[發明專利]基于單水聽器的勻速圓弧運動直升機三維參數估計方法

在審

• 申請號: 202210863368.5
• 申請日: 2022-07-20
• 公開（公告）號: CN115372900A
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 許明海;肖磊;聶飛燕
• 申請（專利權）人: 溫州理工學院
• 主分類號: G01S5/18
• 分類號: G01S5/18;G06F17/15
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 賈玉霞

1.一種基于單水聽器的勻速圓弧運動直升機三維參數估計方法，其特征在于，包括以下過程：

步驟一：建立水聽器接收勻速圓周運動聲源聲波的幾何模型；

直升機聲源在水聽器節點上空以⊙O為圓心做勻速圓周運動，靜止的水聽器節點記為點H，位于水下深度d處；恒定頻率為f₀的直升機輻射聲源記為點S，它以恒定亞音速v、恒定高度飛過點H上方附近，其中，vc_ac_w，c_a和c_w分別是聲波在空氣和水介質中的傳播速度；投射到靜止節點H所在的水平面上的動聲源記為S'，該投影動點S'形成的直線軌跡記為⊙O'；動點S'和節點H之間距離記為ρ(t)，即點聲源S和節點H直線距離r(t)的水平投影，ρ(t)隨動點S'的位置改變而變化；是水下視線角；從空氣介質到水介質中的折射h角分別為θ_I(t)、θ_T(t)，折射率為點聲源S的速度v在飛行水平面上分解為兩個相互垂直的分量，一個分量v₁(t)指向水聽器方向，其大小為

v₁(t)＝vcosα(t)

其中，α(t)為偏向角，是軌跡在當前位置處切線與直線S'H的夾角；

v₁(t)在垂面上分解為兩個相互垂直的分量，一個分量v₁₁(t)與入射聲射線方向一致，其大小為

v₁₁(t)＝v₁(t)cosβ(t)

其中，空氣中視線角β(t)與入射角θ_I(t)互為余角。

步驟二：根據聲源與水聽器相對運動的幾何規律，推導出在不同時刻t多普勒頻移f_d與聲源頻率f₀、速度v、高度h、偏航距離w_min之間的函數關系；

步驟三，應用聲源和水聽器的幾何關系、多普勒頻移曲線，估計出聲源的運動參數。

2.根據權利要求1所述的基于單水聽器的勻速圓弧運動直升機三維參數估計方法，其特征在于，所述步驟三中，

聲源S在時刻t_A、t_B和t_C依次經過不共線的三點A、B、C，且相鄰兩點時間差為Δt_AB＝t_B-t_A、Δt_BC＝t_C-t_B；聲源S在點A或B發出的聲波傳播至水聽器H具有一定時間差Δt_AB或Δt_BC，水聽器H接收到聲波信號時，聲源S已運動至點B或C處，產生多普勒頻移；點M為弧線的中點，點{A,B,C,M}的坐標分別為

其中，

以圓心點O為頂點、圓弧上的任二點為底邊所構成的三角形應用余弦定理，有

對于∠POQ，有如下關系式

以節點投影H'為頂點、圓弧上的任二點為底邊所構成的三角形應用余弦定理，有

對于∠PH'Q，有如下關系式

對于ρ_P，有如下關系式

以節點投影O為頂點、H'P為底邊所構成的三角形應用余弦定理，有

聲源位于P∈{A,B,C,M}時，以折射點T_P為頂點、聲源S與水聽器H連線為底邊所構成的三角形，應用余弦定理，有

此外，聲源位于P∈{A,B,C,M}時，聲線由聲源S傳至水聽器節點H的傳播時間為

根據弧長公式，聲源S一定時間內經過的弧長與其弧度有如下關系

v(τ_B-τ_M)＝rσ

v(τ_A-τ_M)＝rω

聲源位于P∈{A,B,C,M}時，其瞬時多普勒頻率為

聯立以上共58個方程，將x_P、y_P、ρ_P、β_P、τ_P、r、ω、ω'、ω”、σ、σ'、υ、υ'因子視為可消參數，求解出直升機的固有頻率f₀、速度v、飛行高度h。