GPS声纳定位实验.doc

GPS声纳定位实验一、实验目的1、利用时差法测量声速和距离2、了解声纳原理，用超声波定位目标二、实验仪器GPS水下超声定位仪一套三、实验原理对一物体进行定位（假设在同一水平面上）需要两个坐标，以极坐标系为例，需要知道物体离参考点的距离和角度。本实验装置中（如下图），可以通过超声波确定,结合角度就能对物体进行定位。超声波直接测出的是，r的实验测量值可以由下列公式计算：同时，r的真实值还可以由标尺直接读出，记为r。物体的角度实验测量值可以由下列公式计算：同时，的真实值还可以由标尺直接读出，记为。超声波速度由以下经验公式求出：,T为水的温度而,。四、实验内容与结果分析1) 定标，求传感器到圆柱体容器中心的长度P测得实验室温度，利用公式计算当下温度下声波在水中器中的传播速度。用仪器中所带的铜块挂在圆柱体容器中心下的螺钉上，测量时间，计算长度P。测得水温,求得计算得出v=1383.8m/s，测得计算得出P=12.59cm。2) 运动轨迹追踪确定被测物的运动轨迹、起点与终点坐标，将被测物每放一个位置测量一次时间和角度。再根据公式求得。a. 被测物作直线运动调整，改变，实验测得一组超声波到达被测物需要的时间，而，由计算得出一组，结果如下：表1 直线运动测量结果编号12345678 (us)123129136142149156162170(cm)4567891011(cm)4.435.266.237.068.038.999.8210.93-10.70-5.17-3.78-0.82-0.320.061.750.62(cm)-0.43-0.26-0.23-0.06-0.030.010.180.07绘出实验与理论所得的运动轨迹如下：图1 被测物进行直线运动的运动轨迹结果讨论从表1看出，测量值与实际值的绝对误差比较小，最大的误差也只有4mm，从图1也可以看出运动轨迹的真实值与理论值比较吻合。对于相对误差而言，绝大部分的测量值与实际值的相对误差较小，但被测物靠近超声波发射装置（即较小）时，相对误差比较大。下面对此进行分析，由于r=vt，对该式进行微分得到：dr=tdv+vdt=tdv+v/f，f为计时电路的计时频率，这表明r的误差来自两方面，一是声速误差在时间上的积累tdv，二是计时频率f，而相对误差dr/r=dr/(vt)=v/dv+1/tf，第二项表明相对误差随着时间t的增加而不断减小。而被测物靠近发射装置时，时间t较小，所以相对误差较大。另外，绝对误差除了上述两个误差来源外，还与被测物的尺寸有关。b. 被测物沿圆周运动固定不变，改变，实验测得一组超声波到达被测物需要的时间及其相应的，而，由计算得出一组，结果如下：表2 圆周运动测量结果编号12345678 (us)163162159156152145138130010151823263034(cm)1010101010101010(cm)9.969.989.949.8510.019.629.549.48-0.37-0.19-0.64-1.490.06-3.75-4.62-5.23(cm)-0.04-0.02-0.06-0.150.01-0.38-0.46-0.520102030405060700.013.625.032.043.251.361.471.6Inf35.7824.976.717.972.702.272.330.00 3.58 4.99 2.01 3.19 1.35 1.36 1.63 绘出实验与理论所得的运动轨迹如下：图2 被测物进行圆周运动的运动轨迹结果讨论在被测物直线移动过程中，随着的减小能器的距离也相应减小，角度步长的增大，由于被测物体的直径大，以及换能器的检测具有一定的范围，导致换能器不一定正视被检测物体，又为超声速速度过快，使得当被测物体与换能器的距离越来越小时，i的误差也越来越大。在被测物作圆周移动过程中，随着向两边增大与换能器的距离逐渐减小，因为相对取的ri较大，一定程度上减小了实验误差，因此所测得的数据以及数据处理结果都相对比较接近理论值。在实验过程中，由于人为的调整换能器角度，使得产生较大的