第6章相关测速技术.ppt

T 0
x1 (t)x2
(t

)dt
逐点改变时延τ ，当R(τ)达到最大值时, 即τ= τ0 ，
求速度 v d
2 0
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6.3 时间相关测速和空间相关测速
时间相关测速 方法1：直接利用相关函数求（相关）时延τ
这种方法的缺点：对τ的搜索，运算量较大。而且为保证足 够的测速精度，必须量化得足够精细。
用自相关函数代替互相关函数的条件是：两接收器信号包 络相同，只差一个时间τ0 。
方法：利用包络的功率谱带宽与多普勒频率扩展和相关函 数参数宽度之间的关系求解相关时延。
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6.3 时间相关测速和空间相关测速
时间相关测速
方法2：利用多普勒频偏、功率谱和相关函数求
20°时， sinθ和θ相 差不到 1.5%。可 以用
什么是“波形不变”原理？要满足什么条件？ 时间相关测速和空间相关测速 声相关计程仪的特点 相关测速声呐的海底回波和体积混响 声相关计程仪的有关参数 相关计程仪的信号形式 时空相关测速模型
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6.1 引言
(a) 多普勒计程仪 4个波束
(b)声相关计程仪 单个发射波束
4
DC B
A
AO2 BO2 AO BO
AO BO
在 r1 d 时有
AB=d-δx =d/2 DC=δx=d/2
AO2


r1

d 4
2

H2

r12

1 2
r1d

H2
O
要求两声线双程 差不大于1/4波长
AO


r1

d 4
2

H
1/ 2 2
水下定位与导航技术
第六章 相关测速技术
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6.1 引言
多普勒计程仪的特点： 多普勒计程仪虽有测速精度高的优点，但一般需使用较高的工作频率。
波束宽度窄：会发生“失去接触”的现象。
回波的强度：多普勒计程仪为获得足够的多普勒频移，必须使波束指向斜下方，
影响了。为了保证有足够的回波强度，要求发射机的发射功率较大。
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波束宽度： 阵尺寸： 波束方向： 海深： 声学所的声 相关计程仪 工作水深可 达1000m
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6.1 引言
声相关计程仪与多普勒计程仪主要参数比较
系统参数
声相关计程仪 多普勒计程仪
速度信息的来源
空间和时间域 方向和频率域
较可取得信号带宽
宽带
窄带、宽带
发射和接收波束宽度
宽
窄
发射阵孔径
由于声相关计程仪的基阵系统外形尺寸小，易于安装和有利于 维修。当船体发生变形时基阵系统的方向性特性轴不会发生弯 曲。
声纳工作频率低，因而声传播损失小，加上声波垂直向下发射， 因而可以得到更强的海底回波。
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6.2 声相关测速的基本原理
声相关计程仪的组成
R2
R1
T
R2
T
基阵尺寸：在大深度使用时，频率要降低，会使基阵尺寸增大很多。同时为了
得到较窄的波束，基阵尺寸也必然要加大。在深海即使使用相控阵技术，其基 阵尺寸也很大，甚至直径达到米的量级，给安装和维修带来不便。
声相关计程仪的特点：
是垂直向下发射一个宽的波束，因此不会出现上述问题。
波束宽度：基阵尺寸：回波强度：

归一化功率谱为
S(
f
)

exp

2f

2

Θ
为常数， 与信号带 宽有关。
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6.3 时间相关测速和空间相关测速
信号带宽与参数β 的关系
相关函数宽度与多普勒
S
(
f )
e
1
1/ 2

exp

22ff
2

频移扩展的关系
R( ) exp( 2 )
4
DC B
A
在 r1 d 时有
AO


r1

d 4
2

H
2
1/ 2

H

r12
r1d 2H
/
2
类似地，有
BO2


r1

d 4
2


H
2

r12

1 2
r1dΒιβλιοθήκη H2OBO


r1

d 4
2

1/ 2 H2


H
小
大
接收阵孔径
小
大
更有利的声波传播方向 与速度矢量垂直 与速度矢量平行
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6.1 引言
声相关计程仪的优点： 在一定的工作深度上，声相关计程仪需要的发射功率低。 在没有专门方法补偿时（相控阵除外），声相关计程仪的读数 不受传播声速的影响。
因为是宽波束发射，在载体摇晃和海底起伏不平时，声相关计 程仪有很好的可靠性。而且，海底表面的倾角不会引起太大的 测速误差。
R( ) R(0) exp( 1)
2
多普勒频率扩 展与包络谱的 带宽相等。
回波包络功率谱
回波的自相关函数
2 f 2 2 vx fT
c
c 2vx fT
相关峰宽度: 2 D vx
/ D c /DfT
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d r1 r2 dL
2H 4 2H 4
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6.3 时间相关测速和空间相关测速
时间相关测速
由原理知速度 v d ，
2
相关测速的关键是：固定d，求相关时延τ
空间相关测速 空间相关是固定时延，求两阵元的间距d，使相关 系数最大。
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既然对海底各点都有两条相同的双程声线，因而两接收器接收的信 号包络除相差一时差之外，完全相同。这就是“波形不变原理”。
当两信号包络只相差一个时差而形状相同，意味着两信号是相关的。
为何要讨论波形不变原理？
只有在两个波形相同的情况下才能保证相关。当两个波阵面往返的 路程相同时，即往返时间相同，因此，两个波阵面发射时刻相差τ， 接收时刻也相差τ，即两个波阵面之间的信号在某一个角度情况下， 波形和频率未发生变化。两个接收到的波形才具有相关性。实际上，
（相关）时延τ
当载体以vx水平速度运动时，由于发射波束有一定宽度， 非垂直声线的回波将产生多普勒频移，结果使接收信号产 生频率扩展。
sinθ=θ
设发射波束宽度为Θ，则频率扩展为
=Θ/2
在束宽不大 的情况下， 回波的包络
f
2vx c
fT
sin
2

vx c
fT
谱可认为具 有高斯函数 形状，因此
x cos
TT
R2R2 R1R1
TT
xcos α’
(d x) cos
[( x2 d ') (x2 d d 'x)]con ' (d x) cos
若要 x cos (d x) cos
实际上cos cos
S
因此 x d x x d

r12

1 2
r1d

H
1/ 2
2

在H较大时 高阶小量

(r12

1 2
r1d
)

H2
r12
r1d 2H
/
2

2
1
/
2

H

r12
r1d 2H
/2
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6.2.2 接收器信号相关的几何条件
设：两信号相关的条件为
AO OD BO OC
它不要求窄波束发射，也不要求指向斜下方的波束，因而可用较小的换能器和较低的 工作频率。在相同的工作深度要求下，相关计程仪可用较小的换能器和较小的功率。 波束也能做得相当宽，增加了抗摇摆的性能。
测量原理中与水中的声速无关。
声相关计程仪的声相关计程仪由于具有发射功率低、换能器体积小、重 量轻、结构简单等优点，被认为是很有前景的自主导航仪器。
两个接收器接收 的信号包络
两接收器接收信号的包络及相关系数
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6.3 时间相关测速和空间相关测速
时间相关测速 方法2：利用多普勒频偏、功率谱和相关函数求 （相关）时延τ
思路：将两个接收器的接收信号的互相关换成自相关来求 解相关峰的宽度，其宽度对应于两个信号相同的一段信号 的时间差。
cos cos 可得 v d
要解决的问题：
2
满足两个波振面的往返声线相等的条件是什么？
满足相关的两个波阵面的时延＝？利用相关特性推
导时延。
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6.2.2 接收器信号相关的几何条件
设：两信号相关的条件为
AO OD BO OC
2
v d
2
两条声线双程长度相等 ，这就是“波形不变原理”。
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6.2 声相关测速的基本原理
因此 x d x x d