（水声工程专业论文）声相关计程仪测速技术研究.pdf

，哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 、。 作者( 签字) ：例 f 日期：矽，口年弓月y 瑁 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 留在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：二b 律 日期：矽，。年弓月瑁 导师( 签字) ：蠢孑目 加，戽3 月2 日 一 哈尔滨下程大学硕十学何论文 - | _ _ i 薯暑宣葺- 鼍- i 暑暑i _ 叠置昌i 一i i 暑暑暑薯置宣i - i 宣i i 昌暑_ _ 暑_ 曩置置置_ _ _ 暑鼍暑置_ 摘要 声相关计程仪是基于“波形不变性”的一种测量船舶速度的设备，适合 应用于远洋船舶、潜艇及自主水下运载器。与声多普勒计程仪相比，相关计 程仪可以用更低的工作频率，垂直发射的宽波束以及较小的换能器尺寸保证 更远的作用距离。因此它的研究对维护我国的海洋权益，科学开发海岛、利 用海洋资源具有重大意义。 本文首先细致讨论了声相关计程仪的基本工作原理一波形不变原理 及其适用范围，着重分析了海底深度、接收器间距、船速及发射波束角对波 形相似程度的影响。围绕声纳方程，论证了相关计程仪设计时应考虑的一些 问题，如频率的选取，换能器间距等，讨论了多种发射信号的选择。从而为 海底回波仿真的参数选择提供了理论依据。 然后根据相关计程仪的测速特点，研究了一维、二维基阵的设计方法， 在借鉴雷达虚拟阵元概念的基础上，给出了冗余因子、引入虚元、给出虚元 位置重合度等概念，进而实现了应用于声相关测速需求的二维基阵的快速设 计方法。 以网格法建立的海底回波模型为基础，分别对时间、空间相关测速法进 行了理论分析和仿真研究，并讨论了三次样条插值和多项式插值对空间相关 函数的插值效果，给出了多种阵型的测速统计结果，测速精度较高。 了理论分析和仿真研究，推导了海底回波的 海底回波数据的相关矩阵，采用最大似然法 论文引入单纯形算法实现了似然函数最优参 能陷入局部最优，论文又采用模拟退火算法 结果进行了对比分析，证明了其有效性。 ；虚拟阵元；时空相关矩阵；最优化处理 一 。 。一； ，l l 一 ，h _ 毒 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ep r i n c i p l eo f w a v e f o r mi n v a r i a n c ep r i n c i p l e ”i su s e df o rt h e v e l o c i t y m e a s u r e m e ma m o n ga c o u s t i cc o r r e l a t i o nl o g ( a c l ) ，w h i c hi ss u i t a b l et ob e e q u i p p e do ns u b m a r i n e sa n da u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e s ( a u v ) t h ea c l h a ss t r i k i n ga d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t ht h ea c o u s t i cd o p p l e rl o g ( a d l ) i tc a n w o r kw i t has i n g l eb e a mp o i n t i n gd i r e c t l yd o w na tt h es e ab e da n dt h er e t u r n s i g n a l i sm u c hl a r g e rt h a nf r o mt h ea d lb e c a u s eo ft h en o r m a li n c i d e n c e f u r t h e r m o r et h eb e a mc a nb ef a i r l yb r o a da n d f o rt h es a m es i z eo ft r a n s m i t t r a n s d u c e r , t h i se n a b l e st h eu s eo fl o w e ra c o u s t i cf r e q u e n c i e sf o rw h i c ht h e a t t e n u a t i o ni sl e s s t h ea c lh a st h ep o t e n t i a lt h e r e f o r ef o ro p e r a t i n go nt h es e a b e de c h o e sa tm u c hg r e a t e rd e p t h st h a ni sp o s s i b l ew i t ht h ea d l t h ed e s i g na n d u t i l i z a t i o no fa c lb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tb o t hf o rt h ed e f e n s eo ft h e n a t i o n a lo c e a ne q u i t ya n df o rt h es c i e n t i f i cr e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o no fi s l a n d s a n do c e a nr e s o u r c e i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fa c la n di t sa p p l y i n ga r e a , i s p r e s e n t e di n d e t a i l t h ec o r r e l a t i o np r o p e r t i e so fs e a f l o o rr e v e r b e r a t i o ns i g n a l sb e t w e e n d i f f e r e n th y d r o p h o n e so nr e c e i v i n ga r r a y sa r ed i s c u s s e dw h i c hi sd e t e r m i n e db y t h eo c e a n i cd e p t ha n dl a u n c h i n ga n k l e s o m ep r o b l e m s 。s u c ha st h ec h o i c eo f f r e q u e n c ya n dd i s t a n c eb e t w e e nt r a n s d u c e r s ，a r ed i s c u s s e da c c o r d i n gt os o n a r l-。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 w h i c ht h er e s u l ti sb a s i c a l l yc o n s i s t e n t 、 ，i t ht h es i m u l a t i o n t h e n t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n de m u l a t i o ns t u d yi st a k e no nt h es p a t i a lc o r r e l a t i o na c c o r d i n gt ot h e m o d e l ，d i s c u s s i n gt h eh e r m i t ei n t e r p o l a t i o nf i ta n dc u b i cs p l i n ei n t e r p o l a t i o nf i tt o t h es p a t i a lc o r r e l a t i o nf u n c t i o no ri n t e r p o l a t i o ne f f e c t ，t h es t a t i s t i c a l v e l o c i t y m e a s u r e m e mr e s u l to fb e e l i n ea r r a ya n dp l a n ea r r a yh a v ec o m eo u t ，t h ep r e c i s i o n o fv e l o c i t ym e a s u r e m e mi sp r e f e r a b l e n et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de m u l a t i o ns t u d yi st a k e no nt h et e m p o r a la n dt h e s p a t i a lc o r r e l a t i o na c c o r d i n gt ot h em o d e l ，t h et h e o r yo ft h et e m p o r a l s p a t i a l c o r r e l a t i o ni sd e d u c e di nd e t a i l s ，a n dd a t at h ec o r r e l a t i o nm a t r i xi ss e tu p u s i n g t h em a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o nm e t h o dt oe s t i m a t et h eu n k n o w nv e l o c i t y p a r a m e t e r s n e l d e r - m e a dm e t h o di si n t r o d u c e di nt h ep a p e rt of r e dt h el i k e l i h o o d f u n c t i o nm i n i m i z a t i o n d u et ot h ep o s s i b i l i t yt ob e ti n t ol o c a lo p t i m u m 、析n l n e l d e r - m e a dm e t h o d t h ei m p r o v e dm e t h o di sp u tf o r w a r d 、析t ht h es i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h m s i m u l a t i o np r o v e st h ee f f e c t i v i t yo ft h ei m p r o v e dm e t h o d k e yw o r d s ：a c o u s t i cc o r r e l a t i o nl o g ；w a v e f o r mi n v a r i a n c e ；v i r t u a la r r a y e l e m e n t ；t e m p o r a l - s p a t i a lc o r r e l a t i o nm a t r i x ；o p t i m i z a t i o n - p _ h 卜 - 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景和意义1 1 2 国内外的研究历史和动态”5 1 2 1 国外的研究动态5 1 2 2 国内的研究现状”7 1 2 3 现阶段研究的特点9 1 3 本课题研究的内容l o 第2 章声相关计程仪工作原理及参数设计”1 1 2 1 概j 苤l l 2 2 声相关测速的基本原理1 1 2 2 1 “波形不变原理1 1 2 2 2 接收器信号相关的几何条件1 3 2 - 3 相关测速技术分类1 7 2 3 1 时间相关测速1 7 2 3 2 空间相关测速2 l 2 3 3 基于模型匹配的时空相关测速2 3 2 4 声相关测速参数设计2 3 2 4 1 发射信号的频率2 3 2 4 2 发射波束宽度和接收波束宽度2 4 2 4 3 接收器的间隔2 5 2 4 4 信号形式分析2 6 2 4 5 相关计程仪需要的信号噪声比2 8 2 5 本章小结3 0 第3 章声相关计程仪的接收基阵设计3 l 3 1 基阵设计背景和方法3l 3 2 虚拟阵元3 2 3 3 基阵设计准则3 3 t _ _ l _ _ 哈尔滨t 程大学硕七学何论文 3 3 1 最小冗余3 3 3 3 2 理想虚拟阵元位置图模型3 3 3 4 仿真设计3 5 3 5 本章小结3 8 第4 章声相关测速仿真与数据分析3 9 4 1 引言3 9 4 2 相关和相关运算3 9 4 3 海底回波理论模型的建立4 1 4 3 1 海底回波模型简介4 1 4 3 2 海底回波表达式推导4 3 4 3 3 海底回波信号的构造4 6 4 4 仿真及结果分析4 6 4 4 1 一维时间相关仿真4 6 4 4 2 一维空间相关仿真51 4 4 3 二维时间相关测速仿真“5 8 4 4 4 二维空间相关测速仿真6 0 4 5 本章小结6 2 第5 章声相关测速技术的深入研究6 3 5 1 概j 丕“6 3 5 2 时空相关矩阵的推导6 3 5 3 相关测速信号处理方法6 4 5 3 1 最大似然估计6 5 5 3 2 非线性最d , - 乘估计6 7 5 4 单纯形替换算法6 7 5 5 模拟退火算法7 1 5 5 1 算法原理7 1 5 5 2 算法步骤7 2 5 6 仿真分析7 3 5 7 本章小结7 6 结论一7 7 _ 、 一o ，可 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 参考文献7 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 3 致谢8 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 在飞速发展的今天，我们对能源的需求量迅速增大。随着陆上资源的日 益枯竭，为满足需要，人类不得不将目光越来越多地转向海洋中蕴藏的丰富 资源。世界各国也开始高度重视起海洋资源的开发和利用。积极地开发海洋 高新技术，提高国家在国际中的竞争力，抢占和开发海洋空间及资源，从海 洋中获得更大的利益己成为众多国家在2 1 世纪的国家新发展战吲口1 。 船舶或潜艇在水面、水下航行，导航系统作为眼睛，对其是极为重要的。 由于无线电导航和卫星导航系统在水下无法使用，因此惯性导航系统( i n e r t i a l n a v i g a t i o ns y s t e m ，i n s ) 和计算定位( d e a d r e c k o n i n g ) 导航系统口“列得到了 广泛的应用。惯性导航设备能够连续提供定位和姿态等多种导航信息，且具 有良好的隐蔽性，适合于工作在各种条件下。但是，其工作误差随着时间累 积，因此不能单独长时间的工作，必须不断地加以校准。近年来，作为i n s 系统的备用系统，计算定位导航系统日益受到重视。计算定位的关键在于综 合计程仪所测量的船体纵向、横向速度和由航向基准仪提供的方向，因此， 时间、速度、加速度是计算定位导航系统的重要工作参数。为了减少计算定 位导航系统的解算误差，人们一直在设法提高船速和时间的测量精度。 船用计程仪是用来测定船舶航行速度和累计船舶航程的一种导航仪器。 精确地测量船舶航行速度及航程，对船舶驾驶极为重要，在船舶导航定位中， 只要有陀螺罗经或磁罗经提供船舶航向和计程仪提供航程，就可求得船舶的 推算船位。此外，现代的导航系统及设备，如雷达、a r p a 和自动综合导航 仪等均需要输入船舶的速度信息才能进行工作。在大型或超大型船舶系靠码 头的操纵中，还需要计程仪提供相对码头的纵向和横向速度，以确保船舶安 全地靠泊码头。因此，计程仪是现代船舶必不可少的重要的航海仪器之一脚h 。 船用计程仪可分为两类：相对计程仪和绝对计程仪p 1 。属于相对计程仪 的有：拖拽式、转轮式、水压式和电磁式等计程仪，它们只能测量船舶相对 水的速度并累计其航程；属于绝对计程仪的有多普勒计程仪和声相关计程仪。 哈尔滨j r 程大学硕十学位论文 它们在一定的跟踪深度范围内，能够测量船舶相对海底的速度并累计其航程， 但是，当水深超过其跟踪深度范围，便转换为跟踪水层的相对计程仪。 早期，人们使用一种原始的方法，称为“流木测速法 来测量船速。将 一木片在船头抛入水中，同时记录木片漂过船身所花的时间，显然在已知船 身长度的条件下，用长度除以木片漂过的时间即是船航行速度。计程仪的英 文名称“l o g 也由此而来。拖拽式计程仪是最早应用在船上的一种简易计 程仪，其工作原理是应用回转子在水流推动下旋转的圈数来累计船舶的航程。 这种计程仪受外界干扰大、精度低，但其结构简单而可靠，所以目前船舶上 仍作为一种备用的仪器。后来又出现了转轮式计程仪，其工作原理与拖拽式 基本相同。 第二次世界大战后，应用流体力学伯努利定理制成了水压式计程仪。其 工作原理是利用船舶航行时的水动压力与航速平方成正比的关系进行测速， 然后经过机械积分装置求得航程。典型的产品是s a l 型船用计程仪仁m 。 2 0 世纪6 0 年代，电磁计程仪问世，它是根据电磁感应原理并借助电子 电路来测定航速并累计航程的。电磁计程仪的测速线性好、测量速度范围大， 且可以测量船舶的后退速度，精度较高，使用方便。其产品型号较多，如国 产c d j 型，日本e m l 型，法国b e n 型等p h 丌。 上面的三种计程仪尽管在当时获得了应用，推动了海上航运和海上军备 的发展，但都有其自身无法克服的缺点。首先，它们都是测量船只相对于海 水速度。因此，受海流、风浪及船体本身航行引起水运动的影响较大。其次， 它们都不能测量船只的横向速度，而且当所测速度低于1 节时，测量精度就 大大降低。随着航运事业的不断发展，船舶尺寸和吨位不断增大，给船舶进 出港、停靠码头和锚泊等带来一定的困难。因而，在7 0 年代出现了多普勒计 程仪和声相关计程仪。 多普勒计程仪( a c o u s t i cd o p p l e rl o g ，a d l ) 是根据声波在水中的多普 勒效应原理制成的一种精密测速和计算导航的仪器。根据多普勒效应，当声 源与反射体之间存在相对运动时，接收器所接收到的信号频率与声源发射频 率相比将发生变化，即若彼此相互靠近，接收频率就会升高；彼此相互远离， 接收频率就会降低，由此产生频率的变化，称为多普勒频移。在广泛应用的 詹纳斯( j a n u s ) 系统“1 6 1 中，多普勒频移大小跟舰船的航速成正比即 2 哈尔滨工程大学硕十学何论文 f o = ( 4 f o c o s t c ) v ( 2 波束) ，式中：厶为多普勒频移，五为发射器的发射 频率，口为发射信号的掠射角，1 ，是航速，c 是声速。因此，测得了多普勒频 移值就可以得到舰船的航行速度。应用多普勒方式测速具有以下特点：可以 测得船只的纵向、横向甚至垂直速度；还能测量浅水( 0 3 0 5 米) 和低速 ( 0 0 1 节) 状态时的船速；当水深超过海底跟踪深度时，可测量相对于某一 水层的航速：根据需要，还可同时测得水深。美国u ”从6 0 年代初期开始研制 多普勒计程仪，1 9 6 6 年装民船；法国1 9 7 0 年开始研制，1 9 7 2 年生产出第一 批产品；德国列虽稍后，但发展很快，并形成了d o l o g 系列，现在已出现了 不少著名公司如k r u p p ，a t l a s ，t h o m s o n ，s i m r a d ，m a g n a v o x ，e d ow e s t e r m 等生产的产品。多普勒计程仪在民用方面已有广泛的应用，近年来正陆续推 广到军用方面。其工作频率一般在1 0 0 千赫到l 兆赫之间，发射波束宽度为 3 。 - - 5 。，发射倾角为3 0 。- - - 6 0 。，作用水深一般能达到3 0 0 米，很明显， 这一作用距离有时是很不够的。为了能达到更深的测速深度，常规的方法是 降低发射频率，增大发射功率和基阵，但是从成本上看，这又太不合算，而 且在军事上还容易暴露目标，增加了不安全性；为了能测横向和纵向速度， 不得不使用多个换能器，所有这些都限制了它的应用。 声相关计程仪p m ( a c o u s t i cc o r r e l a t i o nl o g ，a c l ) 是采用相关技术进 行实时计算而获得舰船航速和航程的导航仪器。它发射信号，接收散射回波， 由于速度等参量就包含在回波信号中，所以对回波信号作相关处理就有可能 获取所要求的参量。它有以下两个特点：一是声波垂直发射直接指向海底， 并以宽波束工作；二是测速精度与声速无关。与多普勒计程仪相比，其优点 如下b “卅：工作频率低，因而声传播的损失小，其接收回波信号强；发射声波 的波束宽，因而能在很大程度上克服船的横摇、纵摇以及起伏所带来的影响， 同时还能减小换能器的尺寸；声波垂直向下发射，能够得到更强的海底回波； 船速及流速测量与声速无关，这样就去掉了多普勒技术中的一些测量声速的 措施，使得换能器结构简单化。由于具有多项独特之处，声相关计程仪的应 用前景非常广泛：军事上能够为常规潜艇、核潜艇或自主式水下运载器 ( a u v ) 等提供精确的对地三维速度，提高导航系统和武备系统的性能，大 大改善实战性；民用方面同样适合于一般的水面舰船，特别是远洋深海的条 件下，性能更加突出。 哈尔滨1 二程大学硕十学位论文 鼻葺置皇覃i | 蕾暑i 膏in l 萱_ 图1 1 p 1 所示各种船用计程仪之性能和特点比较。表1 1 h 5 q 所示两种声学 计程仪的比较。 电磁计程仪多普勒计程仪声相关计程仪 类别相对计程仪绝对计程仪绝对计程仪 参考坐 标 相对于水层相对于海底或水层相对于海底或水层 应用水流导体切割磁 应用声波的多普勒效 应用相关技术测量回 测速计 力线运动产生感应电应测速，经积分由数波信号的时延求得航 动势的原理测速，通 字显示器显示航程 速，经积分由数字显 程原理 过脉冲计数以数字显示器显示航程 示航程 原理公 t = b l v 1 0 矗 z x f ：2 f o r c o s 目 d f = 一 式 ( 单波束) c 2y 测速门 限 o o l o 1 k no 0 1 k n 0 1 k n 测运羊酋 度 1 2 0 2 k n0 2 o 5 0 1k n0 2 0 1 k n 线性好，精度高，可 线性好，精度高，可 精度高，测量精度与 测纵向前进和后退速 测纵向和横向速度， 声速变化无关，在跟 特点 度，结构简单，使用 在跟踪深度范围内， 踪深度范围内，可提 方便 可提供绝对速度，否 供绝对速度，否则提 则提供相对速度 供相对速度，可兼做 测深仪 图1 1 船用计程仪性能和特点的比较 表1 1 多普勒计程仪与声相关计程仪的比较 系统参数声相关计程仪多普勒计程仪 速度信息源 时间空间域 方向频率域 信号带宽 宽带 窄带 发射器接收器波束宽波束窄波束 发射口径小大 接收阵尺寸取决于最大速度大 声传播方向与速度矢量垂直与速度矢量平行 散射表面方向性与速度矢量平行与速度矢量垂直 我国海军的远洋发展战略，迫切需要深水远程导航设备，为充分发挥潜 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 皇皇暑叠i i e 宣宣i i i _ i i i i 萱置宣暑i 一 艇水下隐蔽作战的特点，且需要远洋深水条件的海流信息，才能保证潜艇在 水下进行长期安全地航行。海军希望国内能尽快开始大深度a c l 样机的研 制，并与有关声纳工厂和潜艇设计、制造单位合作，研制出令其满意的a c l 。 此外，国土资源部和各科研院所都有一定数量的远洋综合考察船，希望安装 能测量深水流场的声学设备，声相关计程仪( a c l ) 技术是最好的近、远海 声学测速技术，这是因为作用距离3 0 0 0 米时，a c l 的声学基阵为o 4 米左右， 比声多普勒计程仪小得多；a c l 的波束角宽为3 0 。 - 4 0 。，艇的摇摆对它的 影响小；a c l 的换能器阵是平面阵，适宜安装；a c l 水平测速精度与声速无 关，环境对它影响小。由于上述优点，a c l 是性能良好的新型潜艇高精度导 航系统小型化技术，它用小型换能器阵实现了精确的测速技术。 1 2 国内外的研究历史和动态 在第一次世界大战，出现了回声定位声纳。第二次世界大战中，水声技 术有较大发展，改进了声纳设备，出现了声制导鱼雷和音响水雷。5 0 年代以 后，潜艇活动能力的增强与核潜艇的出现，水声物理研究和信息论研究的进 展以及无线电电子学、计算机科学和换能器技术、信号处理技术进步，对水 声技术的发展有很大促进。 1 2 1 国外的研究动态 上个世纪5 0 年代初开始将相关测速技术应用在雷达导航中州u “射，主要是 美国的通用电气公司和海军航空兵发展中心合作研究用该技术来测量飞机的 飞行速度瞄叫。而真正研制出声相关计程仪并首先作为商品出售的，是瑞典的 扎纳( j u n g n e r ) 公司。它是第四代计程仪，自装船应用以来，引起了广泛的 注意。随后美国将用于测量飞机速度的相关系统，也进一步发展到以q u o v a d i s 作商标的船用声相关计程仪( a c l ) 。在理论研究方面，许多人做出了 极为重要的贡献。d e n b i g h 嘲2 1 习的文章主要介绍了a c l 工作原理及其存在的 缺点，在此基础上，深入全面地阐述了a c l 的概念，满足其工作的远场条件、 发射信号的频率、阵元间距及换能器尺寸等参数之间的关系。b r a d l e y t l 0 2 1 1 忙3 1 1 4 0 在其文章中详细介绍了美国r d i 公司研制的声相关海流剖面仪，其中包括： 七个发射阵元和八个接收阵元构成的基阵形式；采用伪随机序列形成“双相 哈尔滨下释大学硕十学位论文 关峰”特性的编码形式；具有不同物理意义的三种理论相关函数形式；用单 纯性算法实现参数估计等内容，该文章可作为a c l 理论研究和工程实践的重 要参考。y v e sd o i s y 习的贡献在于利用海底混响回波信号表达式，推导出由采 样函数和零阶贝塞尔函数构成的不同阵元间的时空相关函数的简洁表达式， 虽然海底散射等物理信息并不明确，但通过该文献可以容易地得到满足“波 形不变原理时的脉冲发射间隔和接收阵元位置之间的时空相关关系，为采 用平面换能器基阵实现舰船三维测速提供了理论基础。在基阵设计方面， y i n g b oh u a 1 6 1 研究了利用均匀线阵构成的“l 阵，并通过计算克拉美罗界证 明“l 阵比传统的简单2 d 基阵，如十字交叉阵、方阵、角阵等的克拉美 罗界要小，说明其测速精度要高；r o b i n s o n 1 7 “埽1 在专利中详细介绍了由五基 元构成的非均匀线阵的结构及产生的位置矢量，并利用该五基元非均匀线阵 形成5 5 的二维基阵用于二维测速，上述学者的工作为寻找适合a c l 工作 的换能器基阵设计指明了方向。 国外从2 0 世纪7 0 年代末期开始的a c l 理论研究，到9 0 年代末，已经 陆续有了一些商品化的产品。瑞典的扎纳( j u n g n e r ) 公司p 删一卅从1 9 7 2 年开 始研制，1 9 7 4 年发表了专利，1 9 7 6 年首先研制了商品型号为s a l a c c o r 的时 间相关计程仪，并实船安装使用，同时实现了船舶测速、累计航程测量和兼 作测深仪的功能。8 0 年代，该公司与c o n c i l i u mm a r i n ea b 公司合作，又相 继推出了几个新产品，不同型号产品的性能见图1 2 h 8 删。 ，如熊安劐产品锋镌 缭浸j 遗：最大l ：仵深嫂2 0 0 米：测建范l 砑：- 8 一+ 4 0 誊：别建懿 s a l a c c o r 溲：士o 1 尊或士l s s l i m c o r 栩对裂：测逸范f 翻：o 一2 5 测缝辅】! l ：士o 1 铬戏士1 i 对、绝对簸存硬：一维测速；鼓人l ：f ，深发3 0 0 米；测建范 鞠： s a l - 8 4 0 一8 + 3 0 强：测逸铬 窆：士o 1 岿戏士1 栩对绝对娥容强：f i t 测连：最久j ：作深t 复3 0 0 等乏：别逮笾嘲： s s l - 8 6 0 级向一8 + 3 0 裕钱i 以0 t 8 嚣：测速铺 窆：士o 1 嚣歧士o 5 s 叠l - 8 6 5 住缆州s t i r 6 0 。8 6 0 为kj | j ，8 6 5 为乍l j 图1 2 札纳公司生产的声相关计程仪 其后美国美乐华( m a g n a v o x ) 公司于1 9 8 3 年合作研制成功m x 8 1 0 型二 维声相关计程仪口卜n ，其工作频率为1 8 千赫，能测出1 9 0 0 米深处对地的绝 6 哈尔溟_ t 稃大学硕十学位论文 对速度；美国e d o 公司研制成功的4 0 2 8 型二维声相关计程仪，最大工作深 度为5 0 0 米；美国r d i 公司2 1 4 1 研制的声相关流速剖面仪( a c c p ) 在底跟 踪测量船速上取得了较好的试验结果，在1 9 9 6 年左右r d i 公司先后生产出 两台大深度a c c p 样机装船试用，工作频率为2 2 千赫，接收机带宽为5 5 千 赫，一台装在美国海军“海豚 号潜艇上，作为潜艇的导航设备，另一台装 在“发现 号船上，在深度为1 0 0 0 米时得到流层剖面和在4 0 0 0 米深处得到 底跟踪速度。 英国的m a ( m a r i n ea c o u s t i c s ) 公司与南安普顿大学合作研制了主要服 务于a u v 系统的名为c o v e l i a 的声相关计程仪【2 1 h 刎，该计程仪采用6 x 6 的均 匀线阵构成二维测速基阵，利用该种基阵结构尽管产生的位置矢量冗余比较 大，但是由于位置矢量在四象限均匀分布，有利于迭代算法的实现，参数估 计采用最小二乘法提供迭代初值的基础上，采用传统的最大似然法实现速度 测量，但由于该算法需要经验模型提供方差等先验信息而使其测速精度难以 得到理想的结果；伯明翰大学和拉夫堡大学都从理论上、系统上、方案上研 究a c l ，公开发表的文献中未见其进一步的研究成果。 1 2 2 国内的研究现状 在国内主要是中科院声学所2 刀。p 、国家海洋技术中心、中重工7 0 7 和 7 2 6 m h 卵以及哈尔滨工程大学p 辄那刀等科研单位对声相关测速系统在理论上 进行了研究。 中国船舶工业总公司第7 0 7 研究所瞵1 从1 9 7 6 年开始研制a c l ，并进行 了误差分析，建立了高占空比的海底跟踪系统，为进一步深入研究打下了良 好的基础。第7 2 6 所m 1 从1 9 8 1 年开始研究a c l ，1 9 8 4 年至1 9 8 7 年研制成 一l 型a c l 。“七五 期间，7 0 7 所与7 2 6 所联合承担了一维a c l 研究课题； “八五 期间，两所联合研究“八五”中国船舶工业总公司预研任务声相 关二维测速技术，系统方案试验获得成功；在“九五”，两所共同承担了中 船总科技预研任务声相关大深度对地三维测速技术，其主要技术指标如下： 工作深度：3 1 2 0 0 米( 1 2 0 0 米) ；测速范围：纵向8 + 3 0 节，横向4 “节，垂向- 4 - - + 4 节；测速精度：纵向0 1 节或1 ，0 2 节( 当速度深 度限小于4 0 米每节时) ，横向0 2 节，垂向0 2 节；工作模式为海底跟踪 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 或水层跟踪；换能器布阵采用了“八五”已经试验成功的三角形声基阵布阵 技术。图1 3 m m 是该基阵的示意图。 7 飞 ii ，谯 飞过囊留名 7 图1 3 三角形声基阵布阵方案 其中，接收阵元r ，r ：，r ，排列在同一圆周的两个半圆周上，r ，r ，、 r t r ，的连线与船只首尾线夹角都为口，安装时换能器声基阵纵向对称轴( 接 收阵元r 。与发射器t 的连线及延长线) 与船只首尾线相重合。t 为发射换能 器，可兼作接收换能器用。 中国科学院声学研究所障小3 u 在1 9 9 7 年承担了“8 6 3 课题“船用声相关 海流剖面( a c c p ) 测量关键技术”，并研制了7 0 千赫的a c c p 原理样机， 2 0 0 0 年开始研制大深度a c c p 样机，2 0 0 2 年1 月在黄海、东海和冲绳群岛 以东的西太平洋海域进行首次试验，并获得成功，2 0 0 2 年1 2 月，a c c p 使 用中科院南海海洋研究所的“实验2 船在南海海域进行了第二次深海试验， 分别与声学所研制的1 5 0 千赫多功能a d c p 、m a g e l l a n 公司的d g p s 1 型 d g p s 接收机进行了流场和速度的漂泊和走航比测，测流剖面深度达1 0 0 0 米， 船速测量深度达3 5 0 0 米，相对测量误差为1 2 ；随后在2 0 0 4 、2 0 0 5 、2 0 0 7 年进行了多次试验，收集了大量的海试数据：2 0 0 9 年2 月，又在厦门进行了 深水实验，测量深度4 0 0 0 米。图1 4 犯卅d 2 1 是声学所近年来发布的声相关测速 系统的成果。其中图( a ) 是中心频率为2 3 k h z 的a c c p ，图( b ) 是在此基础 上于2 0 0 7 年研制成功的a c l ，中心频率是7 0 k h z 。 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ( a ) 2 3 k h z 的a c c p( b ) 7 0 k h z 的a c l 图1 4 声相关测速系统 1 2 3 现阶段研究的特点 大深度的a c l 原理样机从研制到海上试验已经二十多年了，但是就公开 发表的文献看，离真正的实际应用还有相当的距离，特别是近几年有关a c l 的文献相当少，可见对于a c l 的研究现正处在一个相对低谷的时期。但是由 于a c l 在军事和海洋开发等方面拥有巨大的潜力，也使得各国都投入了巨资 在进行研究。现在对a c l 的研究主要集中在以下几个方面m 删5 2 1 。 ( 1 ) 模型的建立 a c l 测速应用时一空联合相关法，以此提高测量精度。该方法需要建立 理论相关矩阵，而美国r d i 公司和中科院声学所等科研单位提出的模型是一 致的，都是基于声传播的理论来构造理论矩阵模型，进而与数据相关矩阵一 起构造似然函数，最后利用参数估计方法优化解算，得出速度信息。不足之 处在于构造的时一空相关函数的理论表达式很复杂，难以在实际中应用，而 据经验得出的简化表达式却缺乏足够的物理基础而影响测速精度。因此，研 究适用于不同海洋环境和海底地貌条件下的理论相关矩阵模型，并引入多种 参数来增加理论模型的鲁棒性能，是未来相当长时间内方向。 ( 2 ) 换能器阵型设计 一种好的阵型设计方法既能提高阵y j 孑l 径的利用率，又不降低谱估计性 能，同时还可能减少迭代算法的运算量。对于一维基阵已经可以达到无冗余 的设计，而a c l 要实现二维测速，采用平面基阵应该是二维稀疏阵形式。目 o 哈尔滨工程大学硕十学位论文 前文献中二维基阵的设计多以“l ”阵、十字交叉阵、方阵、三角阵等为主， 而真正适合a c l 测速的二维阵型设计的相关文献较少。根据a c l 测速的特 点、充分考虑速度矢量分布图以及冗余最小等因素，提出快速实现适合a c l 工作的二维平面阵设计也是研究人员努力的一个方向。 ( 3 ) 信号处理算法 现阶段，a c l 测速过程通常归结为参数估计问题，例如，r d i 公司采用 最大似然估计嘲，声学所采用局域最小二乘估计瞄1 。参数估计可以通过各种最 优化处理算法进行求解，r d i 公司采用单纯形算法，声学所则采用序列二次 规划的方法进行拟合运算。缺点是由于二次规划算法对目标函数有凸( 凹) 性、连续性、甚至线性等要求，难以给定各目标合适的权重，从而限制了其 应用领域；当目标函数具有多峰特性时，单纯形算法又容易陷入局部最小。 由于a c l 测速所形成的目标函数通常比较复杂，大量仿真表明，该目标函数 并非严格的凸函数，因此利用梯度信息的牛顿算法等并不适合，对优化处理 方法的研究还是应该集中在全局智能优化算法及其快速算法上，从而大大提 高测速精度和运算速度。 1 3 本课题研究的内容 本文主要的工作是建立相关计程仪的数学模型进行计算机的仿真研究以 及数据的处理。论文的组成如下： 第一章介绍声相关计程仪的发展背景、特点以及国内外的研究现状。 第二章介绍了声相关计程仪的基本工作原理，讨论了影响相关测速精度 的几个因素，并针对低速、浅水情况下相关效果不好、测量误差大的问题作 了一些研究。 第三章引入虚拟阵元的概念，并给出了一种二维平面基阵的设计方法。 第四章建立声相关计程仪的数学模型，并进行计算机的仿真研究。主要 是对一、二维的时间相关计程仪和空间相关计程仪的测速精度进行比较。 第五章推导了时空相关函数的数据矩阵与理论矩阵，讨论了最大似然方 法和最小二乘估计，最后利用单纯形算法和模拟退火算法进行速度解算的对 比。 l o 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章声相关计程仪工作原理及参数设计 2 1 概述 本章首先介绍基于射线声学模型的声相关测速的“波形不变性”，这是声 相关测速的理论基础。其次介绍了三种声相关测速的方法。另外还进行了声 相关测速声纳的作用距离估计。最后讨论了影响声相关测速的参数设计，不 同水深和不同船速条件下参数选择原则会有不同。 2 2 声相关