CN101464470A - 一种声学非底跟踪测量载体对底速度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声学非底跟踪测量载体对底速度的方法和系统。所涉及的测量方法基于相对运动理论在水平面内通过构建测量系统坐标系与底坐标系之间变换关系的物理模型，将测量系统坐标系的测量结果转换到底坐标系，根据几何原理采用时差法在底坐标系中建立载体速度计算模型，使声波在海水中的作用距离仅限于收发换能器之间，消除了底跟踪方法测量载体对底速度时声波作用距离对测速的影响。采用本发明的方法测量载体对底速度时，不受海水深度的限制，测量精度高。在本发明的声学非底跟踪测量载体对底速度的系统中，使用高频信号以及换能器基元采用收发共用的换能器，减少了换能器基元的数量，有利于减小测速系统的体积和降低功耗。

Description

一种声学非底跟踪测量载体对底速度的方法和系统

技术领域

本发明涉及声学测速方法，具体地说，涉及一种声学非底跟踪测量载体对底速度的方法和系统。

背景技术

载体对底速度作为船舶导航和海洋大面积流场观测等的重要参数之一，对船舶的海上航行、军事活动以及海洋科学研究等都是不可或缺的，特别对水下载体的航行和活动尤其重要。基于声学原理的测速技术，以其有能力测量载体对底速度和具有较高的测量精度，成为目前最有效的测速技术之一。

现有的声学测速技术主要应用声相关、多普勒效应等原理采用底跟踪方式测量载体对底速度，如：

(1)S.E.Bradley等人的美国专利5315562“Correlation SonarSystem”中介绍了相关声纳，可用于测量剖面流速和载体对底速度。该发明的一个主要内容是：采用匹配滤波器的方法检测海底回波。

(2)朱维庆等人的中国专利03119665.9“相关测速声纳测量载体对底速度的方法及其系统”中介绍了该方法的一个主要步骤是：对底介质回波信号进行解调滤波，并计算底介质时空相关函数矩阵。

(3)朱维庆等人的中国专利200310115153.2“一种相关测速声纳测量载体对底速度的方法和系统”中介绍了该方法的2个主要步骤是：

①判断检测回波信号中是否包含底介质回波信号，如未包含则返回第一步重新开始。

②对底介质回波信号进行解调滤波，并根据底介质回波信号数据计算底介质时空相关函数矩阵。

(4)H.I.Kobe等人的美国专利5224075“Apparatus For MeasuringThe Velocity Of A Moving Body”中介绍了测量移动物体速度的装置，该装置根据检测到的水和底的回波信号，通过相位差以及多普勒频偏两种方法得到载体和流体的对底速度。

上述各种方法在测量载体对底速度时，都需向水中发射声波信号直到水底，并要检测到底回波信号，通过对底回波信号的处理和计算得到载体对底的速度。因此，上述各种不同原理的测量方法的工作性质同属底跟踪测量方式。声学底跟踪方式在测量载体对底速度时，存在明显的不足：

(1)底跟踪测速必须要检测到底回波信号，在深度不断变化的海洋中声波信号的作用距离随海水深度的增加而增大。由于海水吸收、衰减等因素严重影响声波的作用距离，在其作用距离较大时可使底回波信号强度变的非常微弱，导致底回波信号检测质量下降，致使测速精度降低。

(2)在深海，当声波的作用距离受海水吸收、衰减等因素的影响严重到接收器检测不到底回波信号时，底跟踪测速法不能测量载体的对底速度。在目前的换能器及基阵技术、测量原理、信号处理等现有技术条件下，能使底跟踪测速距离达到数千米。然而海洋的最大深度超过万米，因此声学底跟踪测速法无法实现在任意海深测量载体的对底速度。

(3)降低信号工作频率虽然可以提高声波作用的距离，但工作频率的降低将导致换能器体积和重量的增大，同时导致测量精度的下降。

(4)虽然在相同频率下声相关测速与多普勒效应测速相比换能器体积较小，但其声基阵需用较多数量的换能器基元，体积重量仍然较大。测量系统体积和重量大，不仅功耗增加、费用昂贵以及安装不便，而且影响载体的航行，不适于在水面和水下小型载体上使用。

发明内容

本发明的目的之一是解决声学底跟踪方式测量载体对底速度时声波作用距离对测速的影响问题，通过在水平面内将测量系统坐标系的测量结果转换到底坐标系的变换方法得到载体对底的速度，实现在任意海深用声学方法测量载体对底速度；本发明的另一个目的是解决声学底跟踪方式测量载体对底速度时因测量系统体积重量大、功耗和费用高、不适于在小型载体上安装使用的问题，通过提高信号频率、减小测量系统的体积重量、降低功耗和费用，使其适于水面和水下任何载体上使用。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种声学非底跟踪测量载体对底速度的方法。包括以下步骤：

①将测量系统固定在载体上，使测量系统的移动速度与载体的速度相同。

②按确定的位置布放换能器基阵，收发换能器在基阵平面内相对布放，其收发换能器中心连线的Y方向与载体移动的X方向垂直。

③选择信号频率和波形，使信号频率不小于1MHz、脉冲前沿上升时间最短。

④根据③所选信号，发射换能器对准接收换能器方向发射声脉冲到流体介质中；

⑤在流体介质中，接收换能器接收步骤④发射的声波信号，通过对收到信号的脉冲前沿检测，得到收发换能器之间声波信号的传播时间t1；

⑥由步骤⑤中的接收换能器作为发射换能器，发射与步骤③相同的声脉冲信号到流体介质中；

⑦在流体介质中，由步骤④中的发射换能器作为接收换能器，接收步骤⑥发射的声波信号，通过对收到信号的脉冲前沿检测，得到收发换能器之间声波信号的传播时间t₂；

⑧根据收发换能器之间的距离L及收发换能器之间声波信号的传播时间t₁和t₂，通过底坐标系中收发换能器之间的几何关系，应用时差法计算出载体对底速度；

⑨将得到的速度结果存储。

在一次测量结束后可重复步骤③～⑨，进行下一次载体对底速度的测量。

本发明还提供一种声学非底跟踪测量载体对底速度系统，包括换能器基阵200和电子分机，换能器基阵200包括发射换能器和接收换能器，电子分机内包括微处理器314，其特征在于，所述微处理器314内包括如下模块：

初始化模块，用于软件和硬件的初始化；

信号选择模块，用于选择发射信号的频率和波形；

发射/接收模块，用于选择换能器向流体介质中发射声脉冲，并使相应通道接收机接收声波信号；

判断模块，用于根据接收机收到声波信号的情况，判断是否停止计时器计时，还判断收发换能器之间正反两个方向的一次收发工作是否完成；

计算模块，用于计算载体对底速度，在载体速度大于流体速度条件下，基于声学非底跟踪测速理论的载体对底速度计算模型为：

$V=\sqrt{{\{c\±\frac{1}{4c}[{\left(\frac{L}{t_1}\right)}^2-{\left(\frac{L}{t_2}\right)}^2\left]\right\}}^2-{\left(\frac{L}{t_1}\right)}^2}$

其中：V是载体对底的速度、为载体速度v与流体速度u的矢量拟合，c是声速，L是收发换能器之间的距离，t₁是换能器h₁发射时换能器h₂接收到声波信号的时间，t₂是换能器h₂发射时换能器h₁接收到声波信号的时间。公式中：当流速与声传播方向相同时取+号，当流速与声传播方向相反时取—号；

速度模块，用于存储由计算模块得到的载体对底速度。

本发明的声学非底跟踪测量载体对底速度系统中，所述换能器基阵由2个收发共用的换能器组成。

本发明的声学非底跟踪测量载体对底速度方法，基于相对运动理论通过在水平面内构建测量系统坐标系与地坐标系之间变换关系的物理模型，根据坐标变换模型将测量系统坐标系的测量结果转换到地坐标系，在测量中测量系统不对底发射声脉冲信号，不接收并检测底回波信号，只通过测量系统在水平面内检测到的收发换能器之间正反两个方向声波信号的传播时间t₁和t₂，以及收发换能器之间的距离L，应用时差法和几何原理通过坐标变换在地坐标系中建立载体速度的计算模型，得到在载体速度大于流体速度条件下的载体对地速度。由于从发射声脉冲开始到接收换能器收到声波信号的t时间内地坐标系与底坐标系相对静止，因此载体相对地的速度即为相对底的速度，故称它为声学非底跟踪测量载体对底速度的方法。

本发明的优点在于：

(1)在声学测量载体对底速度时，本发明基于相对运动理论和时差法原理提出的声学非底跟踪测量载体对底速度方法，通过在水平面内建立测量系统坐标系与底坐标系之间关系变换的物理模型，将测量系统坐标系的测量结果转换到底坐标系中，从而得到底坐标系中载体的水平速度，与声学底跟踪测量载体对底速度方法相比其声波在海水中的作用距离仅限于收发换能器之间而与海水的深度无关，消除了声学底跟踪测量载体对底速度时因声波作用距离受海水吸收和衰减等的影响检测不到底回波信号，由此导致无法在深海中测量对底速度的问题，实现了在任意深度海中测量载体对底速度。

(2)本发明提出的声学非底跟踪测量载体对底速度方法，可使换能器之间的收发距离缩短到1米以内，收发距离的固定可使接收声波信号的质量基本稳定，由于声波信号作用距离的减小，可以将声脉冲信号的工作频率提高到1MHz以上，从而提高测速精度。

(3)本发明提高了声脉冲信号的工作频率，由此可以大大减小换能器的体积，同时收发换能器之间距离的缩短使声波的作用距离减小，也使发射功率降低，从而不但减小测量系统体积，而且降低测量系统的功耗和费用、安装方便，特别适用于在水面和水下小型载体上使用。

(4)本发明提出了一种新的换能器基阵布放形式，给出了基阵中换能器的布放方法，基元采用收发共用换能器，使基阵中收发换能器的数量减少，另外这种布放形式可使载体移动方向的速度与沿声脉冲传播方向的流速分离。

附图说明

图1是声学非底跟踪测量载体对底速度系统工作示意图；

图2是声学非底跟踪测量载体对底速度系统测量原理图；

图3是声学非底跟踪测量载体对底速度系统换能器基阵布放图；

图4是声学非底跟踪测量载体对底速度系统的装置示意图；

图5是声学非底跟踪测量载体对底速度系统的软件流程图；

图面主要标记说明：

100、载体            200、换能器基阵

300、水下电子分机    400、计算机

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，使用声学非底跟踪测量载体对底速度系统测速时，该系统装载于载体100上，声学非底跟踪测量载体对底速度系统包括换能器基阵200和电子分机。电子分机包括：水下电子分机300和计算机400。其中换能器基阵200和水下电子分机300安装在水下，计算机400安装在水面上。一次测量过程由两个步骤完成：第一步骤，换能器基阵200中的发射换能器201在水平内对准接收换能器202向水中发射声脉冲信号，一个脉宽T的声脉冲101在水中向接收换能器202传播，接收换能器202接收到声脉冲101后，经电子分机处理得到由发射换能器201到接收换能器202之间声脉冲的传播时间t₁，声脉冲传播时间的长短由声速和沿声脉冲传播方向的流速决定；第二步骤，将第一步骤中的接收换能器202改为发射换能器并在水平面内对准接收换能器201向水中发射与第一步骤相同的声脉冲信号，一个脉宽T的声脉冲102在水中沿与第一步骤中声脉冲101相反的方向传播，将第一步骤中的发射换能器201改作为接收换能器，换能器201接收到声脉冲102后，经电子分机处理得到由发射换能器202到接收换能器201之间声脉冲的传播时间t₂。通过测量得到的收发正反两个方向声脉冲信号的传播时间及收发换能器之间的距离，应用时差法经电子分机处理后得到底坐标系中的载体速度。

声学非底跟踪测量载体对底速度系统的测量原理如图2所示，图中的o₁x₁y₁z₁、o₂x₂y₂z₂、o_ex_ey_ez_e分别为载体、流体介质和地坐标系。在图2中，u是流体在底坐标系中沿载体移动方向的流速，r是流体在底坐标系中沿声波传播方向的流速，v是载体在底坐标系中的速度，由于测速系统装载在载体上并假设换能器基阵平面在水平面内，所以建立在换能器基阵平面的测速系统坐标系o₀x₀y₀z₀与载体坐标系重合，图中没有画出，各坐标系的z轴也没有画出。

假设载体、流体、地作为观察者在同一水平面内用声波观测同一目标，由于声速的变化是由其所在介质的特性、温度等条件决定，与各观察者所在坐标系无关，因此声速相对观察者而言是一个不变量，当各观察者彼此之间仅有相对平动时，基于相对运动原理建立了载体观察者所在坐标系与地观察者所在坐标系之间观测结果的转换关系。在时间t＝0时载体、流体和地3个观察者所在坐标系重合并从同一点向同一目标开始发射声波，经过t时间声波到达目标时载体和地两个坐标系之间观测结果的转换关系表述为：

$\left.\begin{array}{c}{x}_e=x_1+(v\±u)t_{1_1}\\ y_e=y_1\\ z_e=z_1\\ t_e=t_1\end{array}\right\}---\left(1\right)$

再次参见图2，根据载体与地坐标系之间的转换关系式(1)，在测量系统(换能器基阵)坐标系平面内建立流体和地坐标系，其中地坐标系为底坐标系沿Z轴垂直向上移动到测量系统坐标系平面内，因此流体与载体相对地坐标系沿载体移动方向的速度分别为u和v。各坐标系在发射换能器h₂发射声脉冲开始的t＝0时重合，接收换能器h₁经过时间t接收到声脉冲，在收到声脉冲的t时间内接收换能器h₁在地坐标系中已沿载体移动的X方向移动了(v+u)t的距离(这里假设介质的移动方向与载体的移动方向相同，相反时取-号)，应用时差法并根据三角几何关系得到了在载体速度大于流体速度条件下地坐标系中的载体速度为：

$V=\sqrt{{\{c\±\frac{1}{4c}[{\left(\frac{L}{t_1}\right)}^2-{\left(\frac{L}{t_2}\right)}^2\left]\right\}}^2-{\left(\frac{L}{t_1}\right)}^2}---\left(2\right)$

其中：V是载体对底的移动速度、为载体速度v与流体速度u的矢量拟合，c是声速，L是收发换能器之间的距离，t₁是换能器h₁发射时换能器h₂接收到声脉冲的时间，t₂是换能器h₂发射时换能器h₁接收到声脉冲的时间。(2)式中，当流速与声脉冲传播方向相同时取+号，当流速与声传播方向相反时取—号。由于地坐标系是沿Z轴垂直向上移动到不同平面的同一底坐标系，故与底坐标系相对静止，所以(2)式中的V即为载体的对底速度。

图3是换能器基阵布放图，换能器基阵由2个收发共用的换能器组成，其位置的布放为：在同一水平面内发射与接收换能器相对放置，两个换能器中心之间的连线Y与载体的移动方向直线X垂直。布放原则是使在地坐标系中接收换能器的移动速度等于载体的移动速度，以及接收换能器收到声脉冲信号时与发射换能器开始发射信号时的位置在地坐标系中构成直角三角形。

声学非底跟踪测量载体对底速度系统的详细结构如图4所示，水下电子分机300包括：压力传感器301、温度传感器302、姿态传感器303和电子罗盘304、收发切换开关305、接收机306和307、发射机308和309、接口控制板310、数据采集311、脉冲波形产生器312、发射通道控制313、微处理器314、数据传输接口315、AD/CD电源316。计算机400包括：主计算机401、网络402、远程计算机403。

再参见图4，换能器201通过收发切换开关305分别与接收机306、发射机308连接；换能器202通过收发切换开关305分别与接收机307、发射机309连接；发射机308和309分别与脉冲波形产生器312和发射通道控制313连接；微处理器314通过接口控制板310分别与压力传感器301、温度传感器302、姿态传感器303、电子罗盘304、接收机306和307、脉冲波形产生器312、发射通道控制313连接；微处理器314还通过数据采集311与接收机306和307连接；AD/CD电源316分别与压力传感器301、温度传感器302、姿态传感器303和电子罗盘304、接收机306和307、发射机308和309、接口控制板310、数据采集311、脉冲波形产生器312、发射通道控制313和微处理器314连接；微处理器314通过数据传输接口315与主计算机401连接；数据传输接口315通过网络402与远程计算机403连接。

该系统的专用测速程序装载在微处理器314的存储器中，该程序包括：初始化模块、信号选择模块、发射/接收模块、判断模块、计算模块、速度模块，程序按照图5所示流程图中的步骤执行。

步骤501是开始步骤，启动微处理器314存储器中的程序，使声学非底跟踪测量载体对底速度系统开始工作。步骤502是程序的初始化模块，初始化程序对系统的软件和硬件进行初始化。在步骤510信号选择模块中，根据换能器收发距离选择信号频率、所选信号波形使脉冲前沿上升时间最短，并通过接口控制板310将指令送入脉冲信号产生器312产生发射脉冲信号。在步骤511中，发射/接收模块将微处理器314的发射指令经接口控制板310发送至发射通道控制313，再由发射通道控制313产生对应发射机308通道的开启信号打开发射机308，由脉冲信号产生器312产生的脉冲信号驱动发射机308，发射机308通过收发切换开关305驱动发射换能器201，发出声波到流体介质中；声脉冲发射后发射通道控制313产生对应发射机308通道的结束信号关闭发射机308，微处理器314还发出指令通过接口控制板310打开接收机307接收由换能器202收到的声脉冲信号。步骤512是启动微处理器314中的计时器在发射机308发射信号后开始计时。在步骤513中，判断模块判断接收机307是否接收到信号，若接收机307没有收到信号，则计时器继续计时；如接收机307收到信号则计时器停止计时，得到声脉冲信号在发换能器201到接收换能器202之间的传播时间t₁。在步骤514中，发射/接收模块将微处理器314的指令经接口控制板310发送至发射通道控制313，再由发射通道控制313产生开启信号打开发射机309，发射机309通过收发切换开关305驱动发射换能器202，发出声波到流体介质中；声脉冲发射后发射通道控制313产生对应发射机309通道的结束信号关闭发射机309，微处理器314还发出指令通过接口控制板310控制接收机306接收由换能器201收到的声脉冲信号。在步骤515中，微处理器314中的计时器在发射声脉冲后开始计时。在步骤516中，判断模块判断接收机306是否接收到信号，若接收机306没有收到信号，则计时器继续计时；如接收机306收到信号则计时器停止计时，得到声脉冲信号在发换能器202到接收换能器201之间的传播时间t₂。

在步骤517中，根据声脉冲在收发换能器之间正反两个方向的传播时间及收发换能器之间的距离，由本发明提出的底坐标系中速度模型计算载体速度，速度模型表述如(2)式：

$V=\sqrt{{\{c\±\frac{1}{4c}[{\left(\frac{L}{t_1}\right)}^2-{\left(\frac{L}{t_2}\right)}^2\left]\right\}}^2-{\left(\frac{L}{t_1}\right)}^2}$

其中：V是载体对底的移动速度、为载体速度v与流体速度u的矢量拟合，c是声速，L是收发换能器之间的距离，t₁是换能器h₁发射时换能器h₂接收到声脉冲的时间，t₂是换能器h₂发射时换能器h₁接收到声脉冲的时间。模型中，当流速与声脉冲传播方向相同时取+号，当流速与声传播方向相反时取—号。

(2)式中t₁和t₂是声脉冲在收发换能器之间正反方向的传播时间，由于收发换能器固定安装在同一基阵平面内，因此声传播的作用距离仅限于收发换能器之间，与通过检测底回波信号测量载体对底速度的底跟踪法相比不但极大的减小了声波作用距离，而且使声波作用距离与海水深度无关。声波的作用距离与水深无关，可使本发明的声学非底跟踪测量载体对底速度的方法和系统在任意深度海中使用。

在步骤518中，速度模块将步骤517得到的结果存储在微处理器314的存储器中。步骤518之后，可返回步骤510进行下一次测量。

另外，将压力传感器301、温度传感器302、姿态传感器303的数据通过接口控制板310馈送到微处理器314，对计算参数和结果进行修正。最后还可以将电子罗盘304的数据通过接口控制板310馈送到微处理器314，微处理器314将融合后的最终数据通过数据传输接口315馈送到主计算机401或经网络402馈送到远程计算机403。

Claims (8)

1.一种声学非底跟踪测量载体对底速度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

①将测量系统固定在载体上；

②按确定的位置布放换能器基阵；

③选择信号频率和波形；

④根据步骤③所选信号，发射换能器对准接收换能器方向发射声脉冲到流体介质中；

⑤在流体介质中，接收换能器接收步骤④发射的声波信号，通过对收到信号的脉冲前沿检测，得到收发换能器之间声波信号的传播时间(t₁)；

⑥由步骤(5)中的接收换能器作为发射换能器，发射与步骤③相同的声脉冲信号到流体介质中；

⑦在流体介质中，由步骤④中的发射换能器作为接收换能器，接收步骤⑥发射的声波信号，通过对收到信号的脉冲前沿检测，得到收发换能器之间声波信号的传播时间(t₂)；

⑧根据收发换能器之间的距离(L)及收发换能器之间声波信号的传播时间(t₁和t₂)，通过底坐标系中收发换能器之间的几何关系，应用时差法计算出载体对底速度；

⑨将得到的速度结果存储。

2.根据权利要求1所述的声学非底跟踪测量载体对底速度的方法，其特征在于，步骤②中换能器基阵的位置布放为：收发换能器在水平面内相对放置，收发换能器中心之间连线方向与载体的移动方向垂直。

3.根据权利要求1所述的声学非底跟踪测量载体对底速度的方法，其特征在于，步骤③中的信号频率不小于1MHz、脉冲前沿上升时间最短。

4.一种实施权利要求1所述方法的声学非底跟踪测量载体对底速度的系统，包括换能器基阵(200)和电子分机，换能器基阵(200)包括发射换能器和接收换能器，电子分机内包括微处理器(314)，其特征在于，微处理器(314)内包括如下模块：

初始化模块，用于软件和硬件的初始化；

信号选择模块，用于选择发射信号的频率和波形；

发射/接收模块，用于选择换能器向流体介质中发射声脉冲，并使相

应通道接收机接收声波信号；

判断模块，用于根据接收机收到声波信号的情况，判断是否停止计时器计时，还判断收发换能器之间正反两个方向的一次收发工作是否完成；

计算模块，用于计算载体对底速度，在载体速度大于流体速度条件下，基于声学非底跟踪测速理论的载体对底速度计算模型为：

$V=\sqrt{{\{c\±\frac{1}{4c}({\left(\frac{L}{t_1}\right)}^2-{\left(\frac{L}{t_2}\right)}^2)\}}^2-{\left(\frac{L}{t_1}\right)}^2}$

其中：V是载体对底速度，为载体速度v与流体速度u的矢量拟合；

c是声速；L是收发换能器之间的距离；t₁是换能器h₁发射时换能器h₂接收到声波信号的时间；t₂是换能器h₂发射时换能器h₁接收到声波信号的时间。公式中：当流速与声传播方向相同时取+号，当流速与声传播方向相反时取—号；

速度模块，用于存储由计算模块得到的载体对底速度。

5.根据权利要求4所述的声学非底跟踪测量载体对底速度的系统，其特征在于，发射换能器在海水中发射声波束的方向为与水面平行的水平方向，其与海底方向的发射倾角为0°。

6.根据权利要求4所述的声学非底跟踪测量载体对底速度的系统，其特征在于，接收换能器在与发射声波束相同的同一水平面内接收声信号。

7.根据权利要求4所述的声学非底跟踪测量载体对底速度的系统，其特征在于，计算模块中的载体对底速度计算模型是基于非底跟踪测速理论，用时差法和几何原理在底坐标系中建立的载体速度计算模型；

所述理论的测量系统坐标系与地坐标系之间的转换关系为：

$\left.\begin{array}{c}{x}_e=x_0+(v+u)t_{0_1}\\ y_e{=y}_0\\ z_e=z_0\\ t_e=t_0\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中：v是载体的对底速度，u是底坐标系中流体介质沿载体移动方向的流速。

8.根据权利要求4所述的声学非底跟踪测量载体对底速度的系统，其特征在于，所述换能器基阵由2个收发共用的换能器组成。

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