《水下定位與導(dǎo)航技術(shù)》聲學(xué)多普勒測(cè)速技術(shù)

1、2022-5-712022-5-72n 無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備，典型的有勞蘭無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備，典型的有勞蘭-C系統(tǒng)（定位精度系統(tǒng)（定位精度約約200米）、系統(tǒng)（精度約米）、系統(tǒng)（精度約1海里）以及臺(tái)卡系統(tǒng)海里）以及臺(tái)卡系統(tǒng)（精度（精度25米）等。米）等。 n 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度可達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度可達(dá)510m。n 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，但是有累積誤慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，但是有累積誤差，其量級(jí)達(dá)到每小時(shí)幾十米。差，其量級(jí)達(dá)到每小時(shí)幾十米。 n 計(jì)算法定位導(dǎo)航設(shè)備計(jì)算法定位導(dǎo)航設(shè)備o 機(jī)械式導(dǎo)航設(shè)備：水壓式測(cè)速計(jì)、拖曳式旋轉(zhuǎn)流量計(jì)等。機(jī)械式導(dǎo)航設(shè)

2、備：水壓式測(cè)速計(jì)、拖曳式旋轉(zhuǎn)流量計(jì)等。 o 電子式導(dǎo)航設(shè)備：電磁計(jì)程儀、電子式導(dǎo)航設(shè)備：電磁計(jì)程儀、聲多普勒計(jì)程儀和聲相關(guān)聲多普勒計(jì)程儀和聲相關(guān)計(jì)程儀。計(jì)程儀。 2022-5-73n目標(biāo)與聲源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（相向、相離）目標(biāo)與聲源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（相向、相離）n聲源和接收一體的情況聲源和接收一體的情況n影響多普勒測(cè)速的主要因素及改進(jìn)方法影響多普勒測(cè)速的主要因素及改進(jìn)方法o各個(gè)測(cè)量誤差對(duì)總誤差的貢獻(xiàn)各個(gè)測(cè)量誤差對(duì)總誤差的貢獻(xiàn)2022-5-74n 脈沖前沿到達(dá)時(shí)刻脈沖前沿到達(dá)時(shí)刻設(shè)脈沖經(jīng)目標(biāo)反射回到接收點(diǎn)設(shè)脈沖經(jīng)目標(biāo)反射回到接收點(diǎn)的時(shí)間為的時(shí)間為t t1 1，則目標(biāo)移動(dòng)的距離為則目標(biāo)移動(dòng)的距離為 。因此有因

3、此有因而得到前沿往返時(shí)間為因而得到前沿往返時(shí)間為t12/1vt2211CtvtLxcLcvcLcvLt1/2/1/2212/1ct2/1vt2022-5-75n 脈沖后沿到達(dá)時(shí)刻脈沖后沿到達(dá)時(shí)刻 設(shè)發(fā)射脈沖寬度為設(shè)發(fā)射脈沖寬度為T，則當(dāng)脈沖后沿離開(kāi)換能則當(dāng)脈沖后沿離開(kāi)換能器表面時(shí)，目標(biāo)已向聲器表面時(shí)，目標(biāo)已向聲吶靠近了吶靠近了vT。 t2vT2/2vt2/2vt222121CtvTvtLxxTCLt12/22 若其往返時(shí)間為若其往返時(shí)間為t2，在，在t2時(shí)間內(nèi)目標(biāo)又向聲吶靠近時(shí)間內(nèi)目標(biāo)又向聲吶靠近 。因此有因此有 由此得到后沿的往返時(shí)間為由此得到后沿的往返時(shí)間為cvx/2022-5-76n 換

4、能器接收到的脈沖寬度換能器接收到的脈沖寬度前后沿所需往返時(shí)間不同，其差值是前后沿所需往返時(shí)間不同，其差值是因此，接收信號(hào)的脈寬為因此，接收信號(hào)的脈寬為n 接收信號(hào)頻率變?yōu)榻邮招盘?hào)頻率變?yōu)?n 結(jié)論結(jié)論o 在相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，脈沖被壓縮；在相離運(yùn)動(dòng)時(shí)，脈沖被展寬。在相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，脈沖被壓縮；在相離運(yùn)動(dòng)時(shí)，脈沖被展寬。xxTCLt12/22xCLCvCLt1/2/1/21xxTtt1221TxxxxTTttTTr1112)(21fxxTxxTfrr111111無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)前后沿到達(dá)的時(shí)間應(yīng)當(dāng)相等，無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)前后沿到達(dá)的時(shí)間應(yīng)當(dāng)相等，有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，t1-t2變化了多少時(shí)間？變化了多少時(shí)間？0 T

5、 t1 t2T2022-5-77cosCvxxcos21)21 (1)1 (1122CvffxfxxfxxfxTTTTrcos22TxTTrdxfCvxffffdxTxffCvcos2詹納斯（Janus）配置 Cvx/cosxvv 船與被照射船與被照射區(qū)的相對(duì)徑區(qū)的相對(duì)徑向速度為向速度為 ：接收的回波接收的回波信號(hào)頻率為：信號(hào)頻率為：多普勒頻移多普勒頻移為：為：水平速度水平速度 ：cos2TxdIfCvfcos2TxdIIfCvfcos4TxdIIdIdfCvfffcos4TdxfCfv 2022-5-78n 十字形配置和十字形配置和X形配置形配置詹納斯（詹納斯（Janus）配置）配置 202

6、2-5-79cos4Tdxfcfv 2022-5-710n 沒(méi)有近似時(shí)的多普勒頻移為沒(méi)有近似時(shí)的多普勒頻移為n 一階近似后的多普勒頻移一階近似后的多普勒頻移n 引入的相對(duì)測(cè)速誤差為引入的相對(duì)測(cè)速誤差為TTTTrdfxxffxxfff12111cos22TxTdxfCvxfffT發(fā)射頻率發(fā)射頻率fr接收頻率接收頻率fd多普勒頻移多普勒頻移Cvxxxxxxfffffxdddddcos122121112022-5-711n 沒(méi)有近似時(shí)沒(méi)有近似時(shí)I號(hào)波束、號(hào)波束、II號(hào)波束接收的信號(hào)頻率為號(hào)波束接收的信號(hào)頻率為 n 前后兩波束接收信號(hào)的頻差為前后兩波束接收信號(hào)的頻差為n 一階近似后的多普勒頻移一階近似

7、后的多普勒頻移n 引入的相對(duì)測(cè)速誤差為引入的相對(duì)測(cè)速誤差為詹納斯配置詹納斯配置Trfxxf111Trfxxf112Trrdfxxfff221114cos44TxTdfCvfxf22221cos14414CvxxxxxxffxddCvxffxddcos12022-5-7122022-5-713n 向前的向前的I號(hào)波束測(cè)得的多普勒頻移為號(hào)波束測(cè)得的多普勒頻移為 n 向后的向后的II號(hào)波束測(cè)得的多普勒頻移為號(hào)波束測(cè)得的多普勒頻移為n 前后兩波束接收信號(hào)的頻差為前后兩波束接收信號(hào)的頻差為在有搖擺和上下起伏時(shí)在有搖擺和上下起伏時(shí))sin(2)cos(C2v)cos(2)cos(2xITzTTzTxdfC

8、vffCvfCvf)sin(2)cos(2 )cos(2)cos(2IITzTxTzTxdfCvfCvfCvfCvf sincoscosC4 xzTxdIIdIdvvfvfff sincos22coscos22 )sin()sin(2)cos()cos(2 IIITzTxTzTxdddfCvfCvfCvfCvfff2022-5-714n利用姿態(tài)測(cè)量裝置對(duì)速度進(jìn)行修正利用姿態(tài)測(cè)量裝置對(duì)速度進(jìn)行修正 n前后兩波束接收信號(hào)的頻差為前后兩波束接收信號(hào)的頻差為n相對(duì)頻率測(cè)量誤差相對(duì)頻率測(cè)量誤差 n無(wú)搖擺時(shí)無(wú)搖擺時(shí) ，因此，因此n當(dāng)當(dāng)vz=0時(shí)，可以解出修正后的速度為時(shí)，可以解出修正后的速度為 cos4T

9、xdrfCvf1sincosxzdrdrddrdvvfffff sincoscosC4 xzTxdIIdIdvvfvfffcoscos4TdxffCv淺水使用時(shí)淺水使用時(shí)收發(fā)期間只收發(fā)期間只需測(cè)量一次需測(cè)量一次姿態(tài)角姿態(tài)角00/drdff2022-5-7152022-5-716n 詹納斯配置的聲速誤差引起的測(cè)速誤差詹納斯配置的聲速誤差引起的測(cè)速誤差o 由公式可以看出，聲速有多大的相對(duì)誤差，將引起同樣的測(cè)速由公式可以看出，聲速有多大的相對(duì)誤差，將引起同樣的測(cè)速誤差（相對(duì)誤差）誤差（相對(duì)誤差）n 進(jìn)行聲速補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行聲速補(bǔ)償?shù)姆椒╫ 測(cè)量換能器表面處的聲速，計(jì)算速度時(shí)使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的聲速。測(cè)量換能

10、器表面處的聲速，計(jì)算速度時(shí)使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的聲速。n測(cè)量換能器表明的溫度，計(jì)算速度時(shí)使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的聲速。測(cè)量換能器表明的溫度，計(jì)算速度時(shí)使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的聲速。n是利用專門的測(cè)量裝置，測(cè)量溫度、鹽度和壓力，再利用聲速計(jì)是利用專門的測(cè)量裝置，測(cè)量溫度、鹽度和壓力，再利用聲速計(jì)算公式計(jì)算聲速。算公式計(jì)算聲速。 o 由聲速的計(jì)算公式，只要保持由聲速的計(jì)算公式，只要保持 為常數(shù)。為常數(shù)。n由斯乃爾定律可知，分層介質(zhì)中各層聲線的入射俯角與層中的聲由斯乃爾定律可知，分層介質(zhì)中各層聲線的入射俯角與層中的聲速之比為常數(shù)，即速之比為常數(shù)，即n因此，只需保持換能器表面附近因此，只需保持換能器表面附近 為常數(shù)，便不會(huì)因?yàn)槌?/p>

11、數(shù)，便不會(huì)因其它水層的聲速變化而帶來(lái)聲速誤差。其它水層的聲速變化而帶來(lái)聲速誤差。cos4Tdxfcfv cos/c常數(shù).coscos2211ccc/cos相相控控陣陣導(dǎo)流導(dǎo)流罩充罩充油，油，恒溫恒溫2022-5-7172022-5-718n 波束寬度波束寬度 多普勒頻移擴(kuò)展多普勒頻移擴(kuò)展n 相對(duì)頻移擴(kuò)展為相對(duì)頻移擴(kuò)展為n 減小有限波束寬度影響的方法減小有限波束寬度影響的方法o 多次獨(dú)立測(cè)量求平均；測(cè)量多次獨(dú)立測(cè)量求平均；測(cè)量M次，平均后誤差可降低次，平均后誤差可降低 倍。倍。o 取回波信號(hào)中間部分進(jìn)行測(cè)頻取回波信號(hào)中間部分進(jìn)行測(cè)頻sin2TxdfCvfdB321cos22TxTdfcvxfft

12、anddffM1問(wèn)題：?jiǎn)栴}：1）波束寬了不好，）波束寬了不好，窄了可以嗎？窄了可以嗎？2 2）小點(diǎn)好嗎？小點(diǎn)好嗎？2022-5-719n 波束寬度波束寬度 多普勒頻移擴(kuò)展多普勒頻移擴(kuò)展n 減小束寬減小束寬o 波束窄好波束窄好頻率擴(kuò)展減小，測(cè)頻精度可以提高，頻率擴(kuò)展減小，測(cè)頻精度可以提高，o 但散射強(qiáng)度但散射強(qiáng)度 TS=RS+10logS 將會(huì)減小，將會(huì)減小，o 并且束寬并且束寬=/L/L，或加大陣的尺度，或提高，或加大陣的尺度，或提高f f。n 掠射角掠射角o小多普勒頻偏大，但回波強(qiáng)度下降，信噪比下降。怕?lián)u擺小多普勒頻偏大，但回波強(qiáng)度下降，信噪比下降。怕?lián)u擺o 6060左右。左右。n 脈沖寬度

13、脈沖寬度o 要求兩個(gè)波束邊沿的信號(hào)必須重疊，要求兩個(gè)波束邊沿的信號(hào)必須重疊，f才能測(cè)量得準(zhǔn)。但脈沖寬才能測(cè)量得準(zhǔn)。但脈沖寬對(duì)系統(tǒng)的功率提出要求。對(duì)系統(tǒng)的功率提出要求。dB321cos22TxTdfcvxff2022-5-7202022-5-721n 過(guò)零檢測(cè)法過(guò)零檢測(cè)法測(cè)量測(cè)量N次過(guò)零的時(shí)間計(jì)算回波頻率。次過(guò)零的時(shí)間計(jì)算回波頻率。o 設(shè)設(shè)N個(gè)過(guò)零點(diǎn)總測(cè)量時(shí)間為個(gè)過(guò)零點(diǎn)總測(cè)量時(shí)間為To 多普勒頻率多普勒頻率o 時(shí)間時(shí)間T的測(cè)量誤差與多普勒頻率測(cè)量誤差的關(guān)系為的測(cè)量誤差與多普勒頻率測(cè)量誤差的關(guān)系為 n 由多普勒頻率與速度的關(guān)系可得速度測(cè)量誤差與測(cè)由多普勒頻率與速度的關(guān)系可得速度測(cè)量誤差與測(cè)頻誤差的

14、關(guān)系頻誤差的關(guān)系dTffNTTfTNfTdTTNfddd2xTdvCffdcos2dcos2Txdxfcvf2022-5-722n 時(shí)間測(cè)量誤差與速度測(cè)量誤差的關(guān)系時(shí)間測(cè)量誤差與速度測(cè)量誤差的關(guān)系n 在一定的測(cè)速誤差下，允許的一個(gè)周期的時(shí)間測(cè)量在一定的測(cè)速誤差下，允許的一個(gè)周期的時(shí)間測(cè)量誤差應(yīng)為誤差應(yīng)為 n 當(dāng)采用詹納斯配置時(shí)，兩個(gè)波束獨(dú)立測(cè)量頻率。當(dāng)采用詹納斯配置時(shí)，兩個(gè)波束獨(dú)立測(cè)量頻率。xTvCNfTTdcos2d2TdTfNffNTxTxTTvcfNvcNffNTdcos2dcos2d2dTNcfdvTxcos2xTvCNfTxdcos2)/1 (d12221xxxxvCNdcos222

15、022-5-723n 例如，當(dāng)例如，當(dāng)N=32，cos0.50.5，要求測(cè)速誤差為，要求測(cè)速誤差為 ，允許的一個(gè)周期內(nèi)的相對(duì)時(shí)間測(cè)量，允許的一個(gè)周期內(nèi)的相對(duì)時(shí)間測(cè)量誤差為誤差為003. 01 . 015005 . 022Nxs/m1 . 0dxv0188. 02003. 0dBNS5 .340188. 01log20/2022-5-7242022-5-725n 基陣安裝誤差帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)速進(jìn)基陣安裝誤差帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)速進(jìn)行校正。行校正。 n 由幾何關(guān)系有兩個(gè)速度之間的關(guān)系由幾何關(guān)系有兩個(gè)速度之間的關(guān)系o 安裝角度與船的首尾線的幾何關(guān)系安裝角度與船的首尾線的幾何關(guān)系

16、cossinsincosyxyyxxvvvvvvcos4cos413IIIITdTddxfCffffCvcos4cos442IIIVTdTddyfCffffCv由多普勒測(cè)速儀可以得到的速度值為由多普勒測(cè)速儀可以得到的速度值為2022-5-726n 校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)方法o 安裝偏移角的校正，可在海上進(jìn)行。安裝偏移角的校正，可在海上進(jìn)行。o 船保持直線航行一段距離，例如幾海里，在航速達(dá)到穩(wěn)定船保持直線航行一段距離，例如幾海里，在航速達(dá)到穩(wěn)定后利用差分后利用差分GPS測(cè)量起止點(diǎn)的船位，根據(jù)航行時(shí)間得到船測(cè)量起止點(diǎn)的船位，根據(jù)航行時(shí)間得到船的平均速度的平均速度 vx、vy。o 利用船上的高精度羅徑得到的航

17、向，算得船坐標(biāo)系的兩個(gè)利用船上的高精度羅徑得到的航向，算得船坐標(biāo)系的兩個(gè)速度分量速度分量vx、vy 。在速度穩(wěn)定航段中，利用多普勒計(jì)程儀。在速度穩(wěn)定航段中，利用多普勒計(jì)程儀測(cè)得的兩個(gè)速度分量同樣也取平均值測(cè)得的兩個(gè)速度分量同樣也取平均值vx、vy. o 計(jì)算安裝偏移角計(jì)算安裝偏移角 cossinsincosyxyyxxvvvvvvyyxxyxyxvvvvvvvvarctan2022-5-727n 校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)方法o 安裝偏移角安裝偏移角 n 修正后的速度修正后的速度cossinsincosyxyyxxvvvvvvyyxxyxyxvvvvvvvvarctancossincos4sincossin

18、coscos4sincos42134213ddTxyyddTyxxfffCvvvfffCvvv對(duì)于水平波束對(duì)于水平波束X形配置，有形配置，有 4/42134213cos8222cos8222ddTyxyddTyxxfffCvvvfffCvvv2022-5-728n一階近似誤差-采用雙波束n搖擺誤差-進(jìn)行搖擺補(bǔ)償n聲速誤差-聲速補(bǔ)償n有限束寬（頻率擴(kuò)展）-窄波束、大俯角n噪聲-提高信號(hào)/噪聲比2022-5-729只要保證補(bǔ)償相移不隨聲速變化而只要保證補(bǔ)償相移不隨聲速變化而變即可。變即可。n 單波束情況下的速度測(cè)量公式為單波束情況下的速度測(cè)量公式為n 采用采用4個(gè)陣元，構(gòu)成的換能器陣，個(gè)陣元，構(gòu)成

19、的換能器陣，是固定的，不是固定的，不能隨能隨c c變。變。n 考慮采用多元陣考慮采用多元陣o波束可控波束可控o在大深度工作時(shí)由于要降低工作頻率，要保持相當(dāng)窄的收在大深度工作時(shí)由于要降低工作頻率，要保持相當(dāng)窄的收/發(fā)波發(fā)波束，基陣尺寸必須加大。采用詹納斯配置需要束，基陣尺寸必須加大。采用詹納斯配置需要4個(gè)陣元，因此尺個(gè)陣元，因此尺寸很大，需要寸很大，需要減小尺寸。減小尺寸。cos2sin2TdTdxfcffcfv常數(shù)cosc問(wèn)題是如何問(wèn)題是如何保證常數(shù)保證常數(shù)2022-5-730n 單波束情況下的速度測(cè)量公式為單波束情況下的速度測(cè)量公式為n 設(shè)多元直線陣，陣元間距為設(shè)多元直線陣，陣元間距為d，n

20、 信號(hào)的入射方向：信號(hào)的入射方向：n 相鄰陣元的相位差為相鄰陣元的相位差為cos2cdfTTTfKdfc12cosKvcosfcvfxTxd22只要保持只要保持不變不變dK22022-5-731n 當(dāng)采用詹納斯配置時(shí)當(dāng)采用詹納斯配置時(shí)n 結(jié)論：結(jié)論：o 只要兩兩陣元之間補(bǔ)償?shù)南嘁票３植蛔儯d體速度只與兩個(gè)只要兩兩陣元之間補(bǔ)償?shù)南嘁票３植蛔儯d體速度只與兩個(gè)波束回波頻率之差（多普勒頻率）及陣元間距有關(guān)，與聲速波束回波頻率之差（多普勒頻率）及陣元間距有關(guān)，與聲速無(wú)關(guān)。按照這樣的要求構(gòu)成的陣稱為相控陣。無(wú)關(guān)。按照這樣的要求構(gòu)成的陣稱為相控陣。 o采用詹納斯配置采用詹納斯配置是固定的，是固定的， 不能

21、固定，隨不能固定，隨c改變。改變。dfffffcfcfvrrTrrTdx2cos4)(cos42121注意：注意：固定固定隨隨c c改變。改變。cos2cdfT2022-5-732 1）直線陣的指向性復(fù)習(xí)）直線陣的指向性復(fù)習(xí) 2）復(fù)合陣的指向性）復(fù)合陣的指向性 3）相控陣的指向性）相控陣的指向性 4）相控收發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法）相控收發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法2022-5-7331）直線陣地指向性復(fù)習(xí)）直線陣地指向性復(fù)習(xí)n 自然指向性為自然指向性為 n 兩兩陣元間接收信號(hào)的相位差兩兩陣元間接收信號(hào)的相位差 sinsinsinsin2sin2sindNdNNNRsin2 dsindl clt cf sin2222dl

22、ctctf2022-5-7341）直線陣地指向性復(fù)習(xí)）直線陣地指向性復(fù)習(xí)n 自然指向性圖為自然指向性圖為 n 指向性零點(diǎn)方向滿足指向性零點(diǎn)方向滿足1,.2 , 1 ,2NkkNNdksin sinsinsinsin2sin2sindNdNNNR12022-5-7351）直線陣地指向性復(fù)習(xí)）直線陣地指向性復(fù)習(xí)n 自然指向性圖為自然指向性圖為 n 指向性零點(diǎn)方向滿足指向性零點(diǎn)方向滿足n 旁瓣位置應(yīng)滿足旁瓣位置應(yīng)滿足 sinsinsinsin2sin2sindNdNNNR1,.2 , 1 ,22NkkNNdNdk2sin2022-5-7361）直線陣地指向性復(fù)習(xí)）直線陣地指向性復(fù)習(xí)n 自然指向性圖為

23、自然指向性圖為 n 指向性零點(diǎn)方向滿足指向性零點(diǎn)方向滿足n 旁瓣位置應(yīng)滿足旁瓣位置應(yīng)滿足n 柵瓣位置滿足柵瓣位置滿足 sinsinsinsin2sin2sindNdNNNR,.2 , 1,2kkdksin2022-5-7371）直線陣地指向性復(fù)習(xí)）直線陣地指向性復(fù)習(xí)n 當(dāng)在相鄰陣元間補(bǔ)償相位時(shí)，指向性函數(shù)為當(dāng)在相鄰陣元間補(bǔ)償相位時(shí)，指向性函數(shù)為n 主極大方向主極大方向 柵瓣方向柵瓣方向 2sin2sinNNRD2sinDDk2sinsin2 d2022-5-7382）復(fù)合陣的指向性）復(fù)合陣的指向性 o 復(fù)合陣的基本原理指的是，一個(gè)多元陣可分解為幾個(gè)相同復(fù)合陣的基本原理指的是，一個(gè)多元陣可分解為

24、幾個(gè)相同的子陣，該多元陣的指向性等于這樣兩個(gè)指向性的乘積：的子陣，該多元陣的指向性等于這樣兩個(gè)指向性的乘積：一個(gè)子陣的指向性，以及位于這些子陣聲學(xué)中心的無(wú)指向一個(gè)子陣的指向性，以及位于這些子陣聲學(xué)中心的無(wú)指向性陣元構(gòu)成的陣的指向性。性陣元構(gòu)成的陣的指向性。 o 例如一個(gè)多元陣分成兩個(gè)子陣，子陣?yán)缫粋€(gè)多元陣分成兩個(gè)子陣，子陣1和子陣和子陣2，2個(gè)子陣個(gè)子陣的指向性為的指向性為 ；將子陣看成一個(gè)無(wú)方向性的基元，；將子陣看成一個(gè)無(wú)方向性的基元，2個(gè)基元構(gòu)成的個(gè)基元構(gòu)成的2元陣的指向性為元陣的指向性為 ；則總指向性；則總指向性為為 。)(2R)(1R)()()(21RRR2022-5-7393）相控

25、陣及其指向性）相控陣及其指向性 （等間距直線陣分解）n 設(shè)直線陣由設(shè)直線陣由N個(gè)（可被個(gè)（可被4整除）靈敏度相同，間距為整除）靈敏度相同，間距為d的陣元組成。的陣元組成。第三級(jí)有第三級(jí)有4個(gè)子陣，每個(gè)子陣是個(gè)子陣，每個(gè)子陣是N/4元陣，各陣元之元陣，各陣元之間用導(dǎo)線連接。陣元間距間用導(dǎo)線連接。陣元間距 D34d，陣長(zhǎng)，陣長(zhǎng)L3=L總總-3d第二級(jí)有第二級(jí)有2個(gè)子陣，每個(gè)由個(gè)子陣，每個(gè)由2個(gè)陣元組成，陣元間距個(gè)陣元組成，陣元間距D2 2d第一級(jí)由第一級(jí)由2個(gè)陣元組成，陣元間距個(gè)陣元組成，陣元間距D1 d子陣子陣 1 2 3 42022-5-7403）相控陣及指向性）相控陣及指向性 n 第一級(jí)第一

26、級(jí)2元陣的指向性為元陣的指向性為 ， 零點(diǎn)位置為零點(diǎn)位置為n 第二級(jí)第二級(jí)2元陣的指向性為元陣的指向性為 ， 零點(diǎn)位置為零點(diǎn)位置為n 第三級(jí)子陣的指向性為第三級(jí)子陣的指向性為 ， 第一柵瓣的位置為第一柵瓣的位置為n 總陣的自然指向性為總陣的自然指向性為 1RdD22sin1dD42sin2dD4sin3 321RRRR 2R 3R sinsinsinsin2sin2sindNdNNNRNdksin零點(diǎn)位置為D1 dD2 2dD34d,dksin柵瓣的位置為2022-5-741 321RRRRdD4sin3dD22sin1dD42sin22022-5-7424）相控收發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法）相控收發(fā)的實(shí)現(xiàn)

27、方法n 實(shí)現(xiàn)相控發(fā)射的方法實(shí)現(xiàn)相控發(fā)射的方法2022-5-743 321RRRRdD4sin3dD22sin1dD42sin22022-5-744dD22sin1dD42sin2dD4sin3 321RRRR2022-5-7454）相控收發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法）相控收發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法 實(shí)現(xiàn)相控發(fā)射的方法實(shí)現(xiàn)相控發(fā)射的方法 0sin)4/(sindddD422sin222 對(duì)第二級(jí)的兩個(gè)子陣進(jìn)行相控，子陣間距為對(duì)第二級(jí)的兩個(gè)子陣進(jìn)行相控，子陣間距為2d。主極大應(yīng)從。主極大應(yīng)從控制到位置控制到位置 ，子陣，子陣3、子陣、子陣4需補(bǔ)償?shù)南嘁茷樾柩a(bǔ)償?shù)南嘁茷?第三級(jí)第三級(jí)第二級(jí)第二級(jí)第一級(jí)第一級(jí)陣元陣元 1 2 2

28、sin2sinNNRD2sin相位補(bǔ)償后主極大相位補(bǔ)償后主極大方向移到方向移到 2022-5-7464）相控收發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法）相控收發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法n 實(shí)現(xiàn)相控發(fā)射的方法實(shí)現(xiàn)相控發(fā)射的方法n 實(shí)現(xiàn)相控接收的方法實(shí)現(xiàn)相控接收的方法2022-5-747 321RRRRdD4sin3dD22sin1dD42sin22022-5-748 321RRRRdD4sin3dD22sin1dD42sin22022-5-749實(shí)現(xiàn)相控接收的方法實(shí)現(xiàn)相控接收的方法相控接收（左波束）相控接收（左波束） 相控接收（右波束）相控接收（右波束）2022-5-7504）相控收發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法）相控收發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法 實(shí)現(xiàn)相控接收的方法實(shí)

29、現(xiàn)相控接收的方法 0sin)4/(sindddD422sin222對(duì)第二級(jí)的兩個(gè)子陣進(jìn)行相控，子陣間距為對(duì)第二級(jí)的兩個(gè)子陣進(jìn)行相控，子陣間距為2d。主極大應(yīng)從。主極大應(yīng)從控制到位置控制到位置 ，子陣，子陣3、子陣、子陣4需補(bǔ)償?shù)南嘁茷樾柩a(bǔ)償?shù)南嘁茷?將第一級(jí)二元陣的主極大值方向控制到將第一級(jí)二元陣的主極大值方向控制到 的位置，的位置，陣元陣元2（由子陣（由子陣2和子陣和子陣4構(gòu)成）構(gòu)成）需補(bǔ)償?shù)南嘁茷樾柩a(bǔ)償?shù)南嘁茷?sin/ ()4d242sin211ddD第三級(jí)第三級(jí)第二級(jí)第二級(jí)第一級(jí)第一級(jí)子陣子陣 1 2 3 4陣元陣元 1 2右波束右波束2022-5-7514）相控收發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法）相控收

30、發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法 實(shí)現(xiàn)相控接收的方法實(shí)現(xiàn)相控接收的方法 第二級(jí)：子陣第二級(jí)：子陣3、子陣、子陣4需補(bǔ)償?shù)南嘁菩柩a(bǔ)償?shù)南嘁疲雨?，子?和子陣和子陣2不補(bǔ)償；不補(bǔ)償；第一級(jí)：陣元第一級(jí)：陣元2（由子陣（由子陣2和子陣和子陣4構(gòu)成）需補(bǔ)償?shù)南嘁茦?gòu)成）需補(bǔ)償?shù)南嘁?2，陣元，陣元1不不補(bǔ)償。補(bǔ)償。第三級(jí)第三級(jí)第二級(jí)第二級(jí)第一級(jí)第一級(jí)陣元陣元 1 2子陣子陣 1 2 3 4對(duì)應(yīng)于右發(fā)射波束2022-5-7522022-5-753o 相控陣收發(fā)的優(yōu)點(diǎn)相控陣收發(fā)的優(yōu)點(diǎn)n 聲速能自動(dòng)補(bǔ)償聲速能自動(dòng)補(bǔ)償n 基陣體積小基陣體積小o 相控陣只用一個(gè)多元平面陣，成陣后的總面積約為常規(guī)法相控陣只用一個(gè)多元平面陣，成陣后的

31、總面積約為常規(guī)法基陣面積的基陣面積的1/6。n 便于安裝便于安裝o 相控陣是圓形平面陣相控陣是圓形平面陣 ，可以與載體，可以與載體“共形共形” 。n 波束一致性好波束一致性好o 它只用一個(gè)多元平面陣，通過(guò)相控形成它只用一個(gè)多元平面陣，通過(guò)相控形成4個(gè)波束，各個(gè)波個(gè)波束，各個(gè)波束的指向性、波束寬度是一致的。束的指向性、波束寬度是一致的。 2022-5-7542022-5-7552022-5-756n 多普勒測(cè)速聲吶在大深度使用時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題：多普勒測(cè)速聲吶在大深度使用時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題：1 1）深度深度工作頻率工作頻率基陣尺寸基陣尺寸2 2）會(huì)出現(xiàn)與海底）會(huì)出現(xiàn)與海底“失去接觸失去接觸”的情況的情況

32、 例如：深度例如：深度300m，往返時(shí)間，往返時(shí)間400ms，搖擺，搖擺周期周期T幾秒十幾秒，因此，不會(huì)發(fā)生失去接觸幾秒十幾秒，因此，不會(huì)發(fā)生失去接觸的問(wèn)題。的問(wèn)題。 在大深度時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)在大深度時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)“失去接觸失去接觸”的情況。如深的情況。如深度度1000m，往返時(shí)間，往返時(shí)間1.33s，若搖擺周期為，若搖擺周期為T=2.5s，可能發(fā)生失去接觸的問(wèn)題。，可能發(fā)生失去接觸的問(wèn)題。2022-5-757n 不失去海底接觸的條件不失去海底接觸的條件o 信號(hào)往返時(shí)間信號(hào)往返時(shí)間o 載體的搖擺角載體的搖擺角 搖擺角的速度為搖擺角的速度為 H tTtm2sin)( tTTtttm2cos2ddcos

33、2CHtP H - 2022-5-758n 1) 最壞的情況：載體以最大角速度搖擺。最壞的情況：載體以最大角速度搖擺。o 用最大擺速計(jì)算，信號(hào)往返時(shí)間內(nèi)波束指向性變化應(yīng)小于波束用最大擺速計(jì)算，信號(hào)往返時(shí)間內(nèi)波束指向性變化應(yīng)小于波束寬度的一半（滿足寬度的一半（滿足不失去接觸的條件不失去接觸的條件 ）。）。o 例如：例如：在搖擺周期在搖擺周期 T25s， 搖擺角搖擺角m3，23， 3.3時(shí)，有時(shí)，有H1510m1510m。 當(dāng)當(dāng)T10s，有，有H604m604m。n 2) 在信號(hào)往返時(shí)間內(nèi)，載體的搖擺角達(dá)到最大在信號(hào)往返時(shí)間內(nèi)，載體的搖擺角達(dá)到最大 o 當(dāng)載體水平時(shí)當(dāng)載體水平時(shí) ，認(rèn)為是認(rèn)為是信號(hào)

34、發(fā)射時(shí)刻，當(dāng)信號(hào)發(fā)射時(shí)刻，當(dāng)ttp時(shí)，搖擺角為時(shí)，搖擺角為2cos222CHTtTmPmmCTH8cos 2cos22sin2sinCHTtTtmPmP mCTH2sin4cos1在上述條件下在上述條件下H1600m1600mH1700m1700m2022-5-759n3)一般的情況：在一般的情況：在tj時(shí)刻發(fā)射，信號(hào)接收時(shí)刻為時(shí)刻發(fā)射，信號(hào)接收時(shí)刻為tr，同時(shí)海底有傾斜，同時(shí)海底有傾斜 。o 設(shè)某波束第設(shè)某波束第j次發(fā)射時(shí)的搖擺角度為次發(fā)射時(shí)的搖擺角度為o 第第j個(gè)回波到達(dá)接收點(diǎn)并開(kāi)始測(cè)頻時(shí)的搖擺角為個(gè)回波到達(dá)接收點(diǎn)并開(kāi)始測(cè)頻時(shí)的搖擺角為 o 回波不失去接觸的條件回波不失去接觸的條件o 設(shè)發(fā)

35、射次設(shè)發(fā)射次Nt，Nr次接收到回波。次接收到回波。 則則回波接觸比為回波接觸比為 jmj ttT2sinrjmrjtT2sin2rjjtreNNN 2022-5-760n 海底有斜坡，有搖擺時(shí)，左右（或前后）波束的回波時(shí)間差海底有斜坡，有搖擺時(shí)，左右（或前后）波束的回波時(shí)間差I(lǐng)rIIrHBCCBAIrIIrHBCCAB 假定載體速度不大，在收發(fā)時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為水平移動(dòng)距離與海深相假定載體速度不大，在收發(fā)時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為水平移動(dòng)距離與海深相比甚小。因此，可在同一測(cè)量點(diǎn)分析載體搖擺時(shí)的信號(hào)傳播時(shí)間。比甚小。因此，可在同一測(cè)量點(diǎn)分析載體搖擺時(shí)的信號(hào)傳播時(shí)間。 當(dāng)載體速度較大時(shí)，還應(yīng)考慮由此引起的波束不能接觸

36、的問(wèn)題。當(dāng)載體速度較大時(shí)，還應(yīng)考慮由此引起的波束不能接觸的問(wèn)題。2022-5-761n 海底有斜坡，有搖擺時(shí)，左右（或前后）波束的回波時(shí)間差海底有斜坡，有搖擺時(shí)，左右（或前后）波束的回波時(shí)間差I(lǐng)rIIrHBCCBAIrIIrHBCCABBCCBACACABC和和ABC相似相似tanctgcoscos/HHrHrII號(hào)波束、號(hào)波束、II號(hào)波束號(hào)波束到海底的斜距為到海底的斜距為sintancosHrIsintancosHrII當(dāng)載體有搖擺角當(dāng)載體有搖擺角時(shí)時(shí))sin(tan)cos(HrI)sin(tan)cos(HrII思路：只要知道距離差便可知思路：只要知道距離差便可知道兩個(gè)波束的回波時(shí)間差。

37、道兩個(gè)波束的回波時(shí)間差。2022-5-762o 按照前面分析的第一種情況按照前面分析的第一種情況 ，設(shè)信號(hào)發(fā)射時(shí)刻載體處于，設(shè)信號(hào)發(fā)射時(shí)刻載體處于水平狀態(tài)，則接收時(shí)刻載體搖擺角的最大值為水平狀態(tài)，則接收時(shí)刻載體搖擺角的最大值為o 號(hào)波束、號(hào)波束、 II號(hào)波束回波到達(dá)接收點(diǎn)的距離與標(biāo)稱距離之號(hào)波束回波到達(dá)接收點(diǎn)的距離與標(biāo)稱距離之差分別為差分別為 o I號(hào)波束和號(hào)波束和II號(hào)波束回波到達(dá)時(shí)間差為號(hào)波束回波到達(dá)時(shí)間差為rmTT2max)sin(tan)cos()sin(tan)cos(sintancos maxmaxmaxmaxIIIIrrrr)sin(tan)cos()sin(tan)cos(si

38、ntancos maxmaxmaxmaxIIIIIIIIrrrrIIIIIIrrCt2,2022-5-763n 在搖擺角未知（沒(méi)有姿態(tài)儀）的情況下，如何對(duì)測(cè)在搖擺角未知（沒(méi)有姿態(tài)儀）的情況下，如何對(duì)測(cè)量的船速進(jìn)行搖擺修正。量的船速進(jìn)行搖擺修正。coscos4TdxffCvdIIdIdfff利用利用5.3節(jié)節(jié)學(xué)過(guò)學(xué)過(guò)的內(nèi)的內(nèi)容容)cos(2TxdIfcvf)cos(2TxdIIfcvf用兩個(gè)波束頻率之差和頻率之和兩者來(lái)用兩個(gè)波束頻率之差和頻率之和兩者來(lái)計(jì)算速度，以得到更高的速度精度計(jì)算速度，以得到更高的速度精度 。2022-5-764n 用兩個(gè)波束頻率用兩個(gè)波束頻率之差和頻率之和之差和頻率之和計(jì)

39、算速度計(jì)算速度 由此可得由此可得)cos(cos4TxdIIdIfCvff)sin(sin4TxdIIdIfCvff)cos(cos14TdIIdIxfffCv)sin(sin14TdIIdIxfffCv)(sin)(22convvxx)sin(sin)cos(cos4dIIdIdIIdITfffffC 用兩個(gè)波束的用兩個(gè)波束的頻率之差和頻率之頻率之差和頻率之和兩者來(lái)計(jì)算速度，和兩者來(lái)計(jì)算速度，可以得到更高的速可以得到更高的速度精度。度精度。 2022-5-765n 搖擺角的計(jì)算搖擺角的計(jì)算)tan(tandIIdIdIIdIffffdIIdIdIIdIdIIdIdIIdIffffffff11

40、tan1)(tan)tan(aa11tan1)tan(dIIdIffa 注意到前向波束和后向波束總是一個(gè)正的頻移，注意到前向波束和后向波束總是一個(gè)正的頻移，一個(gè)負(fù)的頻移，即一個(gè)負(fù)的頻移，即fdI與與fdII總是反號(hào)總是反號(hào) ，記，記可以利用多普可以利用多普勒計(jì)程儀本身勒計(jì)程儀本身測(cè)出的的兩個(gè)測(cè)出的的兩個(gè)多普勒頻率來(lái)多普勒頻率來(lái)計(jì)算搖擺角，計(jì)算搖擺角，并由此進(jìn)行速并由此進(jìn)行速度修正。度修正。)cos(cos4TxdIIdIfCvff)sin(sin4TxdIIdIfCvff2022-5-766n 基本思想：指定時(shí)間內(nèi)記錄過(guò)零點(diǎn)的數(shù)目基本思想：指定時(shí)間內(nèi)記錄過(guò)零點(diǎn)的數(shù)目 o 采用計(jì)數(shù)器直接記錄過(guò)零

41、點(diǎn)個(gè)數(shù)采用計(jì)數(shù)器直接記錄過(guò)零點(diǎn)個(gè)數(shù) o 數(shù)字式過(guò)零頻率測(cè)量技術(shù)數(shù)字式過(guò)零頻率測(cè)量技術(shù) 2022-5-767n 雙計(jì)數(shù)器頻率測(cè)量方法雙計(jì)數(shù)器頻率測(cè)量方法 0MTNT MNff0規(guī)定的規(guī)定的 f0一般需為幾一般需為幾MHz幾十幾十MHz 2022-5-768n 數(shù)字式過(guò)零點(diǎn)頻率測(cè)量方法數(shù)字式過(guò)零點(diǎn)頻率測(cè)量方法o 方法方法 先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、及限幅處理。先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、及限幅處理。 以采樣頻率以采樣頻率f fs s對(duì)信號(hào)采樣，判斷并記錄剛過(guò)零的對(duì)信號(hào)采樣，判斷并記錄剛過(guò)零的2 2個(gè)個(gè)相鄰周期的采樣時(shí)刻，以及過(guò)零前的兩個(gè)采樣時(shí)刻；相鄰周期的采樣時(shí)刻，以及過(guò)零前的兩個(gè)采樣時(shí)刻； 利用線性插

42、值或余弦插值法計(jì)算利用線性插值或余弦插值法計(jì)算2 2個(gè)零點(diǎn)地位置；個(gè)零點(diǎn)地位置； 記錄第一次和第記錄第一次和第N N次過(guò)零的估計(jì)時(shí)間，以降低估計(jì)誤次過(guò)零的估計(jì)時(shí)間，以降低估計(jì)誤差（將兩次估計(jì)的誤差平均到差（將兩次估計(jì)的誤差平均到N N1 1個(gè)周期）；個(gè)周期）； 計(jì)算誤差。計(jì)算誤差。 o 設(shè)輸入信號(hào)的離散形式為設(shè)輸入信號(hào)的離散形式為ssffnAnTfAny002sin)2sin()(被測(cè)頻率 采樣頻率 2022-5-769n 數(shù)字式過(guò)零點(diǎn)頻率測(cè)量方法數(shù)字式過(guò)零點(diǎn)頻率測(cè)量方法sTnk)()(ntz) 1( ntz)(0nnT)(nTeytsTsTn) 1( ) 1( nsTn)()(n正弦信號(hào)的周

43、期估計(jì)值為正弦信號(hào)的周期估計(jì)值為 seTnnnknT) 1()()()(ssiAiBTiTiSS)(1)(iAiBiBiAiBiBSSSSSSi)(頻頻率率估估計(jì)計(jì)方方法法tz(n)tz(n-1)2022-5-770誤差的性質(zhì)誤差的性質(zhì)T0，) 1()()() 1()()(0nnnuTntntnTzze)()(0nnTntz)1)()()(10zzzTzTe)exp()/2exp()2exp(00jffjfTjz)1)()()(0jeeffTfT2022-5-771因此估計(jì)的周期序列的功率譜為因此估計(jì)的周期序列的功率譜為)1)()1)()( )1)(1)()()()()(0220*2jjjje

44、eeefefTfeeffTfTfTfT0222022202sin)(4)( 2sin)(4)()(ffffTffTfTe)1)()()(0jeeffTfT02022-5-772誤差的性質(zhì)誤差的性質(zhì)022202sin)(4)( )(ffffTfTe)(sin4)(2022ffffH2022-5-773 復(fù)互相關(guān)頻率測(cè)量方法復(fù)互相關(guān)頻率測(cè)量方法n思路：思路：找出估計(jì)頻率與相關(guān)函數(shù)的關(guān)系與采樣值的關(guān)系找出估計(jì)頻率與相關(guān)函數(shù)的關(guān)系與采樣值的關(guān)系1）求平均頻率與相關(guān)函數(shù)的關(guān)系）求平均頻率與相關(guān)函數(shù)的關(guān)系o利用功率譜的矩確定平均頻率與功率譜密度的關(guān)系利用功率譜的矩確定平均頻率與功率譜密度的關(guān)系o利用功率譜與相關(guān)函數(shù)的關(guān)系，導(dǎo)出平均頻率與相關(guān)函數(shù)的關(guān)系。利用功率譜與相關(guān)函數(shù)的關(guān)系，導(dǎo)出平均頻率與相關(guān)函數(shù)的關(guān)系。n利用相關(guān)函數(shù)與功率譜的傅立葉變換關(guān)系利用相關(guān)函數(shù)與功率譜的傅立葉變換關(guān)系2）求平均頻率與相關(guān)函數(shù)）求平均頻率與相關(guān)函數(shù)相位相位的關(guān)系的關(guān)系o利用相關(guān)函數(shù)的極坐標(biāo)形式，以及其幅度與相位的奇偶性。利用相關(guān)函數(shù)的極坐標(biāo)形式，以及其幅度與相位的奇偶性。o簡(jiǎn)化測(cè)頻的計(jì)算量，得到頻率估值與相關(guān)函數(shù)的反正切成正比。簡(jiǎn)化測(cè)頻的計(jì)算量，得到頻率估值與相關(guān)函數(shù)的反正切成正比。3）求頻率估值與正交采樣信號(hào)的關(guān)系）求頻率估值與正交采樣信號(hào)的