第5章声学多普勒测速技术.pptVIP

水下定位与导航技术 第五章 声学多普勒测速技术 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。 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 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 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。 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。 5.2 舰船多普勒测速原理 舰船多普勒测速原理 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 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 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 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 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 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 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 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 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。 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 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 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