CN102024365A - 超声多普勒演示仪及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声多普勒演示仪及其定位方法，其包括有：转轴、电机、发射探头、信号发射模块、信号接收模块、信号处理电路、及与所述信号处理电路连接的计算机，所述发射探头固定与所述转轴的一端，所述电机与所述转轴连接，带动所述转轴相对于所述发射探头做圆周运动，所述信号发射模块驱动所述发射探头发射信号，所述信号接收模块与所述信号处理电路连接。本发明超声多普勒演示仪及其定位方法，其可操作性强，能够直管全面的展示多普勒效应，且算法简单，减少了大量运算和计算带来的传递误差。

Description

超声多普勒演示仪及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位方法，尤其是指一种超声多普勒定位演示仪及其定位方法。

背景技术

卫星多普勒定位一直作为一种军事技术，被认为是一种封锁的技术，学生在课堂中更不会接触有关卫星多普勒定位的知识，本作品简化了卫星多普勒定位的模型，通过计算机实时全面展示了发射机绕特定区域转动中的多普勒效应，并根据此提出一种新的定位算法，是学生们用之认识并研究卫星多普勒定位中的多普勒效应以及其定位算法的新型教学试验仪。

目前，同类的单站定位技术的具体实现方法主要有：测向定位法、多普勒频率定位法和测相位差变化率定位法。下面逐一评述现有的各种单站定位方法。

1、测向定位法

测向定位法，即仅利用方向测量信息来确定未知目标的位置的定位方法，是研究得最多，最经典的单站定位技术。侧向定位技术定位依据的基本原理是三角测量法。

测向定位法的优点是只需要方向测量数据和观测站自身位置数据，数据量小，数据处理手段也相对比较简单。但是定位精度对方向测量误差非常敏感，这就在客观上对测量设备提出了很高的要求；而且定位精度直接决定于观测站运动的机动量；另外，该定位法从开始测量到完成定位所需的时间较长，很难满足瞬息万变的现代战争需求。

2、到达时间定位法

该种定位方法是实验室里常用的定位方法。对于不是径向的、匀速直线运动的脉冲探头目标，若其所发射脉冲的重复周期恒定，则对到达时间(TOA)的精确测量，利用波速与距离的运动学原理基本关系，能够反映目标径向距离的变化。

与测向定位法一样，该方法也存在着速度慢、精度低的弊端。同时，该方法的应用还受到雷达频率漂移、跳变的影响。

3、测相位差变化率定位法

依据运动学原理，在目标与观测平台相对运动的条件下，利用观测平台上携载的任意宽开的二单元天线阵(干涉仪)，可以获得位置未知的探头辐射电磁波的相位差变化率信息，此信息中含有威胁目标的位置信息。再利用测角系统测得的目标方位角和俯仰角及其时间变化率信息，即可实现对目标的实时交叉定位。

该定位算法在满足一定条件的前提下，既能实现对远距离探头目标的快速定位，也能完成对近距离低空目标的快速精确定位，定位速度和定位精度比传统的只测角定位法高很多，性能十分优良。但是，相位差变化率定位法的“快速性、准确性”是以增加测量的复杂性和难度为代价的，测试和实现难度高。

4、多普勒频移定位法

对于连续波或者有较长持续时间的信号探头，到达信号的频率包含了目标观测器相对运动引起的多普勒成分，实质上包含了目标运动的状态，在一定条件下可以将其解算出来。实验结果表明，利用多普勒频移作为测量，是一种快速高精度的单站定位技术，多普勒频移定位法无论从定位速度、定位精度，还是简便性上，均优于上述两种定位方法。

当前国内外关于多普勒定位一般为采取发射机沿特定轨迹或直线平台运动的定位算法，发射机沿特定轨迹采用的是微分法，通过测量出发射机在不同的位置时瞬间(限定时间)的位移，记录接收机接收到的信号频率变化，再通过多普勒效应方程的微分形式，由发射机位置反演出接收机的位置，这种算法具有一般性，但是计算极为复杂。

沿直线平台的定位通常采用是多站的定位算法，通过2个或两个以上接收机接收到的信号频率不同，通过几何关系，由接收机之间的相对位置和他们的绝对位置，反演出波源的位置。这种算法较为复杂，并且直线平台在测量区域比较大时，误差非常大。

发明内容

本发明提供一种超声多普勒演示仪及其定位方法，其根据圆周运动的对称性，记录接收模块接收到的频率最大值、最小值以及不变值的相应位置，连结两线，便得到了接收机的位置，算法非常简单，减少了大量运算和计算带来的传递误差，并且算法的简化和直观能够让学生容易理解和研究。

本发明是这样实现的：

一种超声多普勒演示仪，其包括有：转轴、电机、发射探头、信号发射模块、信号接收模块、信号处理电路、及与所述信号处理电路连接的计算机，所述发射探头固定于所述转轴的一端，所述电机与所述转轴连接，带动所述转轴做圆周运动，所述信号发射模块驱动所述发射探头发射信号，所述信号接收模块与所述信号处理电路连接。

优选的是，其还包括有支架及中间圆盘，所述中间圆盘设于所述信号发射模块的上方，所述支架吊起所述中间圆盘，所述信号接收模块位于所述中间圆盘上。

优选的是，其还包括托盘，其与所述电机连接，所述超声波发射模块设于所述托盘上。

优选的是，其还包括有暗箱及底座，所述暗箱固定于所述底座上，所述电机及所述信号处理设于所述暗箱内。

优选的是，所述暗箱上设有光电门，所述转轴的下方固定有与所述光电门配合的遮光板。

本发明还提供一种如以上任一项所述的超声多普勒演示仪的定位方法，电机带动所述转轴恒速转动，同时电机带动信号发射模块绕中间圆盘转动，发射头相对于接收头的运动速度随着转动不断改变，产生多普勒效应。所述发射模块驱动发射探头发射信号，信号接收模块接收信号，接收到的信号经信号处理电路处理后传输给计算机，在转轴上的遮光板将光电门遮挡时，经光电门触发，计算机开始计时，分别记录信号频率不变点A点、B点，信号频率最大C点，及信号频率最小D点，直线AB与直线CD的交点O为信号接收模块的位置。以中间圆盘的中心为极点，根据θ＝ω×t，确定O点的极角，再通过测距测出O点的到极点的距离，确定O点坐标。

为了测量数据准确，优选电机转速稳定后，在转轴经过光电门时，经光电门触发，计算机开始计时。

优选的是，所述信号接收模块由用三个超声接收头并联接成。

优选的是，所述信号处理电路将信号接收模块接收到的信号经放大、滤波及整形处理电路转化为适合电路处理的方波。

本发明相对于现有技术，具有如下有益效果：

本发明超声多普勒演示仪及其定位方法，其可操作性强，能够直管全面的展示超声多普勒效应定位，且算法简单，减少了大量运算和计算带来的传递误差。

附图说明

图1为本发明超声多普勒演示仪的主视图；

图2为本发明超声多普勒演示仪的左视图；

图3为本发明超声多普勒演示仪的俯视图；

图4为本发明超声多普勒演示仪的定位方法原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

如图1及图3所示，本发明超声多普勒演示仪包括：底座1、暗箱2、电机4、托盘5、转轴6、发射探头7、支架8、中间托盘9、固定于暗箱2上的光电门10、及与所述光电门10配合的设置于所述转轴6下方的遮光板11、信号发射模块12、信号接收模块13、信号处理电路(图中未示出)、及与所述信号处理电路连接的计算机(图中未示出)。其中，所述信号处理电路及所述电机4位于所述暗箱2内，所述暗箱2及所述支架8位于所述底座1上；所述转轴6与所述电机2连接，受电机2驱动，且所述转轴6的一端固定发射探头7；所述中间托盘9位于所述转轴6的上方，所述信号接收模块13位于所述中间圆盘9上，所述信号接收模块13通过信号线与所述信号处理电路连接；所述托盘5位于所述转轴6的下方，所述信号发射模块12位于所述托盘5上，所述托盘5与所述转轴6同受所述电机4驱动。

在本发明优选实施例中，所述支架8从所述底座1两边架起，将所述中间圆盘9吊起，中间圆盘9与支架8采用长螺丝及螺帽固定，所述支架8的材质优选为不锈钢。

优选的是，本实施例优选所述信号发射模块12为超声波发射模块，所述信号接收模块13为超声波接收模块，其采用三个超声接收头并联接成，所述反射探头7为超声波发射探头。

实验开始时，位于中间圆盘9下方电机4驱动转轴6开始以恒角速度旋转，并带动超声波发射模块12围绕中间圆盘9旋转，转轴上的超声波发射模块12驱动超声波发射探头7开始发出超声波，位于中间圆盘9上的信号接收模块13，接收超声波信号，并经过信号处理电路经放大、滤波以及整形电路转化为适合信号处理电路处理的方波。由于超声波接收模块13与超声波发射模块12的相对运动，其之间产生多普勒效应。待电机4转速稳定，转轴经过光电门10时受光电门10触发，信号处理电路开始工作，信号的频率由CPLD模块测量后传输给单片机，单片机实时记录收到信号的频率与其相对应的时间，并通过串口发送给计算机，使用LabVIEW软件进行分析处理，在显示屏上显示。由于多普勒效应产生的频率变化曲线，确定频率最大值、最小值的点并进行定位运算，最后通过定位运算实现对目标的定位。

如图4所示，假设转轴6从极轴OX开始记录时间，转轴6在转动的过程中，分别记录信号不变点A点、B点，信号最强点C点，及信号最弱点D点，直线AB与直线CD的交点O为信号接收模块的位置。以中间圆盘的中心为极点，根据θ＝ω×t，确定O点的极角，再通过测距测出O点的到极点的距离，确定O点坐标。

信号发射模块12从极轴OX出发作匀速圆周运动，记录每一时刻t对应的接收信号频率f，

设信号发射模块12经过t_C到达接收信号的频率最大值的位置C，此时转过的角度为                        θ_C＝ωt_C

经过t_D到达接收信号的频率最小的位置D，此时转过的角度为

                  θ_D＝ωt_D

以下我们分情况讨论算法：

(1)如图1，当θ_D-θ_C＞0时

则半径r为 $r=R\cos \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_D-{\mathrm{\θ}}_C}{2}\right)$

极角θ为 $\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_D+{\mathrm{\θ}}_C}{2}$

定位点的坐标为 $(R\cos \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_D-{\mathrm{\θ}}_c}{2}\right),\frac{{\mathrm{\θ}}_D+{\mathrm{\θ}}_c}{2})$

(2)当θ_D-θ_C＜0时

则半径r为 $\mathrm{\γ}=R\cos (\mathrm{\π}+\frac{{\mathrm{\θ}}_D-{\mathrm{\θ}}_C}{2})$

为使θ角满足大于0°小于360°，定位点的极角θ的坐标存在以下两种情况：

当

时，

极角θ为 $\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_D+{\mathrm{\θ}}_C}{2}+\mathrm{\π}$

则定位点坐标为 $(R\cos (\mathrm{\π}+\frac{{\mathrm{\θ}}_D-{\mathrm{\θ}}_c}{2}),\frac{{\mathrm{\θ}}_D+{\mathrm{\θ}}_c}{2}+\mathrm{\π})$

当 $\frac{{\mathrm{\θ}}_D+{\mathrm{\θ}}_C}{2}-\mathrm{\π}>0$

极角θ为 $\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_D+{\mathrm{\θ}}_C}{2}-\mathrm{\π}$

则定位点坐标为 $(R\cos (\mathrm{\π}+\frac{{\mathrm{\θ}}_D-{\mathrm{\θ}}_c}{2}),\frac{{\mathrm{\θ}}_D+{\mathrm{\θ}}_c}{2}-\mathrm{\π}).$

以上仅为本发明的具体实施例，并不以此限定本发明的保护范围；在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超声多普勒演示仪，其特征在于，其包括有：转轴、电机、发射探头、信号发射模块、信号接收模块、信号处理电路、及与所述信号处理电路连接的计算机，所述发射探头固定于所述转轴的一端，所述电机与所述转轴连接，带动所述转轴做圆周运动，所述信号发射模块驱动所述发射探头发射信号，所述信号接收模块与所述信号处理电路连接。

2.如权利要求1所述的超声多普勒演示仪，其特征在于，其还包括有支架及中间圆盘，所述中间圆盘设于所述信号发射模块的上方，所述支架吊起所述中间圆盘，所述信号接收模块位于所述中间圆盘上。

3.如权利要求1所述的超声多普勒演示仪，其特征在于，其还包括托盘，其与所述电机连接，所述超声波发射模块设于所述托盘上。

4.如权利要求1所述的超声多普勒演示仪，其特征在于，其还包括有暗箱及底座，所述暗箱固定于所述底座上，所述电机及所述信号处理设于所述暗箱内。

5.如权利要求4所述的超声多普勒演示仪，其特征在于，所述暗箱上设有光电门，所述转轴的下方固定有与所述光电门配合的遮光板。

6.一种如权利要求1至5所所述的超声多普勒演示仪的定位方法，其特征在于，电机带动所述转轴恒速转动，同时电机带动信号发射模块绕中间圆盘转动，所述发射模块驱动发射探头发射信号，信号接收模块接收信号，接收到的信号经信号处理电路处理后传输给计算机，在转轴上的遮光板将光电门遮挡时，经光电门触发，计算机开始计时，分别记录信号频率不变点A点、B点，信号频率最大点C点，及信号频率最小D点，直线AB与直线CD的交点O为信号接收模块的位置。

7.如权利要求6所述的超声多普勒演示仪的定位方法，其特征在于，电机转速稳定后，在转轴经过光电门时，经光电门触发，计算机开始计时。

8.如权利要求6所述的超声多普勒演示仪的定位方法，其特征在于，所述信号接收模块由用三个超声接收头并联接成。

9.如权利要求6所述的超声多普勒演示仪的定位方法，其特征在于，所述信号处理电路将信号接收模块接收到的信号经放大、滤波及整形处理电路转化为适合电路处理的方波。

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