零点位置第二级零点位置第三级副极大值位置合成指向性 相控接收指向性（右波束）,49,实现相控接收的方法,相控接收（左波束） 相控接收（右波束）,50,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现4）相控收发的实现方法 实现相控接收的方法,对第二级的两个子阵进行相控，子阵间距为2d。主极大应从控制到位置 ，子阵3、子阵4需补偿的相移为,将第一级二元阵的主极大值方向控制到 的位置，阵元2（由子阵2和子阵4构成）需补偿的相移为,右波束,51,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现4）相控收发的实现方法 实现相控接收的方法 第二级：子阵3、子阵4需补偿的相移，子阵1和子阵2不补偿；第一级：阵元2（由子阵2和子阵4构成）需补偿的相移/2，阵元1不补偿。,第三级第二级第一级,阵元 1 2,子阵 1 2 3 4,对应于右发射波束,52,实测相控阵指向,总阵指向性 相控后的指向性,53,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵收发的优点声速能自动补偿基阵体积小相控阵只用一个多元平面阵，成阵后的总面积约为常规法基阵面积的1/6。便于安装相控阵是圆形平面阵 ，可以与载体“共形” 。波束一致性好它只用一个多元平面阵，通过相控形成4个波束，各个波束的指向性、波束宽度是一致的。,54,美国RD300常规 美国RD150相控,55,5.5 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,摇摆分析 摇摆补偿,56,5.5 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,摇摆分析 多普勒测速声呐在大深度使用时应考虑的问题：1）深度工作频率基阵尺寸2）会出现与海底“失去接触”的情况 例如：深度300m，往返时间400ms，摇摆周期T几秒十几秒，因此，不会发生失去接触的问题。 在大深度时，则会出现“失去接触”的情况。如深度1000m，往返时间1.33s，若摇摆周期为T=2.5s，可能发生失去接触的问题。,57,5.5 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,不失去海底接触的条件信号往返时间载体的摇摆角 摇摆角的速度为,58,1) 最坏的情况：载体以最大角速度摇摆。用最大摆速计算，信号往返时间内波束指向性变化应小于波束宽度的一半（满足不失去接触的条件 ）。例如：在摇摆周期 T25s， 摇摆角m3，23， 3.3时，有H1510m。 当T10s，有H604m。2) 在信号往返时间内，载体的摇摆角达到最大 当载体水平时 ，认为是信号发射时刻，当ttp时，摇摆角为,在上述条件下H1600m,H1700m,59,3)一般的情况：在tj时刻发射，信号接收时刻为tr，同时海底有倾斜 。设某波束第j次发射时的摇摆角度为第j个回波到达接收点并开始测频时的摇摆角为 回波不失去接触的条件设发射次Nt，Nr次接收到回波。 则回波接触比为,60,海底有斜坡，有摇摆时，左右（或前后）波束的回波时间差, 假定载体速度不大，在收发时间内可认为水平移动距离与海深相比甚小。因此，可在同一测量点分析载体摇摆时的信号传播时间。 当载体速度较大时，还应考虑由此引起的波束不能接触的问题。,距离门的设定问题,61,海底有斜坡，有摇摆时，左右（或前后）波束的回波时间差,ABC和ABC相似,号波束、II号波束到海底的斜距为,当载体有摇摆角时,思路：只要知道距离差便可知道两个波束的回波时间差。,62,按照前面分析的第一种情况 ，设信号发射时刻载体处于水平状态，则接收时刻载体摇摆角的最大值为号波束、 II号波束回波到达接收点的距离与标称距离之差分别为 I号波束和II号波束回波到达时间差为,63,5.5 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,摇摆补偿在摇摆角未知（没有姿态仪）的情况下，如何对测量的船速进行摇摆修正。,利用5.3节学过的内容,用两个波束频率之差和频率之和两者来计算速度，以得到更高的速度精度 。,64,用两个波束频率之差和频率之和计算速度 由此可得,用两个波束的频率之差和频率之和两者来计算速度，可以得到更高的速度精度。,65,摇摆角的计算,注意到前向波束和后向波束总是一个正的频移，一个负的频移，即fdI与fdII总是反号 ，记,可以利用多普勒计程仪本身测出的的两个多普勒频率来计算摇摆角，并由此进行速度修正。,66,5.6 多普勒测速声呐的频率测量,过零点频率测量方法基本思想：指定时间内记录过零点的数目 采用计数器直接记录过零点个数 数字式过零频率测量技术 复互相关频率测量方法,67,5.6 多普勒测速声呐的频率测量,过零点频率测量方法 双计数器频率测量方法,规定的,f0一般需为几MHz几十MHz,68,数字式过零点频率测量方法方法 先对信号进行滤波、放大、及限幅处理。 以采样频率fs对信号采样，判断并记录刚过零的2个相邻周期的采样时刻，以及过零前的两个采样时刻； 利用线性插值或余弦插值法计算2个零点地位置； 记录第一次和第N次过零的估计时间，以降低估计误差（将两次估计的误差平均到N1个周期）； 计算误差。 设输入信号的离散形式为,被测频率,采样频率,69,数字式过零点频率测量方法,正弦信号的周期估计值为,频率估计方法,tz(n),tz(n-1),70,误差的性质,设信号的实际周期为T0，从某时刻开始计算，第n个过零点的时刻信号周期为其中u(n)为单位阶跃序列。上式取z变换后得到令则有,71,因此估计的周期序列的功率谱为,0,72,误差的性质,周期序列的功率谱为误差谱为误差的形状 结论：周期序列估计的误差集中在高频，可用一低通滤波器对其滤波。,73, 复互相关频率测量方法,思路：找出估计频率与相关函数的关系与采样值的关系1）求平均频率与相关函数的关系利用功率谱的矩确定平均频率与功率谱密度的关系利用功率谱与相关函数的关系，导出平均频率与相关函数的关系。利用相关函数与功率谱的傅立叶变换关系2）求平均频率与相关函数相位的关系利用相关函数的极坐标形式，以及其幅度与相位的奇偶性。简化测频的计算量，得到频率估值与相关函数的反正切成正比。3）求频率估值与正交采样信号的关系利用相关函数的计算方法，实部与虚部的关系可得。4）正交信号的获得在DSP中用希尔伯特变换算法得到同相和正交分量。 5）噪声对测频的影响将信号加入噪声进行分析即可得到噪声对测频的影响。,74, 复互相关频率测量方法,1）求平均频率与相关函数的关系设一被测信号为s(t)，其功率谱密度为S(f)，它的矩即为平均频率 由于又因因此有,利用功率谱与相关函数的关系，导出平均频率与相关函数的关系,75, 复互相关频率测量方法,2）求平均频率与相关函数相位的关系利用相关函数与功率谱的傅立叶变换关系得到因此有而 因此又因由此可推出,若,为的偶函数,为的奇函数,偶函数的导数为0,奇函数 0,76, 复互相关频率测量方法,3）求频率估值与正交采样信号的关系相关函数可用相邻两样本的共轭乘积之和来表示，即 由此，最后得到频率估计值为,由,实部虚部,77,4）正交信号的获得利用希尔伯特变换可得到两个正交的分量,78,5）噪声对测频的影响设第n个输入信号为频率估值应为 其中由窄带噪声的性质有,