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多普勒声纳系统原理及应用pdf

发布时间:2019-06-16 02:25 来源:未知 编辑:admin

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  多 普 勒 声 纳 多普勒声纳系统原理及应用 系 统 原 Principle and Implement of Doppler Sonar System 理 及 应 用 崔凯兴 Cui Kaixing (海军驻昆明地区军事代表室,云南昆明650236) (Navys Military Representative Office in Kunming, Yunnan Kunming 650236) 摘 要:多普勒声纳已成功应用于多种水下载体的导航。首先分析了水下导航的特点,推导了四波束配置多普勒声纳速度 矢量的最小二乘估计,给出了误差速度的计算方法和物理意义,最后介绍了多普勒声纳在水下导航中的应用。 关键词:声学;多普勒声纳;水下导航;波束配置 中图分类号:TB559 文献标识码:A 文章编号:1671-4792-(2010)5-0169-03 Abstract: Doppler sonar has been used in the navigation of multiple underwater carriers successfully. At first, the characteristics of underwater navigation are analyzed, then the least square estimation of velocity vector is induced, and the calculating method and phys- ical meaning of error velocity are presented, at last, the application of Doppler sonar in underwater navigation is introduced. Keywords: Acoustic; Doppler Sonar; Underwater Navigation; Beam Configuration 0 引言 向正下方发射信号。接收时采用多个水听器接收海底回波, [1] 现有水面舰船导航方法 有陆标、天文导航和无线电导 通过各接收器接收信号的相关特性推算载体速度。这种测速 航、卫星定位导航、推算导航、惯性导航系统等几种,上述各 声纳的主要优点是基阵尺寸较小,甚至在低频率时基阵尺寸 种导航手段,基本上可以满足水面舰船的导航需要。然而,上 也不大。缺点是浅水、低速情况下测速效果一般不佳,误差较 面的各种用于水面舰艇的导航手段,除惯性导航设备以外, 大。而水下航行器最常用的,也是最可靠的水声测速设备是 均很难用于水下载体的定位导航。I NS( 惯导系统) 的误差是 多普勒声纳, 本文主要分析多普勒声纳的原理及在水下导 随时间而积累的,在没有修正信息的情况下难以满足长时间 航中的应用。 导航定位的要求,而且加温和对准所需的时间较长。当前获 1 多普勒声纳测速方法 取水下信息最有效的传播载体仍然是声波。因此,水下目标 多普勒声纳向海水介质发射声波,声波被海底反射,产 及载体定位和导航的任务不可避免地要使用水声技术。 生海底回波,分析海底回波则可以测量载体的速度。当频率 随着20 世纪70 年代后开始形成的民用水下定位需求 为f 0 的声波在海水中传播时,有一部分能量被海底散射回 和军用定位导航需求,逐步出现长基线、短基线和超短基线 来,这些回波信号经换能器接收、处理后可以测得其频率为 等水下定位系统。这些系统可以在局部海域对水下目标进行 f 。根据多普勒频移原理,只要声源(或接收器)与散射体之 r 高精度的定位,并对水下载体进行导航。但是这种导航方法 间有相对运动,则f ≠f ,其差值为f ,并且满足下式: r O d 需要在预定工作海域布设导航基阵,在某些应用场合如复杂 f =f - f =2×f ×V×cos α/ c ( 1) d r O 0 的战争环境和未知海域受到较大的局限。 式( 1) 中,α 为波束的俯角,V为声源(或接收器)的水平 另外一类水下导航系统为声学测速和计程设备,它可以 相对速度,c 为声速。检测回波的频移可求得速度。四波束正 测量载体相对海底的绝对速度,水下载体通过速度信息独立 交配置的多普勒声纳如图一所示。通常每个波束和水平面夹 地进行船位推算,或者与惯导等导航设备组合导航,实现完 角为60° ,相邻两波束水平投影的夹角为90°,在作用深度 全自主导航。声学测速设备主要有两种,包括声相关速度声 范围内,每个波束都能测得速度分量,四波束可测四个分速 [1] 纳和多普勒声纳。声相关速度声纳 ( Acoust i c Cor r el a- 度,然后通过矢量合成即可得到速度矢量。 t i on Log ,ACL) 的特点是载体上的发射换能器波束较宽,且 建立如图二所示的仪器坐标系,以换能器 1 到2 连线) 图一 典型的四波束配置 [14] 采用四波束估计三维速度的最小二乘估计 的代价函 数为: 指的方向为X 轴,以换能器3 到4 连线所指的水平方向为 Y 轴,Z 轴由右手法则确定。如图二所示,其中OXaYaZa 为 (7) 仪器坐标系,记坐标轴单位向量分别为 i、j、k,4 个声纳 波束的发射方向为n 、n 、n 、n 。波束水平倾角为α ,设速度 1 2 3 4 令 (8) 矢量在仪器坐标系的矢量为向量 ,则 ,在四波束的 速度为向量 ,则 ,仪器坐标系在波束方向的单 则可得到: 位投影为: { (2) (9) 所以: (10) { (3) 上式可化为: (3) (11) 因此可得: (12) 图二 仪器坐标系定义 设四个波束的频移分别为b 、b 、b 、b ,综合式(1)和式 式(11)是波束为标准配置时的速度计算公式,并且为四 1 2 3 4 (3)可得: 波束条件下的三维速度的最小二乘估计。 170 另外定义误差速度为V ,由下式定义: 参考文献 e [1] 田坦.水下定位与导航技术[M].北京:国防工业出版 (13) 社,2006:1-8. 多 误差速度不能代表多普勒声纳的绝对精度,但是它是四 [2] 冯世英. 基于相控阵的多普勒测速系统的硬件实现 普 勒 个波束一致性的一个量值。理想情况下,四个波束的测量误 [D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2004. 声 差为0 时,误差速度应为0 ;实际的测量中,四个径向速度估 [3]王建斌,王志敏.UUV 发展、应用及关键技术[J].信息 纳 系 计的误差等因素引起其值不为0 ,其值越大,说明单波束估 与电子工程, 2007,5(6):476-480. 统 计误差越大。当误差速度为超过一定值时,表明此次测量不 [4]李开生,王文友.军用无人潜器的发展及其关键技术 原 理 成功,数据不可用,因此误差速度为速度测量的质量提供了 [J].鱼雷技术,2004 ,12(1):6-8. 及 应 一个评判标准。同时在实际测量过程中,当某一路换能器通 [5]孙碧娇,何静.美海军无人潜航器关键技术综述[J]. 鱼 用 道没有接收到有效信号时,利用矩阵的另外三行即可算出三 雷技术,2006,14(4):7-10. 维速度,从而保证系统在一些复杂和特殊的情况下能有效地 [6] 李俊. 基于多普勒速度声纳的水下航行器导航方法 工作,提高了系统的可靠性。 [J].华中科技大学学报,2004 ,32(1):73-75. 2 多普勒声纳在水下导航中的应用 [7]Ned A B.Matrix Algorithm for Doppler Sonar Naviga- [1] tion[C].proceedings of ocean ’94, Brest,France, 1994: 378-383. 多普勒声纳 (Doppler Velocity Log,DVL) 的优点是在很 低的速度下仍有较高的测速精度。其缺点是在要求的海底跟 [8]Louis W,Dana Y,Hanumant S.Advances in 踪深度较大时,须采用较低频率,导致基阵尺寸过大。近年 Doppler-Based Navigation of Underwater Robotic Vehicles[C]. [2] Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on 来,已经研制出基于相控阵的多普勒声纳 。这种设备的基阵 与常规多普勒声纳相比要小得多,且其最突出的优点是无需 Robotics & Automation, Detroit, Michigan ,1999:399-406. 考虑声速补偿,相控阵多普勒声纳已成为当今多普勒声纳的 [9]桑学礼,钱东.编译自UDT Pacific98. UUV 的非传统 主流。 导航技术[J].鱼雷技术,2002,10(1):7-49. [3-5] [10]李俊,徐德民. 自主式水下潜器导航技术发展现状与 导航已经成为水下航行器的一项关键技术 ,并且对水 下航行器的性能和作用发挥有着重要的意义,而水下航行器 展望[J].中国造船,2004,5(3):0-77. 最常用的,也是最可靠的水声测速设备是多普勒声纳。水下 [11]曹洁,刘繁明.AUV 中SINS/DVL 组合导航技术研究 [6-8] [J].中国航海,2004 ,(2):55-59. 航行器可以直接使用多普勒声纳导航 ,当多普勒声纳能够 接收海底有效回波时,则采用底跟踪速度数据进行导航;当 [12]James C K,Louis L W.Toward In-Situ Calibration of 由于水深过大或者其他原因无法接收到海底有效回波时则 Gyro and Doppler Navigation Sensors for Precision Underwater 利用水层回波,测量载体相对于水层的速度来代替地速。为 Vechicle Navigation [C].Proceedings of the 2002 IEEE Interna- 了满足长时间、远距离水下导航的需要,现在应用比较广泛 tional Conference on Robotics & Automation,Detroit,Washing- 的是采用组合导航即多普勒声纳与惯性导航进行组合导航 ton DC, 2002: 399-406. [9-10]。对于这种组合导航方法,国内外做了很多理论和试验研 [13]罗建平译.UDT2004.“阿里斯特”自治式水下航行器 [11-12] [J].水雷战与舰船防护,2005,(4):25-27. 究 ,并得到了成功应用。例如2002 年美国ECA 公司推出 [13] [14]沈凤麟,叶中付,钱玉美.信号统计分析与处理[M]. 的“阿里斯特”自治式水下航行器 就采用了多普勒声纳与 合肥:中国科学技术大学出版社,2003:365-373. 惯性导航系统的组合导航技术,并获得了成功应用。在此基 [15]林宝玺,胡志英.多普勒雷达[M].北京:国防工业出 础上,还有的导航系统增加了GPS,即航行器周期性地浮出 版社,1982:165-185. 水面接收GPS 信号并对导航系统进行修正。Situ Alignment Calibra- 随着声学测速技术的进一步发展,利用多普勒效应进行 tion of Attitude and Doppler Sensors for Precision Underwater 测速,精度不断提高。特别是宽带多普勒声纳的出现,其测速 Vehicle Navigation: Theory and Experiment[J].IEEE Journal of 精度相对传统的窄带多普勒声纳大大提高,并且广泛应用多 Oceanic Engineering, 32(2),2007:286-299. 种水下航行器的导航,能满足定位精度的要求,而且实现简 单、可靠。 作者简介 3 结束语 崔凯兴(1985—),男,工学硕士。 本文推导了四波束配置的多普勒声纳速度矢量的最小 二乘估计,给出了误差速度的计算方法和物理意义,介绍了 多普勒声纳在水下导航中的应用和特点。本文的研究对于多 普勒声纳的系统设计和理论研究具有一定的价值。 171

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