相控阵多普勒计程仪半实物仿真方法研究及其实现
0引 言
随着声学测速技术的发展,利用多普勒效应进行测速,精度不断提高,多普勒计程仪已成功应用于多种水下载体的导航[1-2],相控阵声多普勒计程仪(PAPADVL)采用宽带相控阵技术,消除了声速误差,提高了多普勒计程仪的测量深度和精度,同时减小了体积,因此相控阵声多普勒计程仪已成为声学测速的重要设备之一,并广泛应用于各种水下平台的导航.根据实际的使用和维护要求,需要开发相应的陆上仿真系统.但是,国内外测试多普勒速度仪的通用方法是进行实航试验或水池试验,没有相关的陆上仿真方法报道,而实航试验代价高,时间长,水池试验则很难进行精度测试,因此开发相应的多普勒计程仪陆上半实物仿真试验系统显得非常重要和迫切.文献[3]研究了相控阵多普勒计程仪半实物仿真中声对接装置的原理和设计,本文重点研究相控阵多普勒计程仪速度和深度仿真的原理,实现了4个波束的分时发射和波阵面形成,同时设计了基于PXI总线的仿真模块,最后通过试验数据验证了仿真系统的性能和精度.
1 相控阵多普勒计程仪工作原理[4-6]
当频率为f0的声波在海水中传播时,有一部分能量被海底散射回来,这些回波信号经换能器接收,处理后可以测得其频率为fr.根据多普勒频移原理,只要声源(或接收器)与散射体之间有相对运动,则fr≠f0,其差值为fd.
fd =fr-f0 =2×f0×V×cosα/c (1)
式中:α为波束的俯角;V为声源(或接收器)的水平相对速度;c为声速.不同的水文条件下的声速不同,因此采用单个换能器的多普勒计程仪存在声速补偿问题,而采用相控阵技术则可以从根本上消除声速变化所引起的误差.
现代多普勒计程仪倾向于采用多元相控发射阵来实现cosα/c的恒定.见图1,设各阵元构成等间距线列阵,各阵元间距为d,基阵安装于水平面内,如果要在俯角α方向形成波束,则须在2个阵元激励信号间预先补偿的相移为Φ =2πf0×cosα,因而有
由式(1)和式(2 )可得
检测海底回波的频移可求得载体的对地速度.声波发射以后,从不同深度的海底返回的回波时间是不同的,它与海底深度相对应,其关系式为
式中:D为海底深度;T为延迟时间;c为水中声速;β为波束与中垂线的夹角.4波束正交配置的多普勒计程仪见图2.通常每个波束和水平面夹角为60°,相邻2波束水平投影的夹角为90°,在作用深度范围内,每个波束都能测得地速分量,4波束可测4个对地分速度.通过矢量合成便可求得速度矢量.
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