水下定位与导航技术声学多普勒测速技术概述课件

2023/9/201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2023/9/202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2023/9/203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t12023/9/2045.2

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2023/9/2055.2

舰船多普勒测速原理结论在相向运动时，脉冲被压缩；在相离运动时，脉冲被展宽。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？因此，接收信号的脉宽为接收信号频率变为0

T

t1

t2＋T2023/9/206舰船多普勒测速原理5.2

舰船多普勒测速原詹纳斯理（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：2023/9/2075.2

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2023/9/2085.3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2023/9/209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2023/9/2010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2023/9/20115.3影响多普勒测速的主要因素及改进方法2023/9/2012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在有摇摆和上下起伏时2023/9/20132023/9/2014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前后两波束接收信号的频差为浅水使用时收发期间只需测量一次姿态角5.3

影响多普勒测速的主要因素及改

进方法2023/9/2015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。相控阵2023/9/2016导流罩充油，恒温5.3

影响多普勒测速的主要因素及改

进方法2023/9/2017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α问题：波束宽了不好，窄了可以吗？α小点好吗？2023/9/2018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。α2023/9/20195.3影响多普勒测速的主要因素及改进方法2023/9/2020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2023/9/2021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。2023/9/2022例如，当N=32，cosα＝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2023/9/20235.3影响多普勒测速的主要因素及改进方法2023/9/2024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2023/9/2025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v’x、v’y.计算安装偏移角2023/9/2026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2023/9/20275.3

影响多普勒测速的主要因素及改

进方法2023/9/2028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。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问题是如何保证＝常数采用4个阵元，构成的换能器阵，α是固定的，不能2023/9/20295.4

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：θ相邻阵元的相位差为只要保持ф不变2023/9/20305.4

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α是固定的，ф不能固定，随c改变。注意：ф固定

α随c改变。2023/9/20315.4

相控阵多普勒测速技术2023/9/2032相控阵布阵及相控收发的实现直线阵的指向性复习复合阵的指向性相控阵的指向性相控收发的实现方法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2023/9/20335.4

相控阵多普勒测速技术现相控阵布阵及相控收发的实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12023/9/20345.4

相控阵多普勒测速技术相控阵布阵及相控收发的实现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2023/9/20355.4

相控阵多普勒测速技术相控阵布阵及相控收发的实现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2023/9/20365.4

相控阵多普勒测速技术相控阵布阵及相控收发的实现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2023/9/20375.4

相控阵多普勒测速技术相控阵布阵及相控收发的实现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。2023/9/20385.4

相控阵多普勒测速技术第三级有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D3＝4d，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相控阵布阵及相控收发的实现相控阵及其指向性（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。…2023/9/20395.4

相控阵多普勒测速技术，相控阵布阵及相控收发的实现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

＝2dD3＝4d2023/9/2040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2023/9/20415.4

相控阵多普勒测速技术2023/9/2042相控阵布阵及相控收发的实现相控收发的实现方法实现相控发射的方法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2023/9/2043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2023/9/20445.4

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2023/9/20455.4

相控阵多普勒测速技术2023/9/2046相控阵布阵及相控收发的实现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）2023/9/2047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）2023/9/2448实现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

相控阵多普勒测速技术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）需补偿的相移为第三级2023/9/2450第二级第一级子阵

1

2

3

4相控阵布阵及相控收发的实现阵元

1

2右波束5.4

相控阵多普勒测速技术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π，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π/2，阵元1不补偿。第三级第二级第一级阵元

1

22023/9/2451子阵

1

2

3

4相控阵布阵及相控收发的实现对应于右发射波束实测相控阵指向总阵指向性2023/9/2452相控后的指向性5.4

相控阵多普勒测速技术2023/9/2453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。美国RD300常规美国RD150相控2023/9/24545.5

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2023/9/2455摇摆分析摇摆补偿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2023/9/2456摇摆分析多普勒测速声呐在大深度使用时应考虑的问题：深度↑→工作频率↓→基阵尺寸↑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。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2023/9/24571)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βm＝3°，θ＝23°，

Θ＝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＝tp时，摇摆角为在上述条件下H≤1600m2023/9/2458H≤1700m3)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2023/9/2459海底有斜坡，有摇摆时，左右（或前后）波束的回波时间差①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。②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。2023/9/2460距离门的设定问题Ι号波束、II号波束到海底的斜距为当载体有摇摆角β时海底有斜坡，有摇摆时，左右（或前后）波束的回波时间差思路：只要知道距离差便可知道两个波束的回波时间差。△ABC和△AB’C’相似2023/9/2461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Ι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2023/9/24625.5

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。2023/9/2463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。2023/9/2464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，一2023/9/2465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。5.6

多普勒测速声呐的频率测量2023/9/2466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MHz2023/9/2467数字式过零点频率测量方法

方法①

先对信号进行滤波、放大、及限幅处理。② 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；③ 利用线性插值或余弦插值法计算2个零点地位置；④ 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N－1个周期）；⑤

计算误差。设输入信号的离散形式为被测频率采样频率2023/9/2468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)2023/9/2469误差的性质设信号的实际周期为T0，从