第5章声学多普勒测技术

1、2021-11-121水下定位与导航技术水下定位与导航技术第五章第五章 声学多普勒测速技术声学多普勒测速技术2021-11-1225.1 引言引言o 舰船导航设备的类型舰船导航设备的类型n 无线电导航设备，典型的有劳兰无线电导航设备，典型的有劳兰-c系统（定位精度系统（定位精度约约200米）、系统（精度约米）、系统（精度约1海里）以及台卡系统海里）以及台卡系统（精度（精度25米）等。米）等。 n 卫星导航系统，全球卫星导航系统定位精度可达卫星导航系统，全球卫星导航系统定位精度可达510m。n 惯性导航系统。可长时间连续工作，但是有累积误惯性导航系统。可长时间连续工作，但是有累积误差，其量级达到

2、每小时几十米。差，其量级达到每小时几十米。 n 计算法定位导航设备计算法定位导航设备o 机械式导航设备：水压式测速计、拖曳式旋转流量计等。机械式导航设备：水压式测速计、拖曳式旋转流量计等。 o 电子式导航设备：电磁计程仪、电子式导航设备：电磁计程仪、声多普勒计程仪和声相关声多普勒计程仪和声相关计程仪。计程仪。 2021-11-1235.1 引言引言o多普勒现象多普勒现象n目标与声源的相对运动（相向、相离）目标与声源的相对运动（相向、相离）n声源和接收一体的情况声源和接收一体的情况n影响多普勒测速的主要因素及改进方法影响多普勒测速的主要因素及改进方法o各个测量误差对总误差的贡献各个测量误差对总误

3、差的贡献2021-11-1245.2 舰船多普勒测速原理舰船多普勒测速原理o 多普勒效应的时域分析多普勒效应的时域分析n 脉冲前沿到达时刻脉冲前沿到达时刻设脉冲经目标反射回到接收点设脉冲经目标反射回到接收点的时间为的时间为t t1 1，则目标移动的距离为则目标移动的距离为 。因此有因此有因而得到前沿往返时间为因而得到前沿往返时间为t12/1vt2211ctvtlxclcvclcvlt1/2/1/2212/1ct2/1vt2021-11-1255.2 舰船多普勒测速原理舰船多普勒测速原理o 多普勒效应的时域分析多普勒效应的时域分析n 脉冲后沿到达时刻脉冲后沿到达时刻 设发射脉冲宽度为设发射脉冲宽

4、度为t，则当脉冲后沿离开换能则当脉冲后沿离开换能器表面时，目标已向声器表面时，目标已向声呐靠近了呐靠近了vt。 t2vt2/2vt2/2vt222121ctvtvtlxxtclt12/22 若其往返时间为若其往返时间为t2，在，在t2时间内目标又向声呐靠近时间内目标又向声呐靠近 。因此有因此有 由此得到后沿的往返时间为由此得到后沿的往返时间为cvx/2021-11-1265.2 舰船多普勒测速原理舰船多普勒测速原理o 多普勒效应的时域分析多普勒效应的时域分析n 换能器接收到的脉冲宽度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，接收信号的脉宽为因此

5、，接收信号的脉宽为n 接收信号频率变为接收信号频率变为 n 结论结论o 在相向运动时，脉冲被压缩；在相离运动时，脉冲被展宽。在相向运动时，脉冲被压缩；在相离运动时，脉冲被展宽。xxtclt12/22xclcvclt1/2/1/21xxttt1221txxxxttttttr1112)(21fxxtxxtfrr111111无相对运动时前后沿到达的时间应当相等，无相对运动时前后沿到达的时间应当相等，有相对运动，有相对运动，t1-t2变化了多少时间？变化了多少时间？0 t t1 t2t2021-11-1275.2 舰船多普勒测速原理舰船多普勒测速原理o 舰船多普勒测速原理舰船多普勒测速原理 coscv

6、xxcos21)21 (1)1 (1122cvffxfxxfxxfxttttrcos22txttrdxfcvxffffdxtxffcvcos2詹纳斯（janus）配置 cvx/cosxvv 船与被照射船与被照射区的相对径区的相对径向速度为向速度为 ：接收的回波接收的回波信号频率为：信号频率为：多普勒频移多普勒频移为：为：水平速度水平速度 ：cos2txdifcvfcos2txdiifcvfcos4txdiididfcvfffcos4tdxfcfv 2021-11-1285.2 舰船多普勒测速原理舰船多普勒测速原理o 舰船多普勒测速原理舰船多普勒测速原理 n 十字形配置和十字形配置和x形配置形配

7、置詹纳斯（詹纳斯（janus）配置）配置 2021-11-1295.3 影响多普勒测速的主要因素及改影响多普勒测速的主要因素及改进方法进方法o 由解算公式近似引起的误差由解算公式近似引起的误差o 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 o 传播声速引起的测速误差传播声速引起的测速误差 cos4tdxfcfv 2021-11-1210o 由解算公式近似引起的误差由解算公式近似引起的误差n 没有近似时的多普勒频移为没有近似时的多普勒频移为n 一阶近似后的多普勒频移一阶近似后的多普勒频移n 引入的相对测速误差为引入的相对测速误差为ttttrdfxxffxxfff12111c

8、os22txtdxfcvxffft发射频率发射频率fr接收频率接收频率fd多普勒频移多普勒频移cvxxxxxxfffffxdddddcos122121112021-11-1211o 由解算公式近似引起的误差由解算公式近似引起的误差n 没有近似时没有近似时i号波束、号波束、ii号波束接收的信号频率为号波束接收的信号频率为 n 前后两波束接收信号的频差为前后两波束接收信号的频差为n 一阶近似后的多普勒频移一阶近似后的多普勒频移n 引入的相对测速误差为引入的相对测速误差为詹纳斯配置詹纳斯配置trfxxf111trfxxf112trrdfxxfff221114cos44txtdfcvfxf22221c

9、os14414cvxxxxxxffxddcvxffxddcos12021-11-12125.3 影响多普勒测速的主要因素及改影响多普勒测速的主要因素及改进方法进方法o 由解算公式近似引起的误差由解算公式近似引起的误差o 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 o 传播声速引起的测速误差传播声速引起的测速误差 2021-11-1213o 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿n 向前的向前的i号波束测得的多普勒频移为号波束测得的多普勒频移为 n 向后的向后的ii号波束测得的多普勒频移为号波束测得的多普勒频移为n 前后两波束接收信号的频差为前后两

10、波束接收信号的频差为在有摇摆和上下起伏时在有摇摆和上下起伏时)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船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿n利用姿态测量装置对速度进行修正利用姿态测量装置对速度进行

11、修正 n前后两波束接收信号的频差为前后两波束接收信号的频差为n相对频率测量误差相对频率测量误差 n无摇摆时无摇摆时 ，因此，因此n当当vz=0时，可以解出修正后的速度为时，可以解出修正后的速度为 cos4txdrfcvf1sincosxzdrdrddrdvvfffff sincoscosc4 xztxdiididvvfvfffcoscos4tdxffcv浅水使用时浅水使用时收发期间只收发期间只需测量一次需测量一次姿态角姿态角00/drdff2021-11-12155.3 影响多普勒测速的主要因素及改影响多普勒测速的主要因素及改进方法进方法o 由解算公式近似引起的误差由解算公式近似引起的误差o

12、船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 o 传播声速引起的测速误差传播声速引起的测速误差 2021-11-1216o传播声速引起的测速误差传播声速引起的测速误差 n 詹纳斯配置的声速误差引起的测速误差詹纳斯配置的声速误差引起的测速误差o 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）误差（相对误差）n 进行声速补偿的方法进行声速补偿的方法o 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。测量换能器表面处的声速，计算速度时使用现场测得的声速。n测量换能器表明的温度，计算速度时使用现场测

13、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。n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。算公式计算声速。 o 由声速的计算公式，只要保持由声速的计算公式，只要保持 为常数。为常数。n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，即速之比为常数，即n因此，只需保持换能器表面附近因此，只需保持换能器表面附近 为常数，便不会因为常数，便不会因其它水层的声速变化而带来声速误差。其它水层的声速变化而带来声速误差。cos4t

14、dxfcfv cos/c常数.coscos2211ccc/cos相相控控阵阵导流导流罩充罩充油，油，恒温恒温2021-11-12175.3 影响多普勒测速的主要因素及改影响多普勒测速的主要因素及改进方法进方法o 由解算公式近似引起的误差由解算公式近似引起的误差o 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 o 传播声速引起的测速误差传播声速引起的测速误差 2021-11-1218o 有限波束宽度的影响有限波束宽度的影响 n 波束宽度波束宽度 多普勒频移扩展多普勒频移扩展n 相对频移扩展为相对频移扩展为n 减小有限波束宽度影响的方法减小有限波束宽度影响的方法o 多次独立测量

15、求平均；测量多次独立测量求平均；测量m次，平均后误差可降低次，平均后误差可降低 倍。倍。o 取回波信号中间部分进行测频取回波信号中间部分进行测频sin2txdfcvfdb321cos22txtdfcvxfftanddffm1问题：问题：1）波束宽了不好，）波束宽了不好，窄了可以吗？窄了可以吗？2 2）小点好吗？小点好吗？2021-11-1219o 有限波束宽度的影响有限波束宽度的影响 n 波束宽度波束宽度 多普勒频移扩展多普勒频移扩展n 减小束宽减小束宽o 波束窄好波束窄好频率扩展减小，测频精度可以提高，频率扩展减小，测频精度可以提高，o 但散射强度但散射强度 ts=rs+10logs 将会减

16、小，将会减小，o 并且束宽并且束宽=/l=/l，或加大阵的尺度，或提高，或加大阵的尺度，或提高f f。n 掠射角掠射角o小多普勒频偏大，但回波强度下降，信噪比下降。怕摇摆小多普勒频偏大，但回波强度下降，信噪比下降。怕摇摆o 6060左右。左右。n 脉冲宽度脉冲宽度o 要求两个波束边沿的信号必须重叠，要求两个波束边沿的信号必须重叠，f才能测量得准。但脉冲宽才能测量得准。但脉冲宽对系统的功率提出要求。对系统的功率提出要求。db321cos22txtdfcvxff2021-11-12205.3 影响多普勒测速的主要因素及改影响多普勒测速的主要因素及改进方法进方法o 由解算公式近似引起的误差由解算公式

17、近似引起的误差o 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 o 传播声速引起的测速误差传播声速引起的测速误差 2021-11-1221o 噪声对频率测量的影响噪声对频率测量的影响 n 过零检测法过零检测法测量测量n次过零的时间计算回波频率。次过零的时间计算回波频率。o 设设n个过零点总测量时间为个过零点总测量时间为to 多普勒频率多普勒频率o 时间时间t的测量误差与多普勒频率测量误差的关系为的测量误差与多普勒频率测量误差的关系为 n 由多普勒频率与速度的关系可得速度测量误差与测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频误差的关系dtffnttftnftd

18、ttnfddd2xtdvcffdcos2dcos2txdxfcvf2021-11-1222n 时间测量误差与速度测量误差的关系时间测量误差与速度测量误差的关系n 在一定的测速误差下，允许的一个周期的时间测量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误差应为 n 当采用詹纳斯配置时，两个波束独立测量频率。当采用詹纳斯配置时，两个波束独立测量频率。xtvcnfttdcos2d2tdtfnffntxtxttvcfnvcnffntdcos2dcos2d2dtncfdvtxcos2xtvcnftxdcos2)/1 (d12221xxxxvcndcos222021-11-1223n 例如，当例如

19、，当n=32，cos0.50.5，要求测速误差为，要求测速误差为 ，允许的一个周期内的相对时间测量，允许的一个周期内的相对时间测量误差为误差为003. 01 . 015005 . 022nxs/m1 . 0dxv0188. 02003. 0dbns5 .340188. 01log20/2021-11-12245.3 影响多普勒测速的主要因素及改影响多普勒测速的主要因素及改进方法进方法o 由解算公式近似引起的误差由解算公式近似引起的误差o 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 o 传播声速引起的测速误差传播声速引起的测速误差 2021-11-1225o 安装角度偏离误

20、差及其校正安装角度偏离误差及其校正 n 基阵安装误差带来的系统误差，可通过现场测速进基阵安装误差带来的系统误差，可通过现场测速进行校正。行校正。 n 由几何关系有两个速度之间的关系由几何关系有两个速度之间的关系o 安装角度与船的首尾线的几何关系安装角度与船的首尾线的几何关系 cossinsincosyxyyxxvvvvvvcos4cos413iiiitdtddxfcffffcvcos4cos442iiivtdtddyfcffffcv由多普勒测速仪可以得到的速度值为由多普勒测速仪可以得到的速度值为2021-11-1226o 安装角度偏离误差及其校正安装角度偏离误差及其校正 n 校准方法校准方法o

21、 安装偏移角的校正，可在海上进行。安装偏移角的校正，可在海上进行。o 船保持直线航行一段距离，例如几海里，在航速达到稳定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后利用差分gps测量起止点的船位，根据航行时间得到船测量起止点的船位，根据航行时间得到船的平均速度的平均速度 vx、vy。o 利用船上的高精度罗径得到的航向，算得船坐标系的两个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速度分量vx、vy 。在速度稳定航段中，利用多普勒计程仪。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测得的两个速度分量同样也取平均值vx、vy. o 计算安装偏移

22、角计算安装偏移角 cossinsincosyxyyxxvvvvvvyyxxyxyxvvvvvvvvarctan2021-11-1227o 安装角度偏离误差及其校正安装角度偏离误差及其校正 n 校准方法校准方法o 安装偏移角安装偏移角 n 修正后的速度修正后的速度cossinsincosyxyyxxvvvvvvyyxxyxyxvvvvvvvvarctancossincos4sincossincoscos4sincos42134213ddtxyyddtyxxfffcvvvfffcvvv对于水平波束对于水平波束x形配置，有形配置，有 4/42134213cos8222cos8222ddtyxyddt

23、yxxfffcvvvfffcvvv2021-11-12285.3 影响多普勒测速的主要因素及改影响多普勒测速的主要因素及改进方法进方法o由解算公式近似引起的误差由解算公式近似引起的误差n一阶近似误差-采用双波束n摇摆误差-进行摇摆补偿n声速误差-声速补偿n有限束宽（频率扩展）-窄波束、大俯角n噪声-提高信号/噪声比2021-11-1229只要保证补偿相移不随声速变化而只要保证补偿相移不随声速变化而变即可。变即可。5.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵声速自动补偿原理相控阵声速自动补偿原理n 单波束情况下的速度测量公式为单波束情况下的速度测量公式为n 采用采用4个阵元，构成的

24、换能器阵，个阵元，构成的换能器阵，是固定的，不是固定的，不能随能随c c变。变。n 考虑采用多元阵考虑采用多元阵o波束可控波束可控o在大深度工作时由于要降低工作频率，要保持相当窄的收在大深度工作时由于要降低工作频率，要保持相当窄的收/发波发波束，基阵尺寸必须加大。采用詹纳斯配置需要束，基阵尺寸必须加大。采用詹纳斯配置需要4个阵元，因此尺个阵元，因此尺寸很大，需要寸很大，需要减小尺寸。减小尺寸。cos2sin2tdtdxfcffcfv常数cosc问题是如何问题是如何保证常数保证常数2021-11-12305.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵声速自动补偿原理相控阵声速自动补偿

25、原理n 单波束情况下的速度测量公式为单波束情况下的速度测量公式为n 设多元直线阵，阵元间距为设多元直线阵，阵元间距为d，n 信号的入射方向：信号的入射方向：n 相邻阵元的相位差为相邻阵元的相位差为cos2cdftttfkdfc12coskvcosfcvfxtxd22只要保持只要保持不变不变dk22021-11-12315.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o相控阵声速自动补偿原理相控阵声速自动补偿原理n 当采用詹纳斯配置时当采用詹纳斯配置时n 结论：结论：o 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

26、勒频率）及阵元间距有关，与声速波束回波频率之差（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。无关。按照这样的要求构成的阵称为相控阵。 o采用詹纳斯配置采用詹纳斯配置是固定的，是固定的， 不能固定，随不能固定，随c改变。改变。dfffffcfcfvrrtrrtdx2cos4)(cos42121注意：注意：固定固定随随c c改变。改变。cos2cdft2021-11-12325.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现 1）直线阵的指向性复习）直线阵的指向性复习 2）复合阵的指向性）复合阵的指向性 3）相控阵

27、的指向性）相控阵的指向性 4）相控收发的实现方法）相控收发的实现方法2021-11-12335.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现1）直线阵地指向性复习）直线阵地指向性复习n 自然指向性为自然指向性为 n 两两阵元间接收信号的相位差两两阵元间接收信号的相位差 sinsinsinsin2sin2sindndnnnrsin2 dsindl clt cf sin2222dlctctf2021-11-12345.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现1）直线阵地指向性复习）直

28、线阵地指向性复习n 自然指向性图为自然指向性图为 n 指向性零点方向满足指向性零点方向满足1,.2 , 1 ,2nkknndksin sinsinsinsin2sin2sindndnnnr12021-11-12355.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现1）直线阵地指向性复习）直线阵地指向性复习n 自然指向性图为自然指向性图为 n 指向性零点方向满足指向性零点方向满足n 旁瓣位置应满足旁瓣位置应满足 sinsinsinsin2sin2sindndnnnr1,.2 , 1 ,22nkknndndk2sin2021-11-12365.

29、4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现1）直线阵地指向性复习）直线阵地指向性复习n 自然指向性图为自然指向性图为 n 指向性零点方向满足指向性零点方向满足n 旁瓣位置应满足旁瓣位置应满足n 栅瓣位置满足栅瓣位置满足 sinsinsinsin2sin2sindndnnnr,.2 , 1,2kkdksin2021-11-12375.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现1）直线阵地指向性复习）直线阵地指向性复习n 当在相邻阵元间补偿相位时，指向性函数为当在相邻阵元间补偿相位时

30、，指向性函数为n 主极大方向主极大方向 栅瓣方向栅瓣方向 2sin2sinnnrd2sinddk2sinsin2 d2021-11-12385.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现2）复合阵的指向性）复合阵的指向性 o 复合阵的基本原理指的是，一个多元阵可分解为几个相同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：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

31、指向性。性阵元构成的阵的指向性。 o 例如一个多元阵分成两个子阵，子阵例如一个多元阵分成两个子阵，子阵1和子阵和子阵2，2个子阵个子阵的指向性为的指向性为 ；将子阵看成一个无方向性的基元，；将子阵看成一个无方向性的基元，2个基元构成的个基元构成的2元阵的指向性为元阵的指向性为 ；则总指向性；则总指向性为为 。)(2r)(1r)()()(21rrr2021-11-12395.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现3）相控阵及其指向性）相控阵及其指向性 （等间距直线阵分解）n 设直线阵由设直线阵由n个（可被个（可被4整除）灵敏度相同，间

32、距为整除）灵敏度相同，间距为d的阵元组成。的阵元组成。第三级有第三级有4个子阵，每个子阵是个子阵，每个子阵是n/4元阵，各阵元之元阵，各阵元之间用导线连接。阵元间距间用导线连接。阵元间距 d34d，阵长，阵长l3=l总总-3d第二级有第二级有2个子阵，每个由个子阵，每个由2个阵元组成，阵元间距个阵元组成，阵元间距d2 2d第一级由第一级由2个阵元组成，阵元间距个阵元组成，阵元间距d1 d子阵子阵 1 2 3 42021-11-12405.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现3）相控阵及指向性）相控阵及指向性 n 第一级第一级2元阵

33、的指向性为元阵的指向性为 ， 零点位置为零点位置为n 第二级第二级2元阵的指向性为元阵的指向性为 ， 零点位置为零点位置为n 第三级子阵的指向性为第三级子阵的指向性为 ， 第一栅瓣的位置为第一栅瓣的位置为n 总阵的自然指向性为总阵的自然指向性为 1rdd22sin1dd42sin2dd4sin3 321rrrr 2r 3r sinsinsinsin2sin2sindndnnnrndksin零点位置为d1 dd2 2dd34d,dksin栅瓣的位置为2021-11-1241自然指向性自然指向性o第一级零点位置第一级零点位置o第二级零点位置第二级零点位置o第三级副极大值位置第三级副极大值位置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 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现4）相控收发的实现方法）相控收发的实现方法n 实现相控发射的方法实现相控发射的方法2021-11-1243自然指向性自然指向性o第一级零点位置第一级零点位置o第二级零点位置第二级零点位置o第三级副极大值位置第三级副极大值位置o合成指向性合成指向性 相控发射指向性相控发射指向性 321rrrrdd4sin3dd22sin1dd42sin22021-11-1244自然指向性

35、自然指向性o零点位置零点位置o零点位置零点位置o副极大值位置副极大值位置o合成指向性合成指向性 自然指向性自然指向性 相控发射指向性相控发射指向性dd22sin1dd42sin2dd4sin3 321rrrr2021-11-12455.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现4）相控收发的实现方法）相控收发的实现方法 实现相控发射的方法实现相控发射的方法 0sin)4/(sindddd422sin222 对第二级的两个子阵进行相控，子阵间距为对第二级的两个子阵进行相控，子阵间距为2d。主极大应从。主极大应从控制到位置控制到位置 ，子阵

36、，子阵3、子阵、子阵4需补偿的相移为需补偿的相移为 第三级第三级第二级第二级第一级第一级阵元阵元 1 2 2sin2sinnnrd2sin相位补偿后主极大相位补偿后主极大方向移到方向移到 2021-11-12465.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现4）相控收发的实现方法）相控收发的实现方法n 实现相控发射的方法实现相控发射的方法n 实现相控接收的方法实现相控接收的方法2021-11-1247自然指向性自然指向性o第一级零点位置第一级零点位置o第二级零点位置第二级零点位置o第三级副极大值位置第三级副极大值位置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第一级零点位置第一级零点位置o第二级零点位置第二级零点位置o第三级副极大值位置第三级副极大值位置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实现相控接收的方法实现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 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o

38、相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现4）相控收发的实现方法）相控收发的实现方法 实现相控接收的方法实现相控接收的方法 0sin)4/(sindddd422sin222对第二级的两个子阵进行相控，子阵间距为对第二级的两个子阵进行相控，子阵间距为2d。主极大应从。主极大应从控制到位置控制到位置 ，子阵，子阵3、子阵、子阵4需补偿的相移为需补偿的相移为 将第一级二元阵的主极大值方向控制到将第一级二元阵的主极大值方向控制到 的位置，的位置，阵元阵元2（由子阵（由子阵2和子阵和子阵4构成）构成）需补偿的相移为需补偿的相移为 sin/ ()4d242sin211ddd第三级第三级第二级第二

39、级第一级第一级子阵子阵 1 2 3 4阵元阵元 1 2右波束右波束2021-11-12515.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵布阵及相控收发的实现相控阵布阵及相控收发的实现4）相控收发的实现方法）相控收发的实现方法 实现相控接收的方法实现相控接收的方法 第二级：子阵第二级：子阵3、子阵、子阵4需补偿的相移需补偿的相移，子阵，子阵1和子阵和子阵2不补偿；不补偿；第一级：阵元第一级：阵元2（由子阵（由子阵2和子阵和子阵4构成）需补偿的相移构成）需补偿的相移/2，阵元，阵元1不不补偿。补偿。第三级第三级第二级第二级第一级第一级阵元阵元 1 2子阵子阵 1 2 3 4对应于右发射

40、波束2021-11-1252实测相控阵指向实测相控阵指向2021-11-12535.4 相控阵多普勒测速技术相控阵多普勒测速技术o 相控阵收发的优点相控阵收发的优点n 声速能自动补偿声速能自动补偿n 基阵体积小基阵体积小o 相控阵只用一个多元平面阵，成阵后的总面积约为常规法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基阵面积的1/6。n 便于安装便于安装o 相控阵是圆形平面阵相控阵是圆形平面阵 ，可以与载体，可以与载体“共形共形” 。n 波束一致性好波束一致性好o 它只用一个多元平面阵，通过相控形成它只用一个多元平面阵，通过相控形成4个波束，各个波个波束，各个波束的指向性、波束

41、宽度是一致的。束的指向性、波束宽度是一致的。 2021-11-12542021-11-12555.5 多普勒计程仪在大深度使用时摇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摆问题的分析及摇摆补偿o 摇摆分析摇摆分析 o 摇摆补偿摇摆补偿2021-11-12565.5 多普勒计程仪在大深度使用时摇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摆问题的分析及摇摆补偿o 摇摆分析摇摆分析 n 多普勒测速声呐在大深度使用时应考虑的问题：多普勒测速声呐在大深度使用时应考虑的问题：1 1）深度深度工作频率工作频率基阵尺寸基阵尺寸2 2）会出现与海底）会出现与海底“失去接触失去接触”的情况的情况

42、 例如：深度例如：深度300m，往返时间，往返时间400ms，摇摆，摇摆周期周期t几秒十几秒，因此，不会发生失去接触几秒十几秒，因此，不会发生失去接触的问题。的问题。 在大深度时，则会出现在大深度时，则会出现“失去接触失去接触”的情况。如深的情况。如深度度1000m，往返时间，往返时间1.33s，若摇摆周期为，若摇摆周期为t=2.5s，可能发生失去接触的问题。，可能发生失去接触的问题。2021-11-12575.5 多普勒计程仪在大深度使用时摇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摆问题的分析及摇摆补偿n 不失去海底接触的条件不失去海底接触的条件o 信号往返时间信号往返时间o 载体

43、的摇摆角载体的摇摆角 摇摆角的速度为摇摆角的速度为 h tttm2sin)( ttttttm2cos2ddcos2chtp h - 2021-11-1258n 1) 最坏的情况：载体以最大角速度摇摆。最坏的情况：载体以最大角速度摇摆。o 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（满足宽度的一半（满足不失去接触的条件不失去接触的条件 ）。）。o 例如：例如：在摇摆周期在摇摆周期 t25s， 摇摆角摇摆角m3，23， 3.3时，有时，有h1510m1510m。 当当t10s，有，有h604m604m。n 2) 在信号往返

44、时间内，载体的摇摆角达到最大在信号往返时间内，载体的摇摆角达到最大 o 当载体水平时当载体水平时 ，认为是认为是信号发射时刻，当信号发射时刻，当ttp时，摇摆角为时，摇摆角为2cos222chtttmpmmcth8cos 2cos22sin2sinchttttmpmp mcth2sin4cos1在上述条件下在上述条件下h1600m1600mh1700m1700m2021-11-1259n3)一般的情况：在一般的情况：在tj时刻发射，信号接收时刻为时刻发射，信号接收时刻为tr，同时海底有倾斜，同时海底有倾斜 。o 设某波束第设某波束第j次发射时的摇摆角度为次发射时的摇摆角度为o 第第j个回波到达

45、接收点并开始测频时的摇摆角为个回波到达接收点并开始测频时的摇摆角为 o 回波不失去接触的条件回波不失去接触的条件o 设发射次设发射次nt，nr次接收到回波。次接收到回波。 则则回波接触比为回波接触比为 jmj ttt2sinrjmrjtt2sin2rjjtrennn 2021-11-1260n 海底有斜坡，有摇摆时，左右（或前后）波束的回波时间差海底有斜坡，有摇摆时，左右（或前后）波束的回波时间差iriirhbccbairiirhbccab 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

46、的信号传播时间。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。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。2021-11-1261n 海底有斜坡，有摇摆时，左右（或前后）波束的回波时间差海底有斜坡，有摇摆时，左右（或前后）波束的回波时间差iriirhbccbairiirhbccabbccbacacabc和和abc相似相似tanctgcoscos/hhrhrii号波束、号波束、ii号波束号波束到海底的斜距为到海底的斜距为sintancoshrisintancoshrii当载体有摇摆角当载体有摇摆角时时)sin(ta

47、n)cos(hri)sin(tan)cos(hrii思路：只要知道距离差便可知思路：只要知道距离差便可知道两个波束的回波时间差。道两个波束的回波时间差。2021-11-1262o 按照前面分析的第一种情况按照前面分析的第一种情况 ，设信号发射时刻载体处于，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水平状态，则接收时刻载体摇摆角的最大值为o 号波束、号波束、 ii号波束回波到达接收点的距离与标称距离之号波束回波到达接收点的距离与标称距离之差分别为差分别为 o i号波束和号波束和ii号波束回波到达时间差为号波束回波到达时间差为 rmtt2max)sin(tan)cos()sin

48、(tan)cos(sintancos maxmaxmaxmaxiiiirrrr)sin(tan)cos()sin(tan)cos(sintancos maxmaxmaxmaxiiiiiiiirrrriiiiiirrct2,2021-11-12635.5 多普勒计程仪在大深度使用时摇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摆问题的分析及摇摆补偿o 摇摆补偿摇摆补偿n 在摇摆角未知（没有姿态仪）的情况下，如何对测在摇摆角未知（没有姿态仪）的情况下，如何对测量的船速进行摇摆修正。量的船速进行摇摆修正。coscos4tdxffcvdiididfff利用利用5.3节节学过学过的内的内容容)co

49、s(2txdifcvf)cos(2txdiifcvf用两个波束频率之差和频率之和两者来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计算速度，以得到更高的速度精度 。2021-11-1264n 用两个波束频率用两个波束频率之差和频率之和之差和频率之和计算速度计算速度 由此可得由此可得)cos(cos4txdiidifcvff)sin(sin4txdiidifcvff)cos(cos14tdiidixfffcv)sin(sin14tdiidixfffcv)(sin)(22convvxx)sin(sin)cos(cos4diididiiditfffffc 用两个波束的用两个波束的

50、频率之差和频率之频率之差和频率之和两者来计算速度，和两者来计算速度，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 摇摆角的计算摇摆角的计算)tan(tandiididiidiffffdiididiididiididiidiffffffff11tan1)(tan)tan(aa11tan1)tan(diidiffa 注意到前向波束和后向波束总是一个正的频移，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，即一个负的频移，即fdi与与fdii总是反号总是反号 ，记，记可以利用多普可以利用多普勒计程仪本身勒计程仪本身测出的的两个测出的的两个多普勒频率来多普勒频率

51、来计算摇摆角，计算摇摆角，并由此进行速并由此进行速度修正。度修正。)cos(cos4txdiidifcvff)sin(sin4txdiidifcvff2021-11-12665.6 多普勒测速声呐的频率测量多普勒测速声呐的频率测量o 过零点频率测量方法过零点频率测量方法n 基本思想：指定时间内记录过零点的数目基本思想：指定时间内记录过零点的数目 o 采用计数器直接记录过零点个数采用计数器直接记录过零点个数 o 数字式过零频率测量技术数字式过零频率测量技术 2021-11-12675.6 多普勒测速声呐的频率测量多普勒测速声呐的频率测量o 过零点频率测量方法过零点频率测量方法 n 双计数器频率测

52、量方法双计数器频率测量方法 0mtnt mnff0规定的规定的 f0一般需为几一般需为几mhz几十几十mhz 2021-11-1268n 数字式过零点频率测量方法数字式过零点频率测量方法o 方法方法 先对信号进行滤波、放大、及限幅处理。先对信号进行滤波、放大、及限幅处理。 以采样频率以采样频率f fs s对信号采样，判断并记录刚过零的对信号采样，判断并记录刚过零的2 2个个相邻周期的采样时刻，以及过零前的两个采样时刻；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利用线性插值或余弦插值法计算2 2个零点地位置；个零点地位置； 记录第一次和第记录第一次和第n n次过

53、零的估计时间，以降低估计误次过零的估计时间，以降低估计误差（将两次估计的误差平均到差（将两次估计的误差平均到n n1 1个周期）；个周期）； 计算误差。计算误差。 o 设输入信号的离散形式为设输入信号的离散形式为ssffnantfany002sin)2sin()(被测频率 采样频率 2021-11-1269n 数字式过零点频率测量方法数字式过零点频率测量方法stnk)()(ntz) 1( ntz)(0nnt)(nteytststn) 1( ) 1( nstn)()(n正弦信号的周期估计值为正弦信号的周期估计值为 setnnnknt) 1()()()(ssiaibtitiss)(1)(iaibi

54、biaibibssssssi)(频频率率估估计计方方法法tz(n)tz(n-1)2021-11-1270误差的性质误差的性质o 设信号的实际周期为设信号的实际周期为t0，从某时刻开始计算，第从某时刻开始计算，第n个过零个过零点的时刻点的时刻o 信号周期为信号周期为o 其中其中 ( )为单位阶跃序列。上式取为单位阶跃序列。上式取z变换后得到变换后得到o 令令o 则有则有) 1()()() 1()()(0nnnutntntntzze)()(0nntntz)1)()()(10zzztzte)exp()/2exp()2exp(00jffjftjz)1)()()(0jeefftft2021-11-127

55、1因此估计的周期序列的功率谱为因此估计的周期序列的功率谱为)1)()1)()( )1)(1)()()()()(0220*2jjjjeeeefeftfeefftftftft0222022202sin)(4)( 2sin)(4)()(fffftfftfte)1)()()(0jeefftft02021-11-1272误差的性质误差的性质o 周期序列的功率谱为周期序列的功率谱为o 误差谱为误差谱为o 误差的形状误差的形状022202sin)(4)( )(fffftfte)(sin4)(2022ffffh2021-11-1273 复互相关频率测量方法复互相关频率测量方法n思路：思路：找出估计频率与相关函数的关系与采样值的关系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