《水下定位与导航技术》声学多普勒测速技术概述

2C vx fT2co2 C vxscfTo cso2 C vsz(f T2 )c2 oC vzssfTis n in ()
前后两波束接收信号的频差为
fdfd I fdI I4 C vxfTco c so sv vx zsi n
船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 利用姿态测量装置对速度进行修正
水下定位与导航技术
第五章 声学多普勒测速技术
5.1 引言
舰船导航设备的类型
无线电导航设备，典型的有劳兰-C系统（定位精度 约200米）、系统（精度约1海里）以及台卡系统 （精度25米）等。
卫星导航系统，全球卫星导航系统定位精度可达 5~10m。
惯性导航系统。可长时间连续工作，但是有累积误 差，其量级达到每小时几十米。
fd1
C
没有近似时I号波束、II号波束接收的信号频率为
fr1
1 x 1x
fT
fr2
1x 1 x
fT
前后两波束接收信号的频差为
4x fd1fr1fr21x2 fT
一阶近似后的多普勒频移
fd
4x
fT
4vx C
fTcos
4x
引入的相对测速误差为 fd 1x2
4x
x2
vx
cos2
fd1
4x
C
1x2
多普勒频(1移2x)
fT
fT
1
2vx C
cos
fd fdIfdII4C vx fTcos
为：
fdxfrfT2xTf2 C vx fTco s
水平速度 ：
vx
C
2fT cos
fdx
vx
Cfd
4 fT cos
5.2 舰船多普勒测速原理
舰船多普勒测速原理
詹纳斯（Janus）配置
十字形配置和X形配置
fT－－发射频率 fr－－接收频率 fd－－多普勒频移
1 x
2 x
fd 1frfT 1 xfTfT 1 xfT
一阶近似后的多普勒频移
fdx2xTf
2vx C
fTcos
引入的相对测速误差为
fd fd1fd 12xx2xxvxcos
fd1
fd1
2x
C
1x
由解算公式近似引起的误差
詹纳斯配置
fd xvx cos
2xT
t2
2L/C2xT 1x
t t 1 x 1 2
无相对运动时前后沿到达的时间应当相等， 有相对运动，t1-t2变化了多少时间？
因此，接收信号的脉宽为
接收信T 号r 频T 率 变(t1 为t2)T1 2 xxT 1 1 x x T
结论
fr
11x11xf Tr 1x T 1x
0
T
t1 t2＋T
在相向运动时，脉冲被压缩；在相离运动时，脉冲被展宽。
5.2 舰船多普勒测速原詹纳斯理（Janus）配置
舰船多普勒测速原理
源自文库
xv/C
船与被照射 vvxcos
区的相对径 向速度为 ：
x vx cos
C
fd
I
2vx C
fT cos
接收的回波 1x (1x)2
信号频率为：fr
1x
fT
1x2
fT
fdII2Cvx fTcos
若其往返时间为t2，在t2时间内目标又向声呐靠近 vt2 / 2 。
因此有 L12v2tvT12C2t
由此得到后沿的往返时间为
xv/c
t2
2L/C2xT 1x
5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析 换能器接收到的脉冲宽度
t1
2L/C 2L/C 1v/C 1x
前后沿所需往返时间不同，其差值是
船首尾线方向
船首尾线方向
前后左右形配置
X形波束配置
5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
由解算公式近似引起的误差
船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿
传播声速引起的测速误差 有限波束宽度的影响 噪声对频率测量的影响
vx
cfd
4 fT cos
安装角度偏离误差及其校正
由解算公式近似引起的误差 没有近似时的多普勒频移为
计算法定位导航设备
机械式导航设备：水压式测速计、拖曳式旋转流量计等。 电子式导航设备：电磁计程仪、声多普勒计程仪和声相关
计程仪。
5.1 引言
多普勒现象 目标与声源的相对运动（相向、相离） 声源和接收一体的情况
多普勒速度解算公式 舰船的测速原理、方法 测速误差产生的原因
影响多普勒测速的主要因素及改进方法
因此有
L vt1 Ct1 22
因而得到前沿往返时间为
ct1 / 2
vt1 / 2
t1v2Lc12Lv//cc 2 1L /xc
5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析
脉冲后沿到达时刻
t2 设发射脉冲宽度为T， 则当脉冲后沿离开换能 器表面时，目标已向声 呐靠近了vT。
vt2 / 2 vT
无摇摆时 0，因此 fd / fdr0
当vz=0时，可以解出修正后的速度为
vx
4fT
Cfd
coscos
5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
由解算公式近似引起的误差 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 传播声速引起的测速误差 有限波束宽度的影响 噪声对频率测量的影响 安装角度偏离误差及其校正
5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
由解算公式近似引起的误差 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 传播声速引起的测速误差 有限波束宽度的影响 噪声对频率测量的影响 安装角度偏离误差及其校正
船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿
在有摇摆和上下起伏时
向前的I号波束测得的多普勒频移为
fdI
2vx C
fTcos()2Cvz
fT(cos)
2vx C
fTcos()2Cvz
fTsin()
fdfd I向fdI后I 的II号波束测得的多普勒频移为
2C vx fT fd IcIo 2C vs x (fT ) cco os(s ( )) 2C v2C zvzfTfT ( scio n s )( )si n()
fdfd I fdI I4 C vxfTco c so sv vx zsi n
在船舶无摇摆及上下起伏时
前后两波束接收信号的频差为
fd
r
4vx C
fT cos
相对频率测量误差
fd fdfdrco svzsi n 1
fd r
fd r
vx
浅水使用时 收发期间只 需测量一次
姿态角
例如当 5和 10时，将分别带来 0.3%和 1.5％的测量误差。
各个测量误差对总误差的贡献
减小测速误差的方法 相控阵多普勒测速技术 多普勒计程仪在大深度使用时摇摆问题的分析及摇摆补偿 多普勒测速声呐频率测量技术
5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析
脉冲前沿到达时刻
t1
设脉冲经目标反射回到接收点
的时间为t1，
则目标移动的距离为 vt1 / 2 。