CN114236172A - 一种激光反射感应式水下航行体测速系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光反射感应式水下航行体测速系统，包括：水上处理终端、计数器、水下处理模块、沿被测物行进方向依次等距布置的多个光电探头、设置在被测物上的反光机构，反光机构包括：由多条沿所述被测物长度方向等距布置的反光贴制成的反光带，反光贴的长边与所述被测物的行进方向垂直；计数器与水上处理终端连接，水下处理模块通过脐带缆分别与计数器和水上处理终端连接，多个光电探头均与水下处理模块连接，该测速系统采用反射感应的方式，使结构更加简单，能够对大型被测目标物进行水下测速，并且成本低，测量准确度高，具有良好的稳定性和可靠性。

Description

一种激光反射感应式水下航行体测速系统

技术领域

本发明涉及水下测速技术领域，具体涉及一种激光反射感应式水下航行体测速系统。

背景技术

在各类运动目标的水下试验中，目标物的水下速度是一项重要参数。对目标物的水下速度进行测量，是评价其性能指标和试验成果的重要步骤。

目前水下测速方法较多，包括多普勒测速、惯性测速、电磁感应式、测速轮式、水下激光光幕靶式等。不同的水下测速方法根据使用情况，其准确度、便利性、适用范围和使用成本等方面各有优缺点。

a)多普勒测速：

应用声波的多普勒效应测速，是水下常用的测速方法。相关的应用如多普勒计程仪，利用发射的声波和接收的水底反射波之间的多普勒频移测量船舶相对于水底的航速和累计里程。应用多普勒测速原理测量目标物的水下速度，可将多普勒测速设备安装在被测目标上，随被测目标运动并接收固定物的回波；也可将多普勒测速设备安装在水下固定平台上，接收被测目标的回波。

多普勒测速需要良好的反射层。将水质点作为反射层时，需要水域环境相对稳定，否则会影响测量准确度。将被测目标作为反射层时，测量信噪比被测量精度都会有局限性。

b)惯性测速：

惯性测速采用惯性仪表作为主标准仪器，安装在被测目标上，随被测目标一同运动。惯性仪表通过测量被测目标的加速度，积分计算得到速度值。

由于惯性积分测速的原理，惯性仪表在长时间的运行过程中会累计测量误差，因此对测试时间有一定限制。

c)电磁感应式：

电磁感应测速是应用水流导体切割磁力线运动产生感应电动势的原理进行水下测速，如船上的电磁式计程仪，就是利用电磁感应测速原理。其优点是测速仪器结构简单，线性好。

电磁感应测速测得的速度为相对于水介质的速度，同样需要水域环境相对稳定，否则会影响测量准确度。

d)测速轮方式：

测速轮方式主要包括测速轮、测速码盘、脉冲传感器和速度处理器。测速轮与测速码盘同心安装，并与运行轨道接触。当被测目标向前运动时，测速码盘随测速轮仪器转动，激发脉冲传感器。最后由速度处理器根据测速轮的转速和轮径换算成运动速度。这种水下测速方案优点是结构简单和集成化程度高，并且相对独立，安装后对其他系统影响小。

测速轮方式缺点是速度测量准确度低，且只适用于沿固定轨道行进的被测目标。

以上惯性测速、电磁感应测速、测速轮方式、以及将水质点作为反射层的多普勒测速四种方法，都需要将数据采集和记录设备安装于被测目标上。对被测目标本身在质量和水动力特性等方面都会产生影响。

e)水下激光光幕靶式：

利用光电感应的原理，测量目标物到达不同位置时触发光电感应效应的时间，然后计算位置和时间的关系得到速度量。目前光电感应式水下测速一般利用水下激光光幕靶的方式，即激光准直光源发射光线(光幕)穿过水介质被光电接收靶接收，当被测目标物穿过光幕区间时产生区截信号。

水下激光光幕靶式只适用于测量小体积目标物，对于大体积或大行程被测目标，若不降低测量准确度，光幕靶测速的成本会大幅增加。

发明内容

针对上述问题，发明人提供了一种激光反射感应式水下航行体测速系统，采用激光反射感应式的方式进行水下测速，适用于对较大目标物的近距离水下速度测量，具有准确度高、结构简单、使用成本低的特点。

本发明提供了一种激光反射感应式水下航行体测速系统，包括：水上处理终端、计数器、水下处理模块、沿被测物行进方向依次等距布置的多个光电探头、设置在被测物上的反光机构；所述计数器与水上处理终端连接，所述水下处理模块通过脐带缆分别与计数器和水上处理终端连接，多个所述光电探头均与水下处理模块连接，所述水下处理模块用于将所述光电探头的感应电信号处理成脉冲方波，所述计数器用于测量所述水下处理模块发送来的脉冲方波的周期，并将所述周期发送至水上处理终端；所述反光机构包括：由多条沿所述被测物长度方向等距布置的反光贴制成的反光带，所述反光贴的长边与所述被测物的行进方向垂直；

第n条反光贴激发所述光电探头时被测物的行进速度Vn为：

V_n＝2d/(T_n+1-T_n-1)

其中，d表示相邻两条反光贴的间距；T_n+1表示第n+1条反光贴激发光电探头的时间；T_n-1表示第n-1条反光贴激发光电探头的时间。

进一步地，所述水下处理模块包括：稳压组件、控制组件和信号处理电路，所述稳压组件用于为所述光电探头提高稳定的直流电，所述控制组件与所述光电探头连接，用于监视所有光电探头的激发感应状态，所述信号处理电路用于将所述光电探头的感应电信号处理成脉冲方波。

进一步地，相邻两个所述光电探头的间距不大于所述反光带的总长度。

进一步地，所述光电探头通过安装支架与角度调节器连接，所述角度调节器用于使所有光电探头平行。

进一步地，相邻两条所述反光贴的间距为100mm～300mm。

相比现有技术，本发明的有益效果：

(1)本发明提供的激光反射感应式水下航行体测速系统，采用反射感应的方式，使结构更加简单，能够对大型被测目标物进行水下测速，并且成本低，测量准确度高。

(2)本发明所用的反光机构为反光贴带，对被测目标物本身的机械结构、电磁特性、声特性等各方面影响可忽略不计，降低了对水下试验系统的干扰，具有良好的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为发明提供的激光反射感应式水下航行体测速系统的系统示意图；

图2为实施例1中的激光反射感应式水下航行体测速系统的系统原理框图；

图3为实施例1中的激光反射感应式水下航行体测速系统的测速原理示意图。

附图标记：

1-水上处理终端；2-计数器；3-脐带缆；4-水下处理模块；41-控制组件；42-信号处理电路；43-稳压组件；5-光电探头；6-安装支架；7-角度调节器；8-被测物；81-反光贴。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明旨在提供一种结构简单、使用方便、准确度高的水下航行体测速系统，以实现对较大目标物的近距离水下速度测量。

实施例1

如图1-2所示，本发明提供了一种激光反射感应式水下航行体测速系统，包括：水上处理终端1、计数器2、水下处理模块4、沿被测物8行进方向依次等距布置的多个光电探头5、设置在被测物8上的反光机构。计数器2与水上处理终端1连接，水下处理模块4通过脐带缆3分别与计数器2和水上处理终端1连接，多个光电探头5均与水下处理模块4连接。反光机构包括：由多条沿被测物8长度方向等距布置的反光贴81制成的反光带，反光贴81为长条状，大小根据被测目标无的几何尺寸决定，一般宽为3mm～10mm，长为50mm～200mm，数量一般为10～50个，反光贴的81长边与被测物8的行进方向垂直。相邻两条反光贴81的间距d为100mm～300mm。设反光贴81设有n条，则相邻两个光电探头5的间距S≤d*(n-1)，即相邻两个光电探头5的间距S不大于反光带的总长度，可以保证光电探头5激发的感应电信号不会中断，每个光电探头5按先后顺序以接力形式完成对被测物的8速度测量。光电探头5通过安装支架6与角度调节器7连接，角度调节器7安装在水下各类试验平台或固定结构物上，通过调整角度调节器7来调整安装支架6，使各个安装支架6保持平行关系，以使光电探头5发射的激光束保持平行。光电探头5采用水密封装结构，以保证水下正常运行，其发射的激光要求功率5mW以上，颜色为红色，具有良好的方向性，发射图样为点状，其同时具备激光发射和接收感应功能。

水下处理模块4包括：稳压组件43、控制组件41和信号处理电路42，稳压组件43与光电探头5连接，用于为光电探头5提供稳定的直流供电，使每个光电探头5在接收反射光束时产生的感应电信号波形具有良好的一致性，减小测量误差。控制组件41与每个光电探头5连接，用于监视所有光电探头5的激发感应状态。信号处理电路42分别与控制组件41和计数器2连接，当光电探头5接收到反射激光后，控制组件41将光电探头5的感应电信号发送至信号处理电路42，由信号处理电路42将感应电信号处理成脉冲方波，并将脉冲方波、信号序列、探头通道等信息通过脐带缆3送至计数器2和水上处理终端1。

计数器2为具有串口或GPIB通信功能的双通道频率计数仪器。两个输入通道分别测量水下处理模块4发送来的脉冲方波信号的周期，并将测得的周期通过串口或GPIB发送至水上处理终端1。

水上处理终端1是设置在岸上或水上保障船只等干端平台上的综合系统，其包括记录存储、数据处理、显示交互、供电输出等功能。根据计数器2发送的周期数据，结合水下处理模块4发送的信息数据，计算水下被测物8的行进速度。

具体地，如图3所示，本发明的水下航行体测速系统工作时，其测速原理如下：

水下被测物8行进时，上面设置的反光贴81以相同速度和方向行进。当反光贴81激发光电探头记录时间为T_n。通过位移和时间的关系计算被测目标物的水下运动速度。在T_n时间点(即第n条反光贴激发光电探头5时)，被测物8的行进速度V_n可按照前后两条反光贴81的间距d内的平均速度计算，即：

V_n＝2d/(T_n+1-T_n-1)

当有两个光电探头5的激光束同时处于反光带内时，水下处理模块4会输出两路脉冲信号至计数器2，并将脉冲信号标记信息发送到水上处理终端1。水上处理终端根据计数器测量的脉冲时间和接收的脉冲信号标记信息，自动选取新途经的光点探头发送的脉冲信息作为计算数据。

Claims (5)

1.一种激光反射感应式水下航行体测速系统，其特征在于，包括：水上处理终端、计数器、水下处理模块、沿被测物行进方向依次等距布置的多个光电探头、设置在被测物上的反光机构；所述计数器与水上处理终端连接，所述水下处理模块通过脐带缆分别与计数器和水上处理终端连接，多个所述光电探头均与水下处理模块连接，所述水下处理模块用于将所述光电探头的感应电信号处理成脉冲方波，所述计数器用于测量所述水下处理模块发送来的脉冲方波的周期，并将所述周期发送至水上处理终端；所述反光机构包括：由多条沿所述被测物长度方向等距布置的反光贴制成的反光带，所述反光贴的长边与所述被测物的行进方向垂直；

第n条反光贴激发所述光电探头时被测物的行进速度V_n为：

V_n＝2d/(T_n+1－T_n-1)

其中，d表示相邻两条反光贴的间距；T_n+1表示第n+1条反光贴激发光电探头的时间；T_n-1表示第n-1条反光贴激发光电探头的时间。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水下处理模块包括：稳压组件、控制组件和信号处理电路，所述稳压组件用于为所述光电探头提高稳定的直流电，所述控制组件与所述光电探头连接，用于监视所有光电探头的激发感应状态，所述信号处理电路用于将所述光电探头的感应电信号处理成脉冲方波。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，相邻两个所述光电探头的间距不大于所述反光带的总长度。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光电探头通过安装支架与角度调节器连接，所述角度调节器用于使所有光电探头平行。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，相邻两条所述反光贴的间距为100mm～300mm。

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