[发明专利]一种声学非底跟踪测量载体对底速度的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及声学测速方法，具体地说，涉及一种声学非底跟踪测量载体对底速度的方法和系统。

背景技术

载体对底速度作为船舶导航和海洋大面积流场观测等的重要参数之一，对船舶的海上航行、军事活动以及海洋科学研究等都是不可或缺的，特别对水下载体的航行和活动尤其重要。基于声学原理的测速技术，以其有能力测量载体对底速度和具有较高的测量精度，成为目前最有效的测速技术之一。

现有的声学测速技术主要应用声相关、多普勒效应等原理采用底跟踪方式测量载体对底速度，如：

(1)S.E.Bradley等人的美国专利5315562“Correlation Sonar System”中介绍了相关声纳，可用于测量剖面流速和载体对底速度。该发明的一个主要内容是：采用匹配滤波器的方法检测海底回波。

(2)朱维庆等人的中国专利03119665.9“相关测速声纳测量载体对底速度的方法及其系统”中介绍了该方法的一个主要步骤是：对底介质回波信号进行解调滤波，并计算底介质时空相关函数矩阵。

(3)朱维庆等人的中国专利200310115153.2“一种相关测速声纳测量载体对底速度的方法和系统”中介绍了该方法的2个主要步骤是：

①判断检测回波信号中是否包含底介质回波信号，如未包含则返回第一步重新开始。

②对底介质回波信号进行解调滤波，并根据底介质回波信号数据计算底介质时空相关函数矩阵。

(4)H.I.Kobe等人的美国专利5224075“Apparatus For Measuring The Velocity Of A Moving Body”中介绍了测量移动物体速度的装置，该装置根据检测到的水和底的回波信号，通过相位差以及多普勒频偏两种方法得到载体和流体的对底速度。

上述各种方法在测量载体对底速度时，都需向水中发射声波信号直到水底，并要检测到底回波信号，通过对底回波信号的处理和计算得到载体对底的速度。因此，上述各种不同原理的测量方法的工作性质同属底跟踪测量方式。声学底跟踪方式在测量载体对底速度时，存在明显的不足：

(1)底跟踪测速必须要检测到底回波信号，在深度不断变化的海洋中声波信号的作用距离随海水深度的增加而增大。由于海水吸收、衰减等因素严重影响声波的作用距离，在其作用距离较大时可使底回波信号强度变的非常微弱，导致底回波信号检测质量下降，致使测速精度降低。

(2)在深海，当声波的作用距离受海水吸收、衰减等因素的影响严重到接收器检测不到底回波信号时，底跟踪测速法不能测量载体的对底速度。在目前的换能器及基阵技术、测量原理、信号处理等现有技术条件下，能使底跟踪测速距离达到数千米。然而海洋的最大深度超过万米，因此声学底跟踪测速法无法实现在任意海深测量载体的对底速度。

(3)降低信号工作频率虽然可以提高声波作用的距离，但工作频率的降低将导致换能器体积和重量的增大，同时导致测量精度的下降。

(4)虽然在相同频率下声相关测速与多普勒效应测速相比换能器体积较小，但其声基阵需用较多数量的换能器基元，体积重量仍然较大。测量系统体积和重量大，不仅功耗增加、费用昂贵以及安装不便，而且影响载体的航行，不适于在水面和水下小型载体上使用。

发明内容

本发明的目的之一是解决声学底跟踪方式测量载体对底速度时声波作用距离对测速的影响问题，通过在水平面内将测量系统坐标系的测量结果转换到底坐标系的变换方法得到载体对底的速度，实现在任意海深用声学方法测量载体对底速度；本发明的另一个目的是解决声学底跟踪方式测量载体对底速度时因测量系统体积重量大、功耗和费用高、不适于在小型载体上安装使用的问题，通过提高信号频率、减小测量系统的体积重量、降低功耗和费用，使其适于水面和水下任何载体上使用。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种声学非底跟踪测量载体对底速度的方法。包括以下步骤：

①将测量系统固定在载体上，使测量系统的移动速度与载体的速度相同；

②按确定的位置布放换能器基阵，换能器基阵由两个在水平面内相对放置的收发共用换能器h₁和h₂组成，两个换能器中心之间连线方向与载体的移动方向垂直；

③选择声波信号频率和波形，使信号频率不小于1MHz，脉冲前沿上升时间最短；

④根据步骤③所选信号，以换能器h₁作为发射换能器对准换能器h₂方向发射声脉冲到流体介质中；