第5章--声学多普勒测速技术教学文案.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第5章-声学多普勒测速技术,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,2,5.2 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,t,1,，,则目标移动的距离为 。,因此有,因而得到前沿往返时间为,t,1,3,5.2 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,。,t,2,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,4,5.2 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？,0 T t,1,t,2,T,5,5.2 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：,6,5.2 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,7,5.3 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,8,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,f,T,发射频率,f,r,接收频率,f,d,多普勒频移,9,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,10,5.3 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,11,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,12,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,v,z,=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,13,5.3 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,14,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,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（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,16,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？,17,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。,18,5.3 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,19,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,20,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。,21,例如，当,N,=32，cos,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,22,5.3 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,23,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,24,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,v,x,、v,y,。,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,v,x,、v,y,。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,25,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,26,5.3 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,27,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,28,5.4 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,29,5.4 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。,30,5.4 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,31,5.4 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,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）直线阵地指向性复习,自然指向性图为,指向性零点方向满足,1,33,5.4 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,自然指向性图为,指向性零点方向满足,旁瓣位置应满足,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,旁瓣位置应满足,栅瓣位置满足,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,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,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,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 。,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,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 D,3,4,d,，阵长L,3,=L,总,-3,d,第二级有2个子阵，每个由2个阵元组成，阵元间距D,2,2,d,第一级由2个阵元组成，阵元间距D,1,d,子阵 1 2 3 4,38,5.4 相控阵多普勒测速技术,相控阵布阵及相控收发的实现,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,D,1,d,D,2,2,d,D,3,4,d,39,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,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,4）相控收发的实现方法,实现相控发射的方法,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,相控发射指向性,42,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,43,5.4 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2,d,。主极大应从,控制到位置 ，子阵3、子阵4需补偿的相移为,第三级,第二级,第一级,子阵 1 2 3 4,阵元 1 2,相位补偿后主极大方向移到,44,5.4 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,45,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）,46,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）,47,实现相控接收的方法,相控接收（左波束）相控接收（右波束）,48,5.4 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2,d,。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,第三级,第二级,第一级,子阵 1 2 3 4,阵元 1 2,右波束,49,5.4 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,50,实测相控阵指向,总阵指向性 相控后的指向性,51,5.4 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。,52,美国RD300常规 美国RD150相控,53,5.5 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,54,5.5 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。,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,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,56,1)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,T,25s，摇摆角,m,3，,23,，,3.3,时，有H,1510m,。,当,T,10s，有,H,604m。,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,t,t,p,时，摇摆角为,在上述条件下H,1600m,H,1700m,57,3)一般的情况：在,t,j,时刻发射，信号接收时刻为,t,r,，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,N,t,，,N,r,次接收到回波。则,回波接触比为,58,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,59,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。,60,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,61,5.5 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。,62,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。,63,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,f,dI,与,f,dII,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。,64,5.6 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,65,5.6 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,f,0,一般需为几MHz几十MHz,66,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,f,s,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,67,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,t,z,(n),t,z,(n-1),68,误差的性质,设信号的实际周期为,T,0,，,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,69,因此估计的周期序列的功率谱为,0,70,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,。,71,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。,72,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,73,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 0,74,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,75,4）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,76,5）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,77,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,