[發(fā)明專利]一種基于五波束配置的聲多普勒和聲相關測速方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610797762.8
• 申請日: 2016-08-31
• 公開（公告）號: CN107783137B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發(fā)明（設計）人: 江薇
• 申請（專利權）人: 北京自動化控制設備研究所
• 主分類號: G01S15/60
• 分類號: G01S15/60;G01S7/52
• 代理公司: 核工業(yè)專利中心 11007
• 代理人: 張檑

1.一種基于五波束配置的聲多普勒和聲相關測速方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1、設計基于五波束配置的聲多普勒和聲相關測速結構；

其中，多普勒測速需要四波束的收發(fā)合置換能器TR1，TR2，TR3以及TR4，四波束的收發(fā)合置換能器在空間中呈矩形排布，四個收發(fā)合置換能器的中心位于矩形的四個頂點處，且收發(fā)合置換能器與水平線的夾角為α；T代表發(fā)射換能器，R代表水聽器；聲相關法接收基陣的布陣方法為：使水聽器在空間中構成中心對稱圖形，并且發(fā)射換能器位于對稱中心；

所述聲相關法接收基陣均位于四波束的收發(fā)合置換能器基陣所圍成的矩形中心區(qū)域內；

步驟2、對聲多普勒的水下回波信號進行建模；

通過換能器參數以及聲吶方程確定聲波在水下傳播過程中的衰減以及海底目標反射強度；

根據所述換能器參數確定散射回波的強度以及水底橢圓照射面的方程參數；

根據波束散射模型，將橢圓照射面劃分間隔為波長的若干個散射元，將這些散射元的散射波進行疊加，獲得水底散射回波包絡曲線；

將水底散射回波包絡曲線疊加一定帶寬的高斯白噪聲合成最終的水下回波信號輸出；

步驟3、對回波信號進行脈沖對細測速分析；

其中，v_x為運動載體的水平速度分量，f_T為發(fā)射聲波中心頻率，c為聲速，α為換能器俯角，為這段回波信號的平均多普勒頻移，R(τ_s)為復信號的相關函數在測頻時延τ＝τ_s時刻的值，Im表示虛部，Re表示實部；

對回波信號進行不同時刻采樣來構造一對具有自相關性的復信號序列，若S[n]為經過正交解調和低通濾波后回波復信號序列，則S₁[n₁]和S₂[n₂]為一對時延為kτ₀的復信號組成的相關脈沖序列，其中n₁＝1:N-k*τ₀，n₂＝1+k*τ₀:N；假設發(fā)射的寬帶編碼信號的周期個數為M個，kτ₀為測頻時延，其中τ₀為偽隨機編碼信號的一個整周期長度，k小于所發(fā)射的編碼信號的周期數M；τ₀＝mΔt，m為編碼信號的比特數，Δt為一個碼元寬度，等于發(fā)射信號帶寬的倒數；R(τ_s)可以表達為：

通過式(6)和(7)即可獲得細測速結果；

步驟4、基于聲相關測速結果對步驟3中的細測速結果進行解模糊計算，修正測速結果中的奇點；

通過脈沖對測頻算法獲得有可能存在頻偏模糊的多普勒頻移f_dp；

通過聲相關的基陣設計選擇相應的時間相關或空間相關測速算法，得出粗測速度v_c，

頻移f_dc通過下式計算：

其中f_T為發(fā)射信號中心頻率，c為聲速，α為換能器發(fā)射的波束中心軸線與水平軸的夾角；

則頻偏區(qū)間k'為：k'＝[(f_dc-f_dp)/2/f_mo]，[·]為取整符號；

f_mo為已知的模糊頻率，f_mo＝1/2τ_s；

模糊區(qū)間修正

如果f_dc-2*k'*f_mo的符號與f_dc的符號一致，那么說明k'是正確值，則令k＝k'；如果f_dc-2*k'*f_mo的符號與f_dc的符號相反，那么說明k'需要進行修正，若f_dc-2*k'*f_mo＞0，f_dc＜0，則令k＝k'-1，若f_dc-2*k'*f_mo＜0，f_dc＞0，則令k＝k'+1；

修正后的頻移為f_R＝f_dp+2*k*f_mo，

經過頻移速度轉換最終完成對運動載體速度的修正。