一種水下運動目標與水流的三維速度聯(lián)合測定方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水下運動目標與水流的三維速度聯(lián)合測定方法：選取地面為參考系，以超聲發(fā)射位置為坐標原點，以垂直水平面向下為Z方向，計算出水下物體的三維坐標位置；構建頻率為fs的單頻信號作為速度測量信號并發(fā)射出去；超聲接收模塊接收到N個接收探頭接收的信號，并將其傳輸至處理模塊，其中第i個接收探頭的位置為(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,3......N；對接收到的N路信號分別進行頻率估計，得到接收信號的頻率為其中i＝1,2,3......N，并利用水下目標的三維位置計算出水流速度和水下物體運動速度,其中N≥6。本發(fā)明的方法及裝置，能夠避免水流速度對測量精度的不良影響，應用范圍廣泛，抗噪能力好，成本低廉，安裝簡單，使用方便。
【專利說明】一種水下運動目標與水流的三維速度聯(lián)合測定方法及裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及速度測量領域，特別涉及一種水下運動目標與水流的三維速度聯(lián)合測定方法及裝置。

【背景技術】
[0002]測量速度的方法有很多，針對不同的目標、不同環(huán)境下有不同的測量方法。在陸地上，對車輛一般采用雷達測速儀來測量速度。雷達測速儀主要利用了多普勒效應原理。多普勒效應是一種當波源和觀察者有相對運動時，觀察者接收到波的頻率與波源發(fā)出的頻率并不一致的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為當觀察者相對于聲源做靠近運動時，觀察者接收的頻率會比聲波本身的頻率高；反之，當觀察者相對于聲源做遠離運動時，觀察者接收的頻率會比聲波本身的頻率低。雷達測速儀根據(jù)接收到的反射電磁波的頻率偏移量來計算移動物體的運動速度。
[0003]對水下物體進行運動速度測量時，由于電磁波在水下衰減嚴重，所以一般采用聲波來測量運動目標的速度。目前主要有三種方法:一、通過機械裝置來測量運動目標的速度，一般利用運動物體的輪軸旋轉信息進行測量，這一類測速方法包括機械式速度測量、測速發(fā)電機型速度測量、霍爾數(shù)字式轉速測量、磁感式車速測量、脈沖式轉速傳感器速度測量等；二、利用圖像處理技術來進行的速度測量，一般通過對運動目標進行多次拍照，根據(jù)計算單位時間內物體運動的距離來測量出物體的運動速度；三、利用聲波的多普勒效應進行速度測量，在水下，發(fā)送特定頻率的聲波，當聲波遇到運動物體時反射回來，通過接收器檢測接收，接收聲波的頻率會隨著運動物體運動速度的變化而變化，通過檢測聲波頻率的變化而測量出運動物體的速度。
[0004]現(xiàn)有利用機械裝置來測量運動目標的速度，測量目標上需要安裝測量裝置，使用不便；利用圖像技術來測量速度，在光線不好的環(huán)境下(如水下或者夜晚等)不能正常工作。
[0005]現(xiàn)在大多數(shù)利用多普勒測量水下物體運動速度的方法，是在沒有考慮水流速度的情況下測量的，因為水流的影響，也會使聲波產(chǎn)生一定的頻移，因此測量會有誤差。
[0006]因此，人們需要一種新的測量水下物體運動速度的方法來滿足需求。


【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種水下運動目標與水流的三維速度聯(lián)合測定方法。
[0008]本發(fā)明的另一目的在于提供一種水下運動目標與水流的三維速度聯(lián)合測定裝置。
[0009]本發(fā)明的目的通過以下的技術方案實現(xiàn):
[0010]一種水下運動目標與水流的三維速度聯(lián)合測定方法，包含以下順序的步驟:
[0011]S1.選取地面為參考系，以超聲發(fā)射位置為坐標原點，以垂直水平面向下為Z方向，計算出水下物體的三維坐標位置(X，y, ζ)；
[0012]S2.構建頻率為fs的單頻信號作為速度測量信號并發(fā)射出去；
[0013]S3.超聲接收模塊接收到N個接收探頭接收的信號，并將其傳輸至處理模塊，其中第i個接收探頭的位置為(Xi，Ii, Zi)，其中i = 1，2，3......N ;對接收到的N路信號分別進行頻率估計，得到接收信號的頻率為，其中i = 1，2，3……N，并利用水下目標的三維位置(X，y, z)計算出水流速度和水下物體運動速度，其中N > 6。
[0014]所述的水下運動目標與水流的三維速度聯(lián)合測定方法，具體包含以下步驟:
[0015]A、由多普勒效應可知，在信號發(fā)射點靜止時，接收點接收的頻率f’與發(fā)射頻率f之間關系為:
Cj -tfI

I V I r Λ x p
[0016]J = (-) / ;(I)

C + V ,,

W
[0017]其中，Vw為介質速度，V。為信號接收點移動速度，c為超聲信號在水中的傳播速度，且Vw以由發(fā)射點至接收點方向為正值，V0以接收點至發(fā)射點方向為正值；
[0018]B、測量裝置相對于地面處于靜止狀態(tài)，設水流速度為:Vw =(ViraiV?r,VirJ，其中Vwx, Vwy, Vwz分別代表水流速度在坐標軸X，Y，Z三個方向上的分量；水下物體運動速度為:V0 =( υ,,?)，其中V01, Voy, Voz分別代表水下物體運動速度在坐標軸X, Y, Z三個方向上的分量；
[0019]C、首先分析聲波從超聲發(fā)射探頭至水下物體的過程，計算聲波到達水下物體時的頻率:
[0020]設發(fā)射點S的坐標為(O, O, O)，運動目標點O的坐標為(X，y，ζ)，α、β、Y分別為向量SE?與坐標軸Χ、Υ、Ζ的夾角，則S — O方向上的單位向量表示為:
[0021 ] Imj = |co,s(ff), cos(^)，εοκ(/)) ?
[0022]令Ism = cos(a), Isoy = cos ( β )，Isoz = cos(y),則 =( LJmJsJ ;
[0023]則水流速度在S — O方向的速度為:..........?..........?
[0024]V = V * / = V / + V / + V /.(2)
W_S0W soWX Si).XMT SifVWZ MfZ ,、u J
[0025]運動物體在O — S方向上的速度為:
[0026]V = — V * / ? —V I — V / — V / *O
O一 mο soox sax oy soy oz soz *、,
[0027]因聲波在由發(fā)射點S到運動目標點O的過程中，聲源沒有運動，由公式⑴可以推導出運動目標點O接收到的頻率為
/C + Vw Jto + Vfl OS \
_0 = (-=-:^) Js ；(4)

C + V w — m
[0029]其中，f。為運動目標點O的接收頻率，fs為發(fā)射點的原始頻率，矢量:為^在S — O方向上的分量，Vw so為該矢量的模；矢量Vts,為Vo在S — O方向上的分量，Vo os為該矢量的模的負值；c為超聲信號在水中的傳播速度；
[0030]D、接著分析聲波從水下物體至超聲接收探頭的過程，計算聲波到達接收探頭時的頻率:
[0031]接收點Ri (Xpyi, Zi)為N個接收點其中之一，Ctp β Y i分別為向量OS與坐標軸X、Y、Z的夾角，得到O — Ri方向上的單位向量為:
[0032]Im = (C0S(CL ), COS(/?,)..COSf )).
[0033]分別令=costop，Iv = Cmifii) t =COS(Zi)，可得O —Ri方向上的單位向量為 1n = (1ks,1ny, C.3 ；
[0034]則水速在O —Ri方向上的速度為

1..........?..............
[0035]V 二 V *! =V I +V I +V Ir?)
w οη wx οηχ wy o^y wz OriZ\0 J
一 ,
[0036]運動物體在0 —Ri方向上的速度為
[0037]V =ν *1 =v I +V I +V IfR\
L 」 ο or: o Ori ox on X av or: v oz or；zk u/
— II1-fIr-1.9
[0038]聲波由運動目標點0到接收點Ri的過程中，接收端沒有運動，故Ri點接收到的信號的頻率為

￡! + V
//w or,\ /.>
=(---=-Jf0Cf)
1￡? ?L -y?'V

W _ or iO _ or i
[0040]其中，矢量匕.0為V1在Ri — O方向上的分量，為該矢量的模的負值；矢量
% f.0為Vii在Ri — O方* 的分S，為i亥矢S的模的負值；c為?聲信號■在水中的4專才番速度；
[0041]E、由公式(4)和公式(7)整理可得，由聲波發(fā)送到接受的過程中，接收頻率與發(fā)送頻率關系為
C + V+ VC + V
//w ^so° ^os /w — OriX r
=(---=^)(^:-)人(8)
1?L.--JTi ?L.w _ so涿—Oriο — Ori
[0043]把公式⑵、(3)、(5)、(6)代入公式⑶，整理可得
[0044]

【權利要求】
1.一種水下運動目標與水流的三維速度聯(lián)合測定方法，包含以下順序的步驟: 51.選取地面為參考系，以超聲發(fā)射位置為坐標原點，以垂直水平面向下為Z方向，計算出水下物體的三維坐標位置(x，y，z)； 52.構建頻率為fs的單頻信號作為速度測量信號并發(fā)射出去； 53.超聲接收模塊接收到N個接收探頭接收的信號，并將其傳輸至處理模塊，其中第i個接收探頭的位置為(Xi^pzi),其中i = 1,2,3……N;對接收到的N路信號分別進行頻率估計，得到接收信號的頻率為；，其中i = 1，2，3......N，并利用水下目標的三維位置(X，y, z)計算出水流速度和水下物體運動速度，其中N > 6。
2.根據(jù)權利要求1所述的水下運動目標與水流的三維速度聯(lián)合測定方法，其特征在于，具體包含以下步驟: A、由多普勒效應可知，在信號發(fā)射點靜止時，接收點接收的頻率f’與發(fā)射頻率f之間關系為: f ■—丨 + Vw + V",, I — K................................................................f J %K I)
C + V w 其中，Vw為介質速度，V。為信號接收點移動速度，C為超聲信號在水中的傳播速度，且Vw以由發(fā)射點至接收點方向為正值，V0以接收點至發(fā)射點方向為正值； B、測量裝置相對于地面處于靜止狀態(tài),設水流速度為:V?.=(Vt?.，Vw,Vw;),其中ν?，Vwy, Vwz分別代表水流速度在坐標軸X，Y，Z三個方向上的分量；水下物體運動速度為:[ = W)，其中V?，vO,分別代表水下物體運動速度在坐標軸X，Y，Z三個方向上的分量； C、首先分析聲波從超聲發(fā)射探頭至水下物體的過程，計算聲波到達水下物體時的頻率: 設發(fā)射點S的坐標為(0，O, O)，運動目標點O的坐標為(X，y，ζ)，α、β、Y分別為向量SG與坐標軸X、Y、Z的夾角，則S — O方向上的單位向量表示為:
Im = (cos (a), cosifi), cos(y)) ι
7 Isox — COS ( Ct )，Isoy — COS ( β )，Isoz — COS ( Y )，則 Iso — ζ Ism, lf<jF, Isox) I 則水流速度在S — O方向的速度為:....................jy....................Vw—? = VW* ho = vWxhm + Vwjmy + VnJsoz ；( 2 ) 運動物體在O — S方向上的速度為:
——#....................? γ = —ν 孝/ = —V I — V I —V I *(3) 0^05f> ΛΥ?OX SOXOV SOVOZ S{)Z *J1 因聲波在由發(fā)射點S到運動目標點0的過程中，聲源沒有運動，由公式(I)可以推導出運動目標點O接收到的頻率為
_L.-y-y ￡/ ^w soa m \ r,、 Jo = (-Γ-=) U ；(4)
C + V w J0 其中，f。為運動目標點O的接收頻率，fs為發(fā)射點的原始頻率，矢量為^在S — O方向上的分量，Vw—s。為該矢量的模；矢量V"為v<f在S — O方向上的分量，V?！?為該矢量的模的負值；c為超聲信號在水中的傳播速度； D、接著分析聲波從水下物體至超聲接收探頭的過程，計算聲波到達接收探頭時的頻率: 接收點Ri (X^yi, Zi)為N個接收點其中之一，ci1、βρ Yi分別為向量石ζ與坐標軸X、Y、Z的夾角，得到O —Ri方向上的單位向量為:
/,, = (cos(a,)..cost/^).CosCfl)).* 分別令4V.= cos (?P，Iv = cos、β,) ’ ιον = cos(/i),可得ο—Ri方向上的單位向量為 k =(l,JI]XJorlXJor^ ； 則水速在O — Ri方向上的速度為 V=v *1 =v I +V I +V I(η) W^oriw οηwx OriX η ν orLvwi OriZ.J—., 運動物體在0 — Ri方向上的速度為 V=ν *| =ι； I + V I+V I/￡■%
O Qri ο on OXOriX ov Or: v oz or:zKOJ ■MM.IIIifI.9 聲波由運動目標點O到接收點Ri的過程中，接收端沒有運動，故Ri點接收到的信號的頻率為
C + V //W 0Γ j\ P =(——;..................................................................=.........................................................)Ia(7) 1^ "y_ "y
U 1r O _ (Jr ? 其中，矢量Vw:r;0為Vw在Ri — O方向上的分量，Vw_0r.為該矢量的模的負值；矢量V0^i0為Vtj在Ri — O方向上的分量,v(,,為該矢量的模的負值；c為超聲信號在水中的傳播速度； E、由公式(4)和公式(7)整理可得，由聲波發(fā)送到接受的過程中，接收頻率與發(fā)送頻率關系為
P 4- V+ VC + V y*/W SOO OS /W OF1、 ￡■ Jri = (-^^)(-"-JJs (8)
C + Vw^ftjC + V14i^w, — V0 ^ 把公式⑵、⑶、(5)、(6)代入公式⑶，整理可得
y.I ^L., tj I 4- V I — y I 一 γ Ip I r.rwx soxwy soywz sozox soxOy soyoz sm \.f* ^L.y JI +*T/ I

wx sox.mywz s-Os? (C + ￥ ■ ^ Of IX + ’ H:V I --?.“V + V.I or! 2) J*.C + Vwxhr,x + Vwy Krjy + V? hr,X — V0X hr,x — 'V OyhriV — Vmhr,z(9)公式(9)中有六個未知數(shù),vwx, vwy, vwz, vM, Vtjy, vra,通過利用六個接收點,分別對公式9中的i取值，i = 1,2, 3......N，N彡6，故可以列出六個以上的等式，即可求出上述六個未知數(shù)，由此求得水流速度和水下物體運動速度。
3.根據(jù)權利要求1所述的水下運動目標與水流的三維速度聯(lián)合測定方法，其特征在于:所述的發(fā)射點為超聲波發(fā)射器所在位置，接收點為超聲波接收器所在位置。
4.一種水下運動目標與水流的三維速度聯(lián)合測定裝置，其特征在于:包括控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、處理模塊、顯示模塊，其中 控制模塊，分別與發(fā)射模塊、接收模塊、處理模塊、顯示模塊相連，用于對各個模塊進行控制； 發(fā)射模塊，與控制模塊、處理模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，從處理模塊中的調制器中獲取測量信號進行超聲發(fā)射； 接收模塊，與控制模塊、處理模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，接收所測目標反射回來的回波信號并傳送給處理模塊； 處理模塊，與控制模塊、接收模塊、顯示模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令進行數(shù)據(jù)處理，其通過對接收信號進行分析，并利用水下物體的位置信息，對水流速度和水下物體運動速度進行計算得出速度測量結果； 顯示模塊，與控制模塊、處理模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，將處理模塊的水流速度和水下物體運動速度進行顯示。
5.根據(jù)權利要求4所述的水下運動目標與水流的三維速度聯(lián)合測定裝置，其特征在于:所述的發(fā)射模塊包括一個超聲發(fā)射探頭，接收模塊包括N個超聲接收探頭，其中N > 6。
【文檔編號】G01S15/58GK104133217SQ201410342589
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權日:2014年7月17日
【發(fā)明者】寧更新, 周長庫, 劉云磊, 張軍, 馮義志, 季飛, 韋崗 申請人:華南理工大學