[發明專利]一種水下運動目標與水流的三維速度聯合測定方法及裝置

有效

• 申請號: 201410342589.3
• 申請日: 2014-07-17
• 公開（公告）號: CN104133217B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 寧更新;周長庫;劉云磊;張軍;馮義志;季飛;韋崗
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01S15/58
• 分類號: G01S15/58;G06F19/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 蔡茂略

1.一種水下運動目標與水流的三維速度聯合測定方法，包含以下順序的步驟：

S1.選取地面為參考系，以超聲發射位置為坐標原點，以垂直水平面向下為Z方向，計算出水下物體的三維坐標位置(x,y,z)；

S2.構建頻率為f_s的單頻信號作為速度測量信號并發射出去；

S3.超聲接收模塊接收到N個接收探頭接收的信號，并將其傳輸至處理模塊，其中第i個接收探頭的位置為(x_i,y_i,z_i)，其中i＝1,2,3......N；對接收到的N路信號分別進行頻率估計，得到接收信號的頻率為其中i＝1,2,3......N，并利用水下目標的三維位置(x,y,z)計算出水流速度和水下物體運動速度,其中N≥6。

2.根據權利要求1所述的水下運動目標與水流的三維速度聯合測定方法，其特征在于，具體包含以下步驟：

A、由多普勒效應可知，在信號發射點靜止時，接收點接收的頻率f'與發射頻率f之間關系為：

f′=(c+vw+voc+vw)f;---(1)]]>

其中，v_w為介質速度，v_o為信號接收點移動速度，c為超聲信號在水中的傳播速度，且v_w以由發射點至接收點方向為正值，v_o以接收點至發射點方向為正值；

B、測量裝置相對于地面處于靜止狀態，設水流速度為：其中v_wx，v_wy，v_wz分別代表水流速度在坐標軸X，Y，Z三個方向上的分量；水下物體運動速度為：其中v_ox，v_oy，v_oz分別代表水下物體運動速度在坐標軸X，Y，Z三個方向上的分量；

C、首先分析聲波從超聲發射探頭至水下物體的過程，計算聲波到達水下物體時的頻率：

設發射點S的坐標為(0,0,0)，運動目標點O的坐標為(x,y,z)，α、β、γ分別為向量與坐標軸X、Y、Z的夾角，則S→O方向上的單位向量表示為：

l→so=(cos(α),cos(β),cos(γ));]]>

令l_sox＝cos(α)，l_soy＝cos(β)，l_soz＝cos(γ)，則

則水流速度在S→O方向的速度為：

vw_so=v→w*l→so=vwxlsox+vwylsoy+vwzlsoz;---(2)]]>

運動物體在O→S方向上的速度為：

vo_os=-v→o*l→so=-voxlsox-voylsoy-vozlsoz;---(3)]]>

因聲波在由發射點S到運動目標點O的過程中，聲源沒有運動，由公式(1)可以推導出運動目標點O接收到的頻率為

fo=(c+vw_so+vo_osc+vw_so)fs;---(4)]]>

其中，f_o為運動目標點O的接收頻率，f_s為發射點的原始頻率，矢量為在S→O方向上的分量，v_{w_so}為該矢量的模；矢量為在S→O方向上的分量，v_{o_os}為該矢量的模的負值；c為超聲信號在水中的傳播速度；

D、接著分析聲波從水下物體至超聲接收探頭的過程，計算聲波到達接收探頭時的頻率：

接收點R_i(x_i,y_i,z_i)為N個接收點其中之一，α_i、β_i、γ_i分別為向量與坐標軸X、Y、Z的夾角，得到O→R_i方向上的單位向量為：

l→ori=(cos(αi),cos(βi),cos(γi));]]>

分別令lorix=cos(αi),loriy=cos(βi),loriz=cos(γi),]]>可得O→R_i方向上的單位向量為l→ori=(lorix,loriy,loriz);]]>

則水速在O→R_i方向上的速度為

vw_ori=v→w*l→ori=vwxlorix+vwyloriy+vwzloriz;---(5)]]>

運動物體在O→R_i方向上的速度為

vo_ori=v→o*l→ori=voxlorix+voyloriy+vozloriz;---(6)]]>

聲波由運動目標點O到接收點R_i的過程中，接收端沒有運動，故R_i點接收到的信號的頻率為

fri=(c+vw_oric+vw_ori-vo_ori)fo---(7)]]>

其中，矢量為在R_i→O方向上的分量，為該矢量的模的負值；矢量為在R_i→O方向上的分量，為該矢量的模的負值；c為超聲信號在水中的傳播速度；

E、由公式(4)和公式(7)整理可得，由聲波發送到接受的過程中，接收頻率與發送頻率關系為

fri=(c+vw_so+vo_osc+vw_so)(c+vw_oric+vw_ori-vo_ori)fs---(8)]]>

把公式(2)、(3)、(5)、(6)代入公式(8)，整理可得

fri=(c+vwxlsox+vwylsoy+vwzlsoz-voxlsox-voylsoy-vozlsozc+vwxlsox+vwylsoy+vwzlsoz)*(c+vwxlorix+vwyloriy+vwzlorizc+vwxlorix+vwyloriy+vwzloriz-voxlorix-voyloriy-vozloriz)fs---(9)]]>

公式(9)中有六個未知數，v_wx，v_wy，v_wz，v_ox，v_oy，v_oz，通過利用六個接收點，分別對公式9中的i取值，i＝1,2,3......N，N≥6，故可以列出六個以上的等式，即可求出上述六個未知數，由此求得水流速度和水下物體運動速度。