CN105807272A - 一种基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量方法及装置 - Google Patents

一种基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量方法及装置；其中，该方法包括：采集电动水下航行器航行时发出的噪声数据；根据噪声数据获取噪声数据的频谱；根据噪声数据的频谱，确定位于该频谱中由电机产生的第k簇谱线中心两侧的一对线谱；根据这一对线谱，以其相对变频器开关频率k倍频的频移，利用多普勒效应计算出所述水下航行器的航速。该装置包括：采集模块、第一处理模块、第二处理模块和计算模块。本发明提供的基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量方法及装置，结构简单，合理利用变频器供电的电机噪声特性，在外部实时监控电动水下航行器航速。

Description

一种基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量方法及装置
技术领域
本发明涉及被动声纳测速领域，尤其涉及一种基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量方法及装置。
背景技术
速度在水下航行器的技术评价体系中是一个重要的技术指标。为了测量水下航行器的航速，现有的一种技术是在航行器上安装一个信标，通过长基线定位系统，确定水下航行器的位置，然后通过卡尔曼滤波等方法计算出水下航行器的航速。这种需要在水下航行器上加装信标，并在航线附近布设长基线测量单元的测量系统极为复杂。
另一种现有技术的测速手段是在水下航行器头部安装换能器，通过换能器向前方发射CW波脉冲信号，接收信号的回波，通过分析混响的中心频率，得到其相对发射信号的频偏，进而用多普勒效应计算出航速。这种测量方法需要在水下航行器上安装收发换能器或基阵，且只能在水下航行器上记录测量结果，无法实时回传。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多普勒效应的电动水下航行器航速的外部测量方法，它仅使用一个水听器，通过对变频器供电的电机噪声特性合理利用，在外部实时监控电动水下航行器的航速。
为了实现上述目的，一方面，本发明提供一种基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量方法，该方法包括以下步骤：
采集电动水下航行器电机在工作中发出的噪声数据；
根据噪声数据获取噪声数据的频谱；水下航行器电机由变频器供电，电动水下航行器电机定子电流中高次谐波频率为变频器的开关频率；
根据噪声数据的频谱确定位于该频谱第k簇谱线两侧的一对线谱；
根据获取的一对线谱，以其相对变频器开关频率k倍频的频移，利用多普勒效应计算出所述水下航行器的航速。
另一方面，本发明提供一种基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量装置，该装置包括：
采集模块，用于采集电动水下航行器电机在工作中发出的噪声数据；
第一处理模块，用于根据噪声数据获取噪声数据的频谱；电动水下航行器电机由变频器供电，电动水下航行器电机开关频率为变频器的开关频率；
第二处理模块，用于根据噪声数据的频谱确定在频谱中由电机产生的第k簇谱线两侧的一对线谱；
计算模块，用于根据获取的一对线谱，以其相对变频器开关频率k倍频的频移，利用多普勒效应计算出电动水下航行器的航速。
本发明提供一种基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量方法及装置，实现简单，可在外部实时监控电动水下航行器的航速。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于多普勒效应的水下航行器航行时水听器布放示意图；
图2为本发明实施例提供的基于多普勒效应的水下航行器测量方法流程图；
图3为本发明实施例提供的基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量装置结构框图；
图4为本发明实施例提供的基于多普勒效应的水下航行器电机静态测试时噪声的频谱图；
图5为本发明实施例提供的基于多普勒效应的水下航行器航行时的噪声频谱图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
图1为本发明实施例提供的基于多普勒效应的水下航行器航行时水听器布放示意图。如图1所示，水听器布放在水深15米处，电动水下航行器的航行深度也设定在水下15米。水下航行器直航，水听器布放在水下航行器航行方向的正后方。图2-3所示的基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量方法及装置可以应用在图3所示的场景图中。
图2为本发明实施例提供的一种基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量方法流程图。如图2所示，该方法包括步骤101-104：
步骤101，采集电动水下航行器航行时发出的噪声数据；
步骤102，根据噪声数据获取噪声数据的频谱；电动水下航行器电机由变频器供电，电动水下航行器电机定子电流中高次谐波频率为变频器的开关频率。
步骤103，根据噪声数据的频谱确定位于该频谱第k簇谱线两侧的一对线谱；选择开关频率fM的k倍频作为f0(f0＝kfM，fM为变频器的开关频率)。
步骤104，根据步骤103选取的一对线谱，以其相对变频器开关频率k倍频的频移，利用多普勒效应计算出所述水下航行器的航速。
选取的fU和fL为fU‘＝(f0+nfb)和fL’＝(f0-nfb)，受到多普勒效应的影响得到
根据可以得到：计算电动水下航行器的航速的公式c为水下航行器航行位置处的声速。
当计算得到的电动水下航行器的航速v为正时，则表示航行器的航向为远离水听器布置位置；当计算得到的电动水下航行器的航速v为负时，则表示航行器的航向为靠近水听器布置位置。
重复步骤103-104，计算若干组电动水下航行器的航速，将其平均数确定为所述水下航行器的航速，以减小误差。
本发明实施例提供的基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量方法，结构简单，合理的利用电机噪声特性，在外部实时监控电动水下航行器航速。
图3为本发明实施例提供的基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量装置结构框图。该装置500包括采集模块501、第一处理模块502、第二处理模块503和计算模块504。
采集模块501，用于采集电动水下航行器电机在工作中发出的噪声数据；
第一处理模,502，用于根据噪声数据获取噪声数据的频谱；电动水下航行器电机由变频器供电，电动水下航行器电机开关频率为变频器的开关频率；
第二处理模块503，用于根据噪声数据的频谱确定位于该频谱第k簇谱线两侧的一对线谱；
计算模块504，用于根据获取的一对线谱，以其相对变频器开关频率k倍频的频移，利用多普勒效应计算出水下航行器的航速。
本发明实施例提供的一种基于多普勒效应的电动水下航行器航速测量装置，实现简单，可在外部实时监控电动水下航行器的航速。
图4为本发明实施例提供的基于多普勒效应的水下航行器电机静态测试时噪声的频谱图。如图4所示，电动水下航行器的电机采用10KHz开关频率的变频器供电，电动水下航行器的电机的变频器输出的基波频率为100Hz，采样率100KHz，噪声谱均经过了归一化处理。在开关频率10KHz、开关频率的2倍频20KHz、开关频率的3倍频30KHz和开关频率的4倍频40KHz的两侧分别存在着相对应的±nfb赫兹(此处的n与开关频率的倍频数有奇偶互异的关系。即开关频率的奇倍频，则n为偶数；开关频率的偶倍频，则n为奇数)谱线簇，其中fb＝100Hz。
图5为本发明实施例提供的基于多普勒效应的电动水下航行器航行时的噪声频谱图。电动水下航行器沿直线行进时，设定的航速为20m/s，在此深度的声速为1500m/s，在第二簇谱线中选取fU1＝19.8333KHz，fL1＝19.6425KHz；fU2＝20.0428KHz，fL2＝19.0476KHz；在第四簇谱线中选取fU3＝40.1605KHz，fL3＝38.7799KHz。(通过与图4的比对可以发现fL1与fU1是20KHz±1fb谱线经过多普勒效应的影响之后的谱线；fU2与fL2是20KHz±7fb谱线经过多普勒效应的影响之后的谱线；fU3与fL3则是40KHz±7fb谱线经过多普勒效应的影响之后的谱线。)
通过公式计算得到的航速为
v 1 = c ( 2 f 01 f U 1 + f L 1 - 1 ) = 19.92 m / s , v 2 = c ( 2 f 01 f U 2 + f L 2 - 1 ) = 19.92 m / s ,
v 3 = c ( 2 f 02 f U 3 + f L 3 - 1 ) = 20.13 m / s ,
求平均值得
误差在可以接受的范围之内。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动水下航行器的航速测量方法,其特征在于，包括以下步骤：
采集电动水下航行器航行时发出的噪声数据；
根据所述噪声数据获取所述噪声数据的频谱；所述水下航行器电机由变频器供电，所述电动水下航行器电机定子电流中高次谐波频率为变频器的开关频率；
根据所述噪声数据的频谱确定在所述噪声频谱中位于第k簇谱线两侧的一对线谱；
根据所述一对线谱，以其相对变频器开关频率k倍频的频移，利用多普勒效应计算出所述水下航行器的航速。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述噪声数据的频谱确定在所述噪声频谱中位于第k簇谱线两侧的一对线谱的步骤，包括：
选取所述电动水下航行器变频器开关频率k倍频作为f0，f0＝kfM，其中fM为变频器开关频率；
在频谱中第k簇谱线里选出两条线谱fU与fL，这对fU与fL是由在航行器静止时关于f0对称的一对线谱由多普勒效应偏移而成的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用多普勒效应计算出所述水下航行器的航速的步骤，包括：
计算电动水下航行器的航速(v)，公式为：其中，c为水下航行器航行位置处的声速。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述电动水下航行器的航速(v)为正时，则所述电动水下航行器的航向为远离水听器布置位置；所述电动水下航行器的航速(v)为负，则所述电动水下航行器的航向为靠近水听器布置位置。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，计算若干组电动水下航行器的航速，将其平均数确定为所述水下航行器的航速。
6.一种电动水下航行器的航速测量装置,其特征在于，包括：
采集模块，用于采集电动水下航行器电机在工作中发出的噪声数据；
第一处理模块，用于根据所述噪声数据获取所述噪声数据的频谱；所述水下航行器电机由变频器供电，所述电动水下航行器电机定子电流中高次谐波频率为变频器的开关频率；
第二处理模块，用于根据所述噪声数据的频谱确定位于所述噪声频谱第k簇谱线两侧的一对线谱；
计算模块，用于根据所述一对线谱，以其相对变频器开关频率k倍频的频移，利用多普勒效应计算出所述水下航行器的航速。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二处理模块，具体用于：
选取所述电动水下航行器电机开关频率k倍频作为f0，f0＝kfM，其中fM为变频器开关频率；
在频谱中第k簇线谱里选出两条谱线fU与fL。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算模块，具体用于：
计算电动水下航行器的航速(v)，公式为：其中，c为水下航行器航行位置的声速。
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