CN115015576A - 一种时频同步原理的海流及海流计三维运动速度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种时频同步原理的海流及海流计三维运动速度测量方法，所述方法采用的测量仪器为三声轴换能器，声轴一端的换能器发射超声波，另一端的换能器接收信号，测得信号从发射到接收在声轴上的时间数据和发射出的信号经海水粒子反射回的频率数据，得到声轴方向的海流流速和海流计运动速度，将声轴方向测得海流流速和海流计运动速度向海流计机体坐标系下的三维流速转换，然后将海流计机体坐标系下的三维流速向大地坐标系的坐标转换，获取实际大地坐标系下的三维海流流速和三维海流计运动速度。通过上述方法，避免了水下移动平台测流时需要借助其他仪器实现海流三维流速和仪器运动速度的问题，扩大了流速测量技术的应用场合。

Description

一种时频同步原理的海流及海流计三维运动速度测量方法
技术领域
本发明涉及海流流速测量领域，尤其涉及一种时频同步原理的海流及海流计三维运动速度测量方法。
背景技术
测量海水流速应用比较广泛的仪器是声学海流计，包括多普勒海流计和时差法海流计。声学多普勒法测流依赖于多普勒效应，根据超声波信号在海水中传播时受到水中粒子反射导致频率改变的原理测流；声学时差法测流是根据超声波信号在顺流逆流时传播时间不同，进而存在时间差的原理测流速，测量精度与多普勒海流计相当。
本发明针对水下移动测流，普通声学海流计进行海流测量时，常常用于定点式测流，在此基础上根据仪器超声换能器的布局来设计三维流速的测量算法，这里仪器处于固定静止状态，速度为零。而当仪器应用于水下移动平台(如水下滑翔机、水下机器人AUV\ROV等)进行测流时，三维流速测量算法是不适用的，因为无法获得仪器的运动速度，便无法获得海流的绝对流速。因此，本发明提出一种时频同步原理的三维海流及海流计运动速度测量方法，在声学海流计上实现时间频率的同步测量，在此基础上，根据三维流速测量算法同时实现海流相对流速和运动平台速度的测量，进而计算得到海流的三维绝对流速。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种时频同步原理的三维海流及海流计运动速度测量方法，在声学海流计上实现时间频率的同步测量，在此基础上，根据三维流速测量算法同时实现海流相对流速和运动平台速度的测量，进而计算得到海流的三维绝对流速。
一种时频同步原理的海流及海流计三维运动速度测量方法，所述测量方法所采用的测量仪器为三声轴换能器，所述三声轴换能器由3个不共面的测量声轴AB、CD、EF，每一个声轴两端均各拥有1个超声波换能器，所述超声波换能器可实现超声波的发射和接收；
所述方法包括以下步骤：
步骤1、声轴一端的超声波换能器发射超声波信号，另一端的超声波换能器接收超声波信号，测得超声波信号从发射到接收在3个声轴上的时间数据
Figure BDA0003717471240000011
和发射超声波信号的超声波换能器接收由海水微粒反射信号的频率数据
Figure BDA0003717471240000012
得出沿三个声轴方向的海流流速的大小和海流计运动速度的大小：
声轴方向海流流速分量：
Figure BDA0003717471240000021
声轴方向海流计运动速度分量：
Figure BDA0003717471240000022
式中：V1、V2、V3为3个声轴方向的海流流速分量；
Figure BDA0003717471240000023
为沿着3个声轴方向海流计的运动速度分量；
Lab、Lcd、Lef为三个声轴上超声波换能器之间的距离；
C为海水中超声波传播速度；
V为海流相对流速；
f0为发射换能器发出的超声波频率；
f1为接收换能器接收到水微粒反射的超声波频率。
步骤2、将3个声轴方向测得海流流速和海流计运动速度向海流计机体坐标系下的三维流速转换，借助右手定则以海流计为机体建立机体坐标系，定义超声波换能器声轴AB在底座平面的投影为X轴的正方向Vx，声轴CD在平面的投影与Y轴正方向Vy呈30°，声轴EF在平面投影与Y轴负方向呈30°，定义沿中心支撑杆向上为Z轴正Vz方向，得到海流计机体坐标系下的三维流速Vx、Vy、Vz和机体坐标系下的海流计运动速度
Figure BDA0003717471240000024
Figure BDA0003717471240000025
Figure BDA0003717471240000031
步骤3、从海流计机体坐标系SXYZ向大地坐标系SUVW的坐标转换，转换矩阵R为：
Figure BDA0003717471240000032
式中：ψ为水下运动平台的偏航角、θ为水下运动平台的仰俯角、
Figure BDA0003717471240000033
为水下运动平台的横滚角；
步骤4、获取实际大地坐标系下的三维海流流速和三维海流计运动速度，具体计算公式如下：
Figure BDA0003717471240000034
式中，VU、VV、VW为大地坐标系下的三维海流流速；
Figure BDA0003717471240000035
为大地坐标系下的海流计的三维流速。
进一步地，所述三声轴换能器的结构布局为正四面体结构，A、C和E3个超声波换能器由顶端连接杆的3个延伸臂爪所固定，形成Janus结构，实现对海水中微粒反射信号频率的测量，三声轴换能器底部连接杆同样具有3个延伸臂爪，实现对超声波换能器D、E、F的固定。
进一步地，所述的顶部和底部的3个延伸臂爪是均匀分布且相互对应的，超声波换能器A和B、超声波换能器C和D、超声波换能器E和F构成了3对声学时差法测量时所需的换能器对，实现顺逆流时的传播时间测量。
有益效果：本发明方法借助正四面体式换能器布局结构实现了对多普勒效应中频率及传播时间的测量，借助时频同步测量原理解决了在水下移动平台下测流时的三维流速问题。
通过以上的改进，避免了水下移动平台测流时需要借助其他仪器实现海流三维流速和仪器运动速度的问题，扩大了流速测量技术的应用场合。
附图说明
图1为三声轴换能器布局；
图2为海流计机体坐标系到大地坐标系转换示意图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明使用三个不共面的测量声轴S1、S2、S3，声轴两端各拥有1个超声波换能器，可实现超声波的发射和接收。
如图1所示，换能器的结构布局为正四面体结构，其中A、C、E3个换能器由顶端连接杆的3个延伸臂爪所固定，形成Janus结构，便于实现对海流中存在散射体微粒的反射频率的接收。换能器底部连接杆同样具有3个延伸臂爪，实现对换能器D、E、F的固定。所述的顶部和底部的3个延伸臂爪是均匀分布且相互对应的。这样，换能器AB、CD、EF又构成了3对声学时差法测量时所需的换能器对，实现顺逆流时的传播时间测量。
在此基础上，便可根据3个声轴S1、S2、S3测得时间数据
Figure BDA0003717471240000041
和频率数据
Figure BDA0003717471240000042
Figure BDA0003717471240000043
得到沿声轴方向的海流流速大小和仪器运动速度大小。其中沿着3个声轴S1、S2、S3的海流流速分量为V1、V2、V3；沿着3个声轴S1、S2、S3的仪器运动速度分量为
Figure BDA0003717471240000044
沿声轴流速分量：
Figure BDA0003717471240000045
沿声轴仪器速度分量：
Figure BDA0003717471240000046
式中：Lab、Lcd、Lef为三个声轴上超声波换能器之间的距离；
Figure BDA0003717471240000051
为沿着3个声轴方向海流计的运动速度分量；
Lab、Lcd、Lef为三个声轴上超声波换能器之间的距离；
V1、V2、V3为3个声轴方向的海流流速分量；
C为海水中超声波传播速度；
f0为发射换能器发出的超声波频率；
f1为接收换能器接收到水微粒反射的超声波频率。
进一步的，将3个声轴方向测得海流流速和海流计运动速度向海流计机体坐标系下的三维流速转换，借助右手定则以海流计为机体建立机体坐标系，定义超声波换能器声轴AB在底座平面的投影为X轴的正方向Vx，声轴CD在平面的投影与Y轴正方向Vy呈30°，声轴EF在平面投影与Y轴负方向呈30°，定义沿中心支撑杆向上为Z轴正Vz方向，得到海流计机体坐标系下的三维流速Vx、Vy、Vz和机体坐标系下的海流计运动速度
Figure BDA0003717471240000052
Figure BDA0003717471240000053
Figure BDA0003717471240000054
Figure BDA0003717471240000055
至此，完成了由声轴测得海流流速向海流计机体坐标系下的三维流速转换。在实际海流观测过程中，由于水下移动平台的运动，仪器受到海流的冲击后姿态会发生变化，所以得出的流速并不是在真实大地坐标系下的三维流速。要达到实际的流速大小和方向，还必须对机体坐标系下的流速向在大地坐标系下进行转换。
如图2所示，海流计机体坐标系SXYZ向大地坐标系SUVW的三个欧拉角变量进行描述，分别称为偏航角ψ(Yaw)、俯仰角θ(Pitch)、横滚角
Figure BDA0003717471240000056
其值分别代表绕海流计自身坐标系三个轴(Ox，Oy，Oz轴)的欧拉旋转角度。
进一步的，从海流计机体坐标系SXYZ到大地坐标系的坐标SUVW转换矩阵为R，如公式所示：
Figure BDA0003717471240000061
进一步的，实际大地坐标系下的三维流速和仪器运动速度可由海流计机体坐标系下的速度分量右乘旋转矩阵R，其计算表达式如下公式所示：
Figure BDA0003717471240000062
以及
Figure BDA0003717471240000063
至此，便完成了对水下移动平台下的海流三维流速以及仪器运动速度的测量。
本发明方法借助正四面体式换能器布局结构实现了对多普勒效应中频率及传播时间的测量，借助时频同步测量原理解决了在水下移动平台下测流时的三维流速问题。
通过以上的改进，避免了水下移动平台测流时需要借助其他仪器实现海流三维流速和仪器运动速度的问题，扩大了流速测量技术的应用场合。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种时频同步原理的海流及海流计三维运动速度测量方法，其特征在于，所述测量方法所采用的测量仪器为三声轴换能器，所述三声轴换能器由3个不共面的测量声轴AB、CD、EF，每一个声轴两端均各拥有1个超声波换能器，所述超声波换能器可实现超声波的发射和接收；
所述方法包括以下步骤：
步骤1、声轴一端的超声波换能器发射超声波信号，另一端的超声波换能器接收超声波信号来测得超声波信号从发射到接收在3个声轴上的时间数据
Figure FDA0003717471230000013
发射超声波换能器所发射的超声波信号经海水粒子反射后被发射超声波的超声波换能器接收并测得频率数据
Figure FDA0003717471230000014
得出沿三个声轴方向的海流流速的大小和海流计运动速度的大小：
声轴方向海流流速分量：
Figure FDA0003717471230000011
声轴方向海流计运动速度分量：
Figure FDA0003717471230000012
式中：V1、V2、V3为3个声轴方向的海流流速分量；
Figure FDA0003717471230000015
为沿着3个声轴方向海流计的运动速度分量；
Lab、Lcd、Lef为三个声轴上超声波换能器之间的距离；
C为海水中超声波传播速度；
V为海流相对流速；
f0为发射换能器发出的超声波频率；
f1为接收换能器接收到水微粒反射的超声波频率；
步骤2、将3个声轴方向测得海流流速和海流计运动速度向海流计机体坐标系下的三维流速转换，借助右手定则以海流计为机体建立机体坐标系，定义超声波换能器声轴AB在底座平面的投影为X轴的正方向Vx，声轴CD在平面的投影与Y轴正方向Vy呈30°，声轴EF在平面投影与Y轴负方向呈30°，定义沿中心支撑杆向上为Z轴正Vz方向，得到海流计机体坐标系下的三维流速Vx、Vy、Vz和机体坐标系下的海流计运动速度
Figure FDA0003717471230000025
Figure FDA0003717471230000021
Figure FDA0003717471230000022
步骤3、从海流计机体坐标系SXYZ向大地坐标系SUVW的坐标转换,转换矩阵R为:
Figure FDA0003717471230000023
式中：ψ为水下运动平台的偏航角、θ为水下运动平台的仰俯角、
Figure FDA0003717471230000027
为水下运动平台的横滚角；
步骤4、获取实际大地坐标系下的三维海流流速和三维海流计运动速度，具体计算公式如下：
Figure FDA0003717471230000024
式中，VU、VV、VW为大地坐标系下的三维海流流速；
Figure FDA0003717471230000026
为大地坐标系下的海流计的三维流速。
2.根据权利要求1所述的一种时频同步原理的海流及海流计三维运动速度测量方法，其特征在于：所述三声轴换能器的结构布局为正四面体结构，A、C和E3个超声波换能器由顶端连接杆的3个延伸臂爪所固定，形成Janus结构，实现对海水中微粒反射信号频率的测量，三声轴换能器底部连接杆同样具有3个延伸臂爪，实现对超声波换能器D、E、F的固定。
3.根据权利要求2所述的一种时频同步原理的海流及海流计三维运动速度测量方法，其特征在于：所述的顶部和底部的3个延伸臂爪是均匀分布且相互对应的，超声波换能器A和B、超声波换能器C和D、超声波换能器E和F构成了3对声学时差法测量时所需的换能器对，实现顺逆流时的传播时间测量。
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宋大雷 等: "下放式海洋微结构湍流剖面仪运动学与动力学分析", 《中国海洋大学学报》 *

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CN115015576B (zh) 2023-03-28

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