1、水下定位与导航技术声学多普勒水下定位与导航技术声学多普勒测速技术概述测速技术概述1/17/202321/17/202331/17/20234t12/1vt2211CtvtLxcLcvcLcvLt1/2/1/2212/1ct2/1vt1/17/20235t2vT2/2vt2/2vt222121CtvTvtLxxTCLt12/22 若其往返时间为若其往返时间为t2，在，在t2时间内目标又向声呐靠近时间内目标又向声呐靠近 。因此有因此有 由此得到后沿的往返时间为由此得到后沿的往返时间为cvx/1/17/20236xxTCLt12/22xCLCvCLt1/2/1/21xxTtt1221TxxxxTTt
2、tTTr1112)(21fxxTxxTfrr111111无相对运动时前后沿到达的时间应当相等，无相对运动时前后沿到达的时间应当相等，有相对运动，有相对运动，t1-t2变化了多少时间？变化了多少时间？0 T t1 t2T1/17/20237cosCvxxcos21)21(1)1(1122CvffxfxxfxxfxTTTTrcos22TxTTrdxfCvxffffdxTxffCvcos2詹纳斯（Janus）配置 Cvx/cosxvv 船与被照射船与被照射区的相对径区的相对径向速度为向速度为：接收的回波接收的回波信号频率为：信号频率为：多普勒频移多普勒频移为：为：水平速度水平速度：cos2TxdIf
3、Cvfcos2TxdIIfCvfcos4TxdIIdIdfCvfffcos4TdxfCfv 1/17/20238詹纳斯（詹纳斯（Janus）配置）配置 1/17/20239cos4Tdxfcfv 1/17/202310TTTTrdfxxffxxfff12111cos22TxTdxfCvxfffT发射频率发射频率fr接收频率接收频率fd多普勒频移多普勒频移Cvxxxxxxfffffxdddddcos122121111/17/202311詹纳斯配置詹纳斯配置Trfxxf111Trfxxf112Trrdfxxfff221114cos44TxTdfCvfxf22221cos14414Cvxxxxxxf
4、fxddCvxffxddcos11/17/2023121/17/202313在有摇摆和上下起伏时在有摇摆和上下起伏时)sin(2)cos(C2v)cos(2)cos(2xITzTTzTxdfCvffCvfCvf)sin(2)cos(2 )cos(2)cos(2IITzTxTzTxdfCvfCvfCvfCvf sincoscosC4 xzTxdIIdIdvvfvfff sincos22coscos22 )sin()sin(2)cos()cos(2 IIITzTxTzTxdddfCvfCvfCvfCvfff1/17/202314cos4TxdrfCvf1sincosxzdrdrddrdvvffff
5、f sincoscosC4 xzTxdIIdIdvvfvfffcoscos4TdxffCv浅水使用时浅水使用时收发期间只收发期间只需测量一次需测量一次姿态角姿态角00/drdff1/17/2023151/17/202316cos4Tdxfcfv cos/c常数.coscos2211ccc/cos相相控控阵阵导流导流罩充罩充油，油，恒温恒温1/17/2023171/17/202318sin2TxdfCvfdB321cos22TxTdfcvxfftanddffM1问题：问题：1）波束宽了不好，）波束宽了不好，窄了可以吗？窄了可以吗？2 2）小点好吗？小点好吗？1/17/202319dB321cos
6、22TxTdfcvxff1/17/2023201/17/202321dTffNTTfTNfTdTTNfddd2xTdvCffdcos2dcos2Txdxfcvf1/17/202322xTvCNfTTdcos2d2TdTfNffNTxTxTTvcfNvcNffNTdcos2dcos2d2dTNcfdvTxcos2xTvCNfTxdcos2)/1(d12221xxxxvCNdcos221/17/202323003.01.015005.022Nxs/m1.0dxv0188.02003.0dBNS5.340188.01log20/1/17/2023241/17/202325cossinsincosyx
7、yyxxvvvvvvcos4cos413IIIITdTddxfCffffCvcos4cos442IIIVTdTddyfCffffCv由多普勒测速仪可以得到的速度值为由多普勒测速仪可以得到的速度值为1/17/202326cossinsincosyxyyxxvvvvvvyyxxyxyxvvvvvvvvarctan1/17/202327cossinsincosyxyyxxvvvvvvyyxxyxyxvvvvvvvvarctancossincos4sincossincoscos4sincos42134213ddTxyyddTyxxfffCvvvfffCvvv对于水平波束对于水平波束X形配置，有形配置，
8、有 4/42134213cos8222cos8222ddTyxyddTyxxfffCvvvfffCvvv1/17/2023281/17/202329只要保证补偿相移不随声速变化而只要保证补偿相移不随声速变化而变即可。变即可。cos2sin2TdTdxfcffcfv常数cosc问题是如何问题是如何保证常数保证常数1/17/202330cos2cdfTTTfKdfc12cosKvcosfcvfxTxd22只要保持只要保持不变不变dK21/17/202331dfffffcfcfvrrTrrTdx2cos4)(cos42121注意：注意：固定固定随随c c改变。改变。cos2cdfT1/17/2023
9、321/17/202333 sinsinsinsin2sin2sindNdNNNRsin2 dsindl clt cf sin2222dlctctf1/17/2023341,.2,1 ,2NkkNNdksin sinsinsinsin2sin2sindNdNNNR11/17/202335 sinsinsinsin2sin2sindNdNNNR1,.2,1 ,22NkkNNdNdk2sin1/17/202336 sinsinsinsin2sin2sindNdNNNR,.2,1,2kkdksin1/17/202337 2sin2sinNNRD2sinDDk2sinsin2 d1/17/202338
10、)(2R)(1R)()()(21RRR1/17/202339第三级有第三级有4个子阵，每个子阵是个子阵，每个子阵是N/4元阵，各阵元之元阵，各阵元之间用导线连接。阵元间距间用导线连接。阵元间距 D34d，阵长，阵长L3=L总总-3d第二级有第二级有2个子阵，每个由个子阵，每个由2个阵元组成，阵元间距个阵元组成，阵元间距D2 2d第一级由第一级由2个阵元组成，阵元间距个阵元组成，阵元间距D1 d子阵子阵 1 2 3 41/17/202340 1RdD22sin1dD42sin2dD4sin3 321RRRR 2R 3R sinsinsinsin2sin2sindNdNNNRNdksin零点位置为
11、D1 dD2 2dD34d,dksin栅瓣的位置为1/17/202341 321RRRRdD4sin3dD22sin1dD42sin21/17/2023421/17/202343 321RRRRdD4sin3dD22sin1dD42sin21/17/202344dD22sin1dD42sin2dD4sin3 321RRRR1/17/2023450sin)4/(sindddD422sin222 对第二级的两个子阵进行相控，子阵间距为对第二级的两个子阵进行相控，子阵间距为2d。主极大应从。主极大应从控制到位置控制到位置 ，子阵，子阵3、子阵、子阵4需补偿的相移为需补偿的相移为 第三级第三级第二级第
12、二级第一级第一级阵元阵元 1 2 2sin2sinNNRD2sin相位补偿后主极大相位补偿后主极大方向移到方向移到 1/17/2023461/17/202347 321RRRRdD4sin3dD22sin1dD42sin21/17/202348 321RRRRdD4sin3dD22sin1dD42sin21/17/202349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）1/17/2023500sin)4/(sindddD422sin222对第二级的两个子阵进行相控，子阵间距为对第二级的两个子阵进行相控，子阵间距为2d。主极大应从。主极大应从控制到位置控制到位置 ，子
13、阵，子阵3、子阵、子阵4需补偿的相移为需补偿的相移为 将第一级二元阵的主极大值方向控制到将第一级二元阵的主极大值方向控制到 的位置，的位置，阵元阵元2（由子阵（由子阵2和子阵和子阵4构成）构成）需补偿的相移为需补偿的相移为 sin/()4d242sin211ddD第三级第三级第二级第二级第一级第一级子阵子阵 1 2 3 4阵元阵元 1 2右波束右波束1/17/202351第三级第三级第二级第二级第一级第一级阵元阵元 1 2子阵子阵 1 2 3 4对应于右发射波束1/17/2023521/17/2023531/17/2023541/17/2023551/17/2023561/17/202357
14、H tTtm2sin)(tTTtttm2cos2ddcos2CHtP H -1/17/2023582cos222CHTtTmPmmCTH8cos 2cos22sin2sinCHTtTtmPmP mCTH2sin4cos1在上述条件下在上述条件下H1600m1600mH1700m1700m1/17/202359jmj ttT2sinrjmrjtT2sin2rjjtreNNN 1/17/202360IrIIrHBCCBAIrIIrHBCCAB 假定载体速度不大，在收发时间内可认为水平移动距离与海深相假定载体速度不大，在收发时间内可认为水平移动距离与海深相比甚小。因此，可在同一测量点分析载体摇摆时的
15、信号传播时间。比甚小。因此，可在同一测量点分析载体摇摆时的信号传播时间。当载体速度较大时，还应考虑由此引起的波束不能接触的问题。当载体速度较大时，还应考虑由此引起的波束不能接触的问题。1/17/202361IrIIrHBCCBAIrIIrHBCCABBCCBACACABC和和ABC相似相似tanctgcoscos/HHrHrII号波束、号波束、II号波束号波束到海底的斜距为到海底的斜距为sintancosHrIsintancosHrII当载体有摇摆角当载体有摇摆角时时)sin(tan)cos(HrI)sin(tan)cos(HrII思路：只要知道距离差便可知思路：只要知道距离差便可知道两个波束
16、的回波时间差。道两个波束的回波时间差。1/17/202362rmTT2max)sin(tan)cos()sin(tan)cos(sintancos maxmaxmaxmaxIIIIrrrr)sin(tan)cos()sin(tan)cos(sintancos maxmaxmaxmaxIIIIIIIIrrrrIIIIIIrrCt2,1/17/202363coscos4TdxffCvdIIdIdfff利用利用5.3节节学过学过的内的内容容)cos(2TxdIfcvf)cos(2TxdIIfcvf用两个波束频率之差和频率之和两者来用两个波束频率之差和频率之和两者来计算速度，以得到更高的速度精度计算速
17、度，以得到更高的速度精度。1/17/202364)cos(cos4TxdIIdIfCvff)sin(sin4TxdIIdIfCvff)cos(cos14TdIIdIxfffCv)sin(sin14TdIIdIxfffCv)(sin)(22convvxx)sin(sin)cos(cos4dIIdIdIIdITfffffC 用两个波束的用两个波束的频率之差和频率之频率之差和频率之和两者来计算速度，和两者来计算速度，可以得到更高的速可以得到更高的速度精度。度精度。1/17/202365)tan(tandIIdIdIIdIffffdIIdIdIIdIdIIdIdIIdIffffffff11tan1)(
18、tan)tan(aa11tan1)tan(dIIdIffa 注意到前向波束和后向波束总是一个正的频移，注意到前向波束和后向波束总是一个正的频移，一个负的频移，即一个负的频移，即fdI与与fdII总是反号总是反号，记，记可以利用多普可以利用多普勒计程仪本身勒计程仪本身测出的的两个测出的的两个多普勒频率来多普勒频率来计算摇摆角，计算摇摆角，并由此进行速并由此进行速度修正。度修正。)cos(cos4TxdIIdIfCvff)sin(sin4TxdIIdIfCvff1/17/2023661/17/2023670MTNT MNff0规定的规定的 f0一般需为几一般需为几MHz几十几十MHz 1/17/2
19、02368ssffnAnTfAny002sin)2sin()(被测频率 采样频率 1/17/202369sTnk)()(ntz)1(ntz)(0nnT)(nTeytsTsTn)1()1(nsTn)()(n正弦信号的周期估计值为正弦信号的周期估计值为 seTnnnknT)1()()()(ssiAiBTiTiSS)(1)(iAiBiBiAiBiBSSSSSSi)(频频率率估估计计方方法法tz(n)tz(n-1)1/17/202370)1()()()1()()(0nnnuTntntnTzze)()(0nnTntz)1)()()(10zzzTzTe)exp()/2exp()2exp(00jffjfTj
20、z)1)()()(0jeeffTfT1/17/202371因此估计的周期序列的功率谱为因此估计的周期序列的功率谱为)1)()1)()()1)(1)()()()()(0220*2jjjjeeeefefTfeeffTfTfTfT0222022202sin)(4)(2sin)(4)()(ffffTffTfTe)1)()()(0jeeffTfT01/17/202372022202sin)(4)()(ffffTfTe)(sin4)(2022ffffH1/17/2023731/17/202374ffSffSffd)(d)()0(d)(d210RRjf利用功率谱与相关函数利用功率谱与相关函数的关系，导出平均
21、频率的关系，导出平均频率与相关函数的关系与相关函数的关系d)()(2fjeRfSfefSRfjd)()(2-0-20d)(2d)(2d)(dfffSjffefSjRfj)0()(d)(d)(002-RRfefSffSfj1/17/202375)()()(jeAR)(arg21)(21ssssRf若若000)()(0d)(d)0(d)(d)(d)(dd)(d)(d)(djRjRAejeARjj为的偶函数为的奇函数偶函数的偶函数的导数为导数为0)0(d)(d210RRjf0d)(d21fssss)()0()(d)(d0奇函数 01/17/202376nnnnnnjyxsjyxs111由由实部虚部实
22、部虚部NnnnNnsssssNnsnsNR1111)()1(1)()(arg21)(21ssssRfNnnnnnNnnnnnsyyxxyxyxf1111111tan211/17/202377tfftsd)(2cos)(0)2cos(0tf)2sin(0tf低通滤波低通滤波)2cos(tfd)2sin(tfd1/17/202378NnnnnnNnnnnnsyyxxyxyxf1111111tan21)()(nnnnnnnjNyNxjyxNsz)()(1111111nnnnnnnjNyNxjyxNszNnNyNyNxNxnnnnNnNyNxNxNynnnnsRRyyxxRRyxyxf1,111,111tan21NnnnNxNyNxNyR11,NnnnNyNyNyNyR11,NnNxNxnnnnNnNxNynnnnsRyyxxRyxyxf1,111,11122tan21NnnnNyNxNyNxR11,NnnnNxNxNxNxR11,
