CN107783137A - 一种基于五波束配置的声多普勒和声相关测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下导航技术领域，具体涉及一种基于五波束配置的声多普勒和声相关测速方法。本发明的基于五波束配置的声多普勒和声相关测速方法，包括以下步骤：步骤1、脉冲对测频；步骤2、声相关测速；步骤3、确定频偏范围；步骤4、模糊区间修正；步骤5、运动载体速度修正。本发明解决了现有的声学多普勒测速方法在测量高速运动载体时测速结果不准确的问题，通过声相关测速对声多普勒模糊速度进行补偿，可以消除高速水下运动载体的测速奇点，提高声学多普勒测速的精度。

Description

一种基于五波束配置的声多普勒和声相关测速方法

技术领域

本发明属于水下导航技术领域，具体涉及一种基于五波束配置的声多普勒和声相关测速方法。

背景技术

声学多普勒测速仪因具有测速精度高以及稳定性强，且可以获得浅水域运动载体速度等优点成为水下导航领域应用最广泛的测速仪之一。为了抑制环境噪声以及混响的干扰，声学多普勒测速多采用脉冲对测速算法对宽带编码回波信号进行分析，但是脉冲对测速算法存在模糊速度的限制，即当运动载体的速度高于模糊速度时，测速算法无法给出正确的速度。这个模糊速度的大小由发射的宽带编码信号所决定，尽管可以通过改变码元宽度以及码元序列长度来增大这个模糊速度，但是与此同时又降低了发射信号的抗干扰性，所以必须提出更有效的方法来解决模糊速度的问题。基于上述多普勒测速存在的问题，提出了一种基于五波束配置，通过声相关测速对声多普勒测速进行辅助修正的测速技术。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：现有的声学多普勒测速方法在测量高速运动载体时测速结果不准确。

本发明的技术方案如下所述：

一种基于五波束配置的声多普勒和声相关测速方法，包括以下步骤：

步骤1、脉冲对测频

通过脉冲对测频算法获得有可能存在频偏模糊的多普勒频移f_dp；

步骤2、声相关测速

通过声相关的基阵设计选择相应的时间相关或空间相关测速算法，得出粗测速度v_c，此时v_c存在一定误差精度不高，不能直接用来进行水下载体的导航。

步骤3、确定频偏范围

频移f_dc通过下式计算：

其中f_T为发射信号中心频率，c为声速，α为换能器发射的波束中心轴线与水平轴的夹角；

则频偏区间k'为：k'＝[(f_dc-f_dp)/2/f_mo]，[·]为取整符号；

f_mo为已知的模糊频率，f_mo＝1/2τ_s。

步骤4、模糊区间修正

如果f_dc-2*k'*f_mo的符号与f_dc的符号一致，那么说明步骤3中的k'是正确值，则令k＝k'；如果f_dc-2*k'*f_mo的符号与f_dc的符号相反，那么说明步骤3中的k'需要进行修正，若f_dc-2*k'*f_mo＞0，f_dc＜0，则令k＝k'-1，若f_dc-2*k'*f_mo＜0，f_dc＞0，则令k＝k'+1。

步骤5、运动载体速度修正

修正后的频移为f_R＝f_dp+2*k*f_mo，

经过频移速度转换最终完成对运动载体速度的修正。

优选的，步骤1中计算多普勒频移f_dp的具体方法为：通过收发合置换能器发射宽带编码信号，其中编码方式选择伪随机码，设τ₀为伪随机序列编码信号的一个整周期时间长度，发射信号则由M个时间长度为τ₀的编码信号调制生成。发射信号经海底反射到达换能器接收端，对接收信号S[n]做如下处理，将其分解为两路信号S₁[n₁]和S₂[n₂]，其中n₁＝1:N-k*τ₀，n₂＝1+k*τ₀:N，即此两路信号的时延为kτ₀，且1≤k＜M，则根据复相关测平均频率的原理可以得出

其中，为S₁[n]的共轭，N为接收信号的采样点个数。

本发明的有益效果为：本发明的方法通过声相关测速对声多普勒模糊速度进行补偿，可以消除高速水下运动载体的测速奇点，提高声学多普勒测速的精度。

附图说明

图1为十字交叉阵五波束配置的声多普勒和声相关的测速结构设计；

图2为三角针五波束配置的声多普勒和声相关的测速结构设计；

图3为水底椭圆照射面示意图；

图4为不同位置散射回波的迭加示意图；

图5为水下回波信号仿真流程图；

图6为水下回波信号时域图；

图7为水下回波信号频谱图；

图8为多普勒频率模糊示意图；

图9为区间跳变示意图；

图10为未经过修正的脉冲对测速结果示意图；

图11为修正后的脉冲对测速结果示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种基于五波束配置的声多普勒和声相关测速方法进行详细说明。

声学多普勒测速采用基于四波束的JANUS配置，不仅可以消除船舶上下垂直运动和左右前后摇摆对测速的影响，还由于这种结构可以给声相关测速的波束配置留有设计空间。声相关测速是采用垂直向下发射和接收超声波信号，因此该测速法所采用的换能器相对于多普勒的换能器发射功率小，体积也更小(毫米量级)。

基于五波束配置的声多普勒和声相关测速结构设计如图1、2所示。图1和2中，TR表示收发合置换能器，其中多普勒测速需要四波束的收发合置换能器TR1，TR2，TR3以及TR4，四波束的收发合置换能器在空间中呈矩形排布，四个收发合置换能器的中心位于矩形的四个顶点处。T代表发射换能器，R代表水听器，声相关测速法只需要用单独发射一个波束，多个接收点即可获得速度结果。声相关法接收基阵的布阵方法很多，例如图1中的十字交叉阵以及图2中的三角阵，另外还可以选择方阵、L阵以及其他分布的阵列，只需使水听器在空间中构成中心对称图形，并且发射换能器位于对称中心。

在配置五波束的声多普勒和声相关测速装置过程中有两点需要注意：一是声相关所采用的发射换能器的频率范围应低于多普勒所使用的换能器的频带范围，这样做的优点是可以在信号处理过程中避免不同发射声波之间的互相干扰，还可以提高声相关测速的底跟踪深度，当多普勒测速失去底跟踪状态时，由声相关测速辅助获得对底绝对速度。二是声相关测速法的布阵方法与工程成本以及测速精度息息相关，本方法声相关测速结果是用来对多普勒测量高速运动载体时进行解模糊，并不要求其具有较高的精度，因此可以选择最简化的布阵方式降低成本。

声学多普勒测速仪是通过测量发射信号与水下回波信号之间的多普勒频移信息来推算出载体自身的速度。因此水下回波信号蕴含着测速所需要的重要信息多普勒频移，需要对声多普勒的水下回波信号进行建模。

换能器发射波束照射的水底散射空间可以近似看成是椭圆平面，如图3所示，假设水底散射体等间隔的分布于该椭圆平面内。设水底垂直深度为H，发射波束宽度为Δα，换能器发射的波束中心轴线与水平轴X的夹角为α。首先写出海底照射面椭圆的方程表达式，则椭圆的长轴a为：

短轴b为：

中心坐标为：

水底照射面的椭圆方程为：

则照射区域内任意一点N的位置坐标可以写为(r_n sinθ_n cosγ_n,r_n sinθ_n sinγ_n,r_n cosθ_n)。由椭圆公式可以得出，不同深度H的水底所得到的椭圆方程具有不同的中心位置和面积，它们是和发射束宽以及波束轴线对应的入射角是直接相关的。粗糙水底的反向散射是最容易描述的，因为此时散射的能量空间分布满足Lambert定律。根据Lambert定律，水底散射体的反向散射强度I_s与入射强度I_i的比为

I_s/I_i＝μ_ncos²(θ_n) (5)

其中：μ_n为与底有关的比例常数；θ_n为信号入射角度。

但是不同的水底散射系数也不一样，因此在计算过程中可以选择以往的经验值。同样的，某一地点的散射波的相位虽然是确定的，但是无法通过测量获得，因此一般利用(0,2π)均匀分布来表示相位的分布规律。图4所示为不同位置散射回波的示意图，椭圆照射面由这些点构成。当深度、入射角和波束宽度确定后，波束照射水底的椭圆面积也确定了。该面积内水底散射体的间隔决定了散射体散射过程叠加到回波中的数量。椭圆平面内分布的散射体间隔在水底回波的波束散射建模中是可以自由设定的。一般认为水底是连续的，为了与实际情况相近，选择发射的波长大小为散射体的间隔。

图5给出了水下回波信号建模仿真流程图：

a、通过换能器参数以及声呐方程确定声波在水下传播过程中的衰减以及海底目标反射强度(海底混响级)。

b、根据步骤a的参数确定散射回波的强度以及水底椭圆照射面的方程参数。

c、根据波束散射模型，将椭圆照射面划分间隔为波长的若干个散射元，将这些体积元的散射波进行叠加，获得水底散射回波包络曲线。

d、将水底散射回波包络曲线叠加一定带宽的高斯白噪声合成最终的水下回波信号输出。

为了提高测频精度、抑制环境噪声以及混响对测速结果的影响，发射信号应采用宽带编码信号，在此以伪随机码m序列为例。已知换能器中心频率为500kHz，设其带宽为100kHz，码元宽度为50kHz，发射信号长度为10ms，采用5阶编码序列，则根据水下回波模型可以获得接近于实际情况，蕴含多普勒频移的水底散射回波，其时域图以及频谱图如图6、7所示。针对此水下回波进行多普勒脉冲对细测速分析

其中，v_x为运动载体的水平速度分量，f_T为发射声波中心频率，c为声速，α为换能器俯角，f为这段回波信号的平均多普勒频移，R(τ_s)为复信号的相关函数在测频时延τ＝τ_s时刻的值，Im表示虚部，Re表示实部。

对于宽带编码信号而言，在相邻的采样时间已经不具备良好的相关性，必须将时延τ_s进行修正，因此需要对回波信号进行不同时刻采样来构造一对具有自相关性的复信号序列，若S[n]为经过正交解调和低通滤波后回波复信号序列，则S₁[n₁]和S₂[n₂]为一对时延为kτ₀的复信号组成的相关脉冲序列，其中n₁＝1:N-k*τ₀，n₂＝1+k*τ₀:N；假设发射的宽带编码信号的周期个数为M个，kτ₀为测频时延，其中τ₀为伪随机编码信号的一个整周期长度，k应当小于所发射的编码信号的周期数M；τ₀＝mΔt，m为编码信号的比特数，Δt为一个码元宽度，等于发射信号带宽的倒数。因此式(6)中的R(τ_s)可以表达为：

通过式(7)和式(6)即可以获得细测速结果。

由反正切函数的性质可知式(6)中：

由上式可知，由于脉冲对测频利用的是复信号的相位信息，而相位是周期变化的，因此当被测量的海底回波信号的多普勒频移大于1/2τ_s时，就会产生测频模糊现象，定义模糊频率f_mo＝1/2τ_s。所以由arg(R(τ_s))计算得出的角度应该包含周期信息在内，

f_dR＝f_dp+k*2f_mo,k＝0,±1,±2...(10)

其中，f_dR为真实的多普勒频率，f_dp为脉冲对算法得到的多普勒频移，图9根据脉冲测频算法结果的周期性，划分了频移变化的区间，其中A₀、A_±1、A_±2位置为真正的多普勒频移，那么通过式(8)可以得知它们的相位值均为但是通过式(9)可以得知其真实相位值之间是相差2kπ的，也就是说真实的多普勒频移f_dR之间是相差2f_mo的。因此当|f_d|＞f_mo时，在利用脉冲对算法获得多普勒频偏之后，还应使用声相关测速法对频移区间进行判别，即解模糊算法来获得真正的速度信息。

声相关测速法基于“波形不变原理”，其基本公式为

其中，v为运动载体的水平速度，d为两水听器之间的距离，τ为两水听器接收的信号包络时延值。有两种方案可以获取水听器的间距d和时延τ：时间相关测速和空间相关测速。

时间相关测速即在固定水听器间距的情况下，寻找使两接收信号相关值最大时两个信号的时延τ。设两水听器接收的信号包络分别为r₁(t)和r₂(t)，其时间互相关函数为

逐点改变时延，当R₁₂(τ)达到最大值时τ＝τ₀，由此根据式(11)可以得出粗测运动载体速度v_c。

空间相关测速则是将某一参考水听器的信号经一固定时延t₀后，轮流与其他各水听器的信号求相关，设第i个水听器在时刻n接收的信号为r_i,n，则第i个与第j个(i≠j)水听器信号的空间相关系数为

其中h为固定时延节数，即t₀＝hT_s，T_s为采样间隔，m_i和m_j分别为第i个与第j个接收信号的N个样本的平均值。找出使相关系数ρ_i,j达到最大时对应的水听器间距，由此根据式(12)可以得出粗测运动载体速度v_c。

基于五波束配置的声多普勒和声相关测速方法具体步骤如下：

1、脉冲对测频：通过脉冲对测频算法获得有可能存在频偏模糊的多普勒频移f_dp。

2、声相关测速：通过声相关的基阵设计选择相应的时间相关或空间相关测速算法，得出粗测速度v_c，此时v_c存在一定误差精度不高，不能直接用来进行水下载体的导航。

3、确定频偏范围：频移f_dc通过下式计算：

其中f_T为发射信号中心频率，c为声速。

已知模糊频率f_mo＝1/2τ_s，则频偏区间k'为：k'＝[(f_dc-f_dp)/2/f_mo]，[·]为取整符号。

4、模糊区间修正：在一般情况下通过步骤b对a的结果进行修正就可以获得真实的速度，但是当多普勒频移恰好落在区间边界时，只利用声相关方法的测速结果仍然有可能造成区间误判，如图9所示。假设O点的位置是频偏真值，通过v_c确定的频偏区间可能在P点，此时步骤1中确定的频偏范围为区间Ⅱ，实际的频偏真值在区间Ⅰ，因此需要利用区间边界的性质对模糊区间进行修正。在区间边界的左右，脉冲对测频的结果是由f_mo跳变到-f_mo或者由-f_mo跳变到f_mo，因此当声相关估计结果落在区间边界时，应采用以下方法对k'进行修正。

如果f_dc-2*k'*f_mo的符号与f_dc的符号一致，那么说明步骤3中的k'是正确值，令k＝k'；如果f_dc-2*k'*f_mo的符号与f_dc的符号相反，那么说明步骤3中的k'需要进行修正，若f_dc-2*k'*f_mo＞0，f_dc＜0，则正确的区间k＝k'-1，若f_dc-2*k'*f_mo＜0，f_dc＞0，则正确的区间k＝k'+1。

5、获得修正后的运动载体速度v_R：修正后的频移为f_R＝f_dp+2*k*f_mo，经过频移速度转换最终完成对于载体航速的解算。

图10和1为根据上述流程获得的测速结果对比图，其中图11为测速范围±15m/s内，未修正的测速结果图；图11为测速范围±15m/s内，基于声相关测速法修正的测速结果图。图10中的模糊频率根据仿真参数计算可得为f_mo＝1/2τ_s＝806.4516Hz，所以模糊速度为2.4194m/s。当载体速度大于2.4194m/s后，脉冲对测速结果不再正确，测量结果出现速度奇点。图11中经过声相关测速法辅助补偿的脉冲对测量结果与载体运动速度真实值稳和。所以本方法可以准确测量水下高速运动载体的速度。

Claims (2)

1.一种基于五波束配置的声多普勒和声相关测速方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、脉冲对测频

通过脉冲对测频算法获得有可能存在频偏模糊的多普勒频移f_dp；

步骤2、声相关测速

通过声相关的基阵设计选择相应的时间相关或空间相关测速算法，得出粗测速度v_c，此时v_c存在一定误差精度不高，不能直接用来进行水下载体的导航。

步骤3、确定频偏范围

频移f_dc通过下式计算：

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>v</mi> <mi>c</mi> </msub> </mrow> <mi>c</mi> </mfrac> <msub> <mi>f</mi> <mi>T</mi> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow>

其中f_T为发射信号中心频率，c为声速，α为换能器发射的波束中心轴线与水平轴的夹角；

则频偏区间k'为：k'＝[(f_dc-f_dp)/2/f_mo]，[·]为取整符号；

f_mo为已知的模糊频率，f_mo＝1/2τ_s。

步骤4、模糊区间修正

如果f_dc-2*k'*f_mo的符号与f_dc的符号一致，那么说明步骤3中的k'是正确值，则令k＝k'；如果f_dc-2*k'*f_mo的符号与f_dc的符号相反，那么说明步骤3中的k'需要进行修正，若f_dc-2*k'*f_mo＞0，f_dc＜0，则令k＝k'-1，若f_dc-2*k'*f_mo＜0，f_dc＞0，则令k＝k'+1。

步骤5、运动载体速度修正

修正后的频移为f_R＝f_dp+2*k*f_mo，

经过频移速度转换最终完成对运动载体速度的修正。

2.如权利要求1所述的基于五波束配置的声多普勒和声相关测速方法，其特征在于：步骤1中计算多普勒频移f_dp的具体方法为：

通过收发合置换能器发射宽带编码信号，其中编码方式选择伪随机码，设τ₀为伪随机序列编码信号的一个整周期时间长度，发射信号则由M个时间长度为τ₀的编码信号调制生成。发射信号经海底反射到达换能器接收端，对接收信号S[n]做如下处理，将其分解为两路信号S₁[n₁]和S₂[n₂]，其中n₁＝1:N-k*τ₀，n₂＝1+k*τ₀:N，即此两路信号的时延为kτ₀，且1≤k＜M，则根据复相关测平均频率的原理可以得出

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mover> <mi>f</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>f</mi> <mi>T</mi> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> <mi>c</mi> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;&amp;tau;</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>c</mi> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>I</mi> <mi>m</mi> <mo>{</mo> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k&amp;tau;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>}</mo> </mrow> <mrow> <mi>Re</mi> <mo>{</mo> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>k&amp;tau;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>}</mo> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

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其中，为S₁[n]的共轭，N为接收信号的采样点个数。