CN104111349A - 一种多普勒测速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多普勒测速器，包括用于产生足够功率的定波长电信号的发射机模块、由压电陶瓷元件组成的用于接收海底漫发射或体积混响返回的回波并将声能转化为电信号的换能器模块、用于放大接收到的回波信号、检出各波束的频率的接收机模块、输出速度信息的信号处理机模块、用于数据滤波的滤波模块、用于负责系统参数信息的显示的显示器模块、用于速度误差补偿的罗经速度补偿变换器模块、陀螺罗经模块、GPS模块、报警模块。本发明通过测量该对脉冲信号的回波脉冲时间间隔变化来解算相对流速，高速航行时，采取相位预调整补偿法解决速度模糊问题，并采用GPS辅助测速，与现有的计程仪相比较具有更高的探测深度和测量精度。

Description

一种多普勒测速器

技术领域

本发明属于水下作业设备领域，尤其涉及一种多普勒测速器。

背景技术

目前水下运载器的作业海区越来越广，航行速度越来越高，因此只有大深度、高航速的多普勒测速器才能满足当前水下运载器的需求。国内目前尚无此类声多普勒测速器，引进的美国RD公司的30kHZ声多普勒测速器，实际探测深度不到20m，且国外对大深度多普勒测速器的引进非常敏感，实行技术封锁，因此国内必须自主研发高精度、大深度、高航速多普勒测速器，为提高水下运载器的智能控制和导航定位精度等方面解决关键技术。因此高精度多普勒测速器的成功开发不仅可以国产仪器替代进口仪器，还可以满足大深度、高航速下精确测速的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多普勒测速器，旨在解决现有的水下用多普勒测速器的性能还不能满足大深度、高航速的水下运载器的需求的问题。

本发明是这样实现的，一种多普勒测速器包括发射机模块、换能器模块、接收机模块、信号处理机模块、显示器模块、罗经速度补偿变换器模块、陀螺罗经模块。

用于产生足够功率的定波长电信号，并触发发射换能器模块发射超声波的发射机模块；

与发射机模块相连接，由压电陶瓷元件组成的用于接收海底漫发射或体积混响返回的回波并将声能转化为电信号送给接收机模块预处理的换能器模块；

与换能器模块相连接，用于放大接收到的回波信号，检出各波束的频率，并保持输出电压的稳定性的接收机模块；

与接收机模块相连接，利用检出频率计算各向多普勒频移，结合陀螺罗经的航向信息，进行坐标变换，输出速度信息的信号处理机模块；

与信号处理机模块相连接，用于滤除因为海底大型鱼类或者其他海洋物体遮挡超声波而导致信号处理机模块输出的错误速度信息的滤波模块；

与信号处理机模块相连接，用于利用GPS卫星辅助测量速度，并反馈给信号处理机模块进行测速参考的GPS模块；

与滤波模块相连接，用于负责航速、深度、故障和系统参数等信息的显示的显示器模块；

与滤波模块相连接，用于提示诸如系统故障、速度过快等报警信息的报警模块；

与滤波模块相连接，用于速度误差补偿的罗经速度补偿变换器模块；

与罗经速度补偿变换器模块和信号处理机模块相连接，用于提供精确的航向数据，以确定地理坐标系方向基准的陀螺罗经模块。

进一步，所述的发射机模块的发射信号为一对宽带编码脉冲信号，通过测量该对脉冲信号的回波脉冲时间间隔变化来解算相对流速。设多普勒测速器向四个方向同时发射一对宽带脉冲信号，该对脉冲信号的时间间隔为t₀、t₁、t₂、t₃、t₄分别为南、北、东、西四个波束上的回波脉冲对的时间间隔。则载体相对于海底的速度在南北方向上的分量u_北为：

u_北＝(t₂-t₁)×c/(4t₀×sin(Φ))   (1)

在东西方向上的分量u_东为：

u_东＝(t3-t4)×e/(4t₀×sin(Φ))   (2)

上式中脉冲信号的时间间隔为一个编码信号周期，相位角Φ为周期函数，测出t₁、t₂、t₃、t₄，进行相对流速的计算即可。

进一步，在高速航行时，采取相位预调整补偿法解决速度模糊问题。

进一步，所述的GPS模块用于利用GPS卫星进行辅助测速，并将辅助测速数据传给信号处理机模块进行参考和修正。

进一步，所述的报警模块用于提示诸如系统故障、速度过快等报警信息，可以发出声音和LED闪烁进行报警提示。

进一步，所述的滤波模块能够滤除因为海底大型鱼类或者其他海洋物体遮挡超声波而导致信号处理机模块输出的错误速度信息。

进一步，所述的GPS模块测速、定位原理是用户根据卫星星历计算发射卫星的位置、信号传播时间和光速的乘积，可决定用户至卫星的距离。由于卫星钟和用户钟的钟差及传播延迟误差，则用户测得第i颗的卫星伪距离r_i ^*的表达式为

r_i ^*＝r_i+cΔt_Ai+c(Δt_u-Δt_si)   (3)

其中：c为光速；

ΔtAi为第i颗卫星的传播延迟误差和其它误差；

Δtu为用户钟相对于GPS时间的偏差；

Δtsi为第i颗卫星时钟相对于GPS时间的偏差；

ri为用户到第i颗卫星的真实距离，且

r_i＝[(X_si-X)²+(Y_si-Y)²+(Z_si-Z)²]^1/2，

Xsi、Ysi、Zsi及X、Y、Z分别为卫星及用户在空间直角坐标系统的坐标。

对应四颗卫星可测得四个伪距离分别为：

r₁ ^*＝[(X_s1-X)²+(Y_s1-Y)²+(Z_s1-Z)²]^1/2+cΔt_Ai+c(Δt_u-Δt_si)

r₂ ^*＝[(X_s2-X)²+(Y_s2-Y)²+(Z_s2-Z)²]^1/2+cΔt_A2+c(Δt_u-Δt_s2)

r₃ ^*＝[(X_s3-X)²+(Y_s3-Y)²+(Z_s3-Z)²]^1/2+cΔt_A3+c(Δt_u-Δt_s3)

r₄ ^*＝[(X_s4-X)²+(Y_s4-Y)²+(Z_s4-Z)²]^1/2+cΔt_A4+c(Δt_u-Δt_s4)

式中：X、Y、Z和Δtsi为已知；ΔtAi可以用双频校正法校正或利用电文提供的校正参数校正；r_i ^*可由测量获得；只有观测点的坐标X、Y、Z和用户钟对GPS时间的偏差Δtu为未知，对上述四个方程建立方程组求解，可得到这四个未知数。对于只需要二维坐标(纬度、经度)的船舶，只观测三颗卫星就可以了。

由于卫星在轨道上运行，卫星与用户之间的距离在变化，固定频率连续发射的卫星信号要产生多普勒效应。通过对两个时间间隔多普勒计数值的计算，并根据下面公式可求得t1和t2时刻卫星与用户之间的距离差

$\mathrm{\Δr}=N\frac{c}{f_G}-(f_G-f_T)(t_2-t_1)\frac{c}{f_G}---\left(4\right)$

其中：f T为发射频率；fG为本机基准频率；N为t1到t2时间间隔内的多普勒计数值；c为光速。由距离差可求得单位时间的距离差，即得距离变化率。距离变化率与船速之间的关系为

$\begin{array}{c}{r_i}^{*}=\frac{(X_{\mathrm{si}}-X)(X_{\mathrm{si}}-X)+(Y_{\mathrm{si}}-Y)(Y_{\mathrm{si}}-Y)+(Z_{\mathrm{si}}-Z)(Z_{\mathrm{si}}-Z)}{[{(X_{\mathrm{si}}-X)}^2+{(Y_{\mathrm{si}}-Y)}^2+{(Z_{\mathrm{si}}-Z)}^2{]}^{1/2}}\\ +\mathrm{c\Δ}{t}_{\mathrm{Ai}}+c(\mathrm{\Δ}{t}_u-{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{si}})\end{array}$

式中：.r_i ^*为距离变化率，由多普勒测量获得；(Xsi，Ysi，Zsi)和(Xsi，Ysi，Zsi)为已知的卫星位置坐标和三个速度分量；(X，Y，Z)由定位解算得知；同时因测距时间较短，就有Δ.t Ai＝0，Δtsi＝0，所以利用测得四颗卫星组成的一个方程组，可解得用户速度X、Y、Z和钟差变化率Δtu。

效果汇总

本发明的多普勒测速器，发射机模块的发射信号为一对宽带编码脉冲信号，通过测量该对脉冲信号的回波脉冲时间间隔变化来解算相对流速，高速航行时，采取相位预调整补偿法解决速度模糊问题，采用GPS模块进行辅助测速能够有效对测速结果进行反馈和修正，与现有的计程仪相比较具有更高的探测深度和测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的多普勒测速器的组成框图。

图中：1、发射机模块；2、换能器模块；3、接收机模块；4、信号处理机模块；5、滤波模块；6、GPS模块；7、显示器模块；8、报警模块；9、罗经速度补偿变换器模块；10、陀螺罗经模块；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明的多普勒测速器的结构，如图所示，本发明是这样实现的，一种多普勒测速器包括发射机模块1、换能器模块2、接收机模块3、信号处理机模块4、滤波模块5、GPS模块6、显示器模块7、报警模块8、罗经速度补偿变换器模块9、陀螺罗经模块10。

用于产生足够功率的定波长电信号，并触发发射换能器模块发射超声波的发射机模块1；

与发射机模块1相连接，由压电陶瓷元件组成的用于接收海底漫发射或体积混响返回的回波并将声能转化为电信号送给接收机模块3预处理的换能器模块2。

与换能器模块2相连接，用于放大接收到的回波信号，检出各波束的频率，并保持输出电压的稳定性的接收机模块3。

与接收机模块3相连接，利用检出频率计算各向多普勒频移，结合陀螺罗经的航向信息，进行坐标变换，输出速度信息的信号处理机模块4。

与信号处理机模块4相连接，用于滤除因为海底大型鱼类或者其他海洋物体遮挡超声波而导致信号处理机模块输出的错误速度信息的滤波模块5；

与信号处理机模块4相连接，用于利用GPS卫星辅助测量速度，并反馈给信号处理机模块进行测速参考的GPS模块6；

与滤波模块5相连接，用于负责航速、深度、故障和系统参数等信息的显示的显示器模块7；

与滤波模块5相连接，用于提示诸如系统故障、速度过快等报警信息的报警模块8；

与信号处理机模块4相连接，用于速度误差补偿的罗经速度补偿变换器模块9；

与罗经速度补偿变换器模块9和信号处理机模块4相连接，用于提供精确的航向数据，以确定地理坐标系方向基准的陀螺罗经模块10。

进一步，所述的发射机模块1的发射信号为一对宽带编码脉冲信号，通过测量该对脉冲信号的回波脉冲时间间隔变化来解算相对流速。设多普勒测速器向四个方向同时发射一对宽带脉冲信号，该对脉冲信号的时间间隔为t₀、t₁、t₂、t₃、t₄分别为南、北、东、西四个波束上的回波脉冲对的时间间隔。则载体相对于海底的速度在南北方向上的分量u_北为：

u_北＝(t₂-t₁)×c/(4t₀×sin(Φ))   (1)

在东西方向上的分量u_东为：

u_东＝(t3-t4)×e/(4t₀×sin(Φ))   (2)

上式中脉冲信号的时间间隔为一个编码信号周期，相位角Φ为周期函数，测出t₁、t₂、t₃、t₄，进行相对流速的计算即可。

进一步，在高速航行时，采取相位预调整补偿法解决速度模糊问题。

进一步，所述的GPS模块6测速、定位原理是用户根据卫星星历计算发射卫星的位置、信号传播时间和光速的乘积，可决定用户至卫星的距离。由于卫星钟和用户钟的钟差及传播延迟误差，则用户测得第i颗的卫星伪距离r_i ^*的表达式为

r_i ^*＝r_i+cΔt_Ai+c(Δt_u-Δt_si)   (3)

其中：c为光速；

ΔtAi为第i颗卫星的传播延迟误差和其它误差；

Δtu为用户钟相对于GPS时间的偏差；

Δtsi为第i颗卫星时钟相对于GPS时间的偏差；

ri为用户到第i颗卫星的真实距离，且

r_i＝[(X_si-X)²+(Y_si-Y)²+(Z_si-Z)²]^1/2，

Xsi、Ysi、Zsi及X、Y、Z分别为卫星及用户在空间直角坐标系统的坐标。

对应四颗卫星可测得四个伪距离分别为：

r₁ ^*＝[(X_s1-X)²+(Y_s1-Y)²+(Z_s1-Z)²]^1/2+cΔt_Ai+c(Δt_u-Δt_si)

r₂ ^*＝[(X_s2-X)²+(Y_s2-Y)²+(Z_s2-Z)²]^1/2+cΔt_A2+c(Δt_u-Δt_s2)

r₃ ^*＝[(X_s3-X)²+(Y_s3-Y)²+(Z_s3-Z)²]^1/2+cΔt_A3+c(Δt_u-Δt_s3)

r₄ ^*＝[(X_s4-X)²+(Y_s4-Y)²+(Z_s4-Z)²]^1/2+cΔt_A4+c(Δt_u-Δt_s4)

式中：X、Y、Z和Δtsi为已知；ΔtAi可以用双频校正法校正或利用电文提供的校正参数校正；r_i ^*可由测量获得；只有观测点的坐标X、Y、Z和用户钟对GPS时间的偏差Δtu为未知，对上述四个方程建立方程组求解，可得到这四个未知数。对于只需要二维坐标(纬度、经度)的船舶，只观测三颗卫星就可以了。

由于卫星在轨道上运行，卫星与用户之间的距离在变化，固定频率连续发射的卫星信号要产生多普勒效应。通过对两个时间间隔多普勒计数值的计算，并根据下面公式可求得t1和t2时刻卫星与用户之间的距离差

$\mathrm{\Δr}=N\frac{c}{f_G}-(f_G-f_T)(t_2-t_1)\frac{c}{f_G}---\left(4\right)$

其中：f T为发射频率；fG为本机基准频率；N为t1到t2时间间隔内的多普勒计数值；c为光速。由距离差可求得单位时间的距离差，即得距离变化率。距离变化率与船速之间的关系为

$\begin{array}{c}{r_i}^{*}=\frac{(X_{\mathrm{si}}-X)(X_{\mathrm{si}}-X)+(Y_{\mathrm{si}}-Y)(Y_{\mathrm{si}}-Y)+(Z_{\mathrm{si}}-Z)(Z_{\mathrm{si}}-Z)}{[{(X_{\mathrm{si}}-X)}^2+{(Y_{\mathrm{si}}-Y)}^2+{(Z_{\mathrm{si}}-Z)}^2{]}^{1/2}}\\ +\mathrm{c\Δ}{t}_{\mathrm{Ai}}+c(\mathrm{\Δ}{t}_u-{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{si}})\end{array}$

式中：.r_i ^*为距离变化率，由多普勒测量获得；(Xsi，Ysi，Zsi)和(Xsi，Ysi，Zsi)为已知的卫星位置坐标和三个速度分量；(X，Y，Z)由定位解算得知；同时因测距时间较短，就有Δ.t Ai＝0，Δtsi＝0，所以利用测得四颗卫星组成的一个方程组，可解得用户速度X、Y、Z和钟差变化率Δtu。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多普勒测速器，其特征在于，所述的多普勒测速器包括发射机模块、换能器模块、接收机模块、信号处理机模块、滤波模块、GPS模块、显示器模块、报警模块、罗经速度补偿变换器模块、陀螺罗经模块；

用于产生足够功率的定波长电信号，并触发发射换能器模块发射超声波的发射机模块；

与发射机模块相连接，由压电陶瓷元件组成的用于接收海底漫发射或体积混响返回的回波并将声能转化为电信号送给接收机模块预处理的换能器模块；

与换能器模块相连接，用于放大接收到的回波信号，检出各波束的频率，并保持输出电压的稳定性的接收机模块；

与接收机模块相连接，利用检出频率计算各向多普勒频移，结合陀螺罗经的航向信息，进行坐标变换，输出速度信息的信号处理机模块；

与信号处理机模块相连接，用于滤除因为海底大型鱼类或者其他海洋物体遮挡超声波而导致信号处理机模块输出的错误速度信息的滤波模块；

与信号处理机模块相连接，用于利用GPS卫星辅助测量速度，并反馈给信号处理机模块进行测速参考的GPS模块；

与滤波模块相连接，用于负责航速、深度、故障和系统参数等信息的显示的显示器模块；

与滤波模块相连接，用于提示诸如系统故障、速度过快等报警信息的报警模块；

与滤波模块相连接，用于速度误差补偿的罗经速度补偿变换器模块；

与罗经速度补偿变换器模块和信号处理机模块相连接，用于提供精确的航向数据，以确定地理坐标系方向基准的陀螺罗经模块。

2.如权利要求1所述的多普勒测速器，其特征在于，所述的发射机模块的发射信号为一对宽带编码脉冲信号，通过测量该对脉冲信号的回波脉冲时间间隔变化来解算相对流速，设多普勒测速器向四个方向同时发射一对宽带脉冲信号，该对脉冲信号的时间间隔为t₀、t₁、t₂、t₃、t₄分别为南、北、东、西四个波束上的回波脉冲对的时间间隔，则载体相对于海底的速度在南北方向上的分量u_北为：

u_北＝(t₂-t₁)×c/(4t₀×sin(Φ))   (1)

在东西方向上的分量u_东为：

u_东＝(t3-t4)×e/(4t₀×sin(Φ))   (2)

上式中脉冲信号的时间间隔为一个编码信号周期，相位角Φ为周期函数，测出t₁、t₂、t₃、t₄，进行相对流速的计算即可。

3.如权利要求1所述的多普勒测速器，其特征在于，在高速航行时，采取相位预调整补偿法解决速度模糊问题。

4.如权利要求1所述的多普勒测速器，其特征在于，所述的GPS模块用于利用GPS卫星进行辅助测速，并将辅助测速数据传给信号处理机模块进行参考和修正。

5.如权利要求1所述的多普勒测速器，其特征在于，所述的报警模块用于提示诸如系统故障、速度过快等报警信息，可以发出声音和LED闪烁进行报警提示。

6.如权利要求1所述的多普勒测速器，其特征在于，所述的滤波模块能够滤除因为海底大型鱼类或者其他海洋物体遮挡超声波而导致信号处理机模块输出的错误速度信息。