[发明专利]一种水下运动目标与水流的三维速度联合测定方法及装置

权利要求书

1.一种水下运动目标与水流的三维速度联合测定方法，包含以下顺序的步骤：

S1.选取地面为参考系，以超声发射位置为坐标原点，以垂直水平面向下为Z方向，计算出水下物体的三维坐标位置(x,y,z)；

S2.构建频率为f_s的单频信号作为速度测量信号并发射出去；

S3.超声接收模块接收到N个接收探头接收的信号，并将其传输至处理模块，其中第i个接收探头的位置为(x_i,y_i,z_i)，其中i＝1,2,3......N；对接收到的N路信号分别进行频率估计，得到接收信号的频率为其中i＝1,2,3......N，并利用水下目标的三维位置(x,y,z)计算出水流速度和水下物体运动速度,其中N≥6。

2.根据权利要求1所述的水下运动目标与水流的三维速度联合测定方法，其特征在于，具体包含以下步骤：

A、由多普勒效应可知，在信号发射点静止时，接收点接收的频率f'与发射频率f之间关系为：

f′=(c+vw+voc+vw)f;---(1)]]>

其中，v_w为介质速度，v_o为信号接收点移动速度，c为超声信号在水中的传播速度，且v_w以由发射点至接收点方向为正值，v_o以接收点至发射点方向为正值；

B、测量装置相对于地面处于静止状态，设水流速度为：其中v_wx，v_wy，v_wz分别代表水流速度在坐标轴X，Y，Z三个方向上的分量；水下物体运动速度为：其中v_ox，v_oy，v_oz分别代表水下物体运动速度在坐标轴X，Y，Z三个方向上的分量；

C、首先分析声波从超声发射探头至水下物体的过程，计算声波到达水下物体时的频率：

设发射点S的坐标为(0,0,0)，运动目标点O的坐标为(x,y,z)，α、β、γ分别为向量与坐标轴X、Y、Z的夹角，则S→O方向上的单位向量表示为：

l→so=(cos(α),cos(β),cos(γ));]]>

令l_sox＝cos(α)，l_soy＝cos(β)，l_soz＝cos(γ)，则

则水流速度在S→O方向的速度为：

vw_so=v→w*l→so=vwxlsox+vwylsoy+vwzlsoz;---(2)]]>

运动物体在O→S方向上的速度为：

vo_os=-v→o*l→so=-voxlsox-voylsoy-vozlsoz;---(3)]]>

因声波在由发射点S到运动目标点O的过程中，声源没有运动，由公式(1)可以推导出运动目标点O接收到的频率为

fo=(c+vw_so+vo_osc+vw_so)fs;---(4)]]>

其中，f_o为运动目标点O的接收频率，f_s为发射点的原始频率，矢量为在S→O方向上的分量，v_{w_so}为该矢量的模；矢量为在S→O方向上的分量，v_{o_os}为该矢量的模的负值；c为超声信号在水中的传播速度；

D、接着分析声波从水下物体至超声接收探头的过程，计算声波到达接收探头时的频率：

接收点R_i(x_i,y_i,z_i)为N个接收点其中之一，α_i、β_i、γ_i分别为向量与坐标轴X、Y、Z的夹角，得到O→R_i方向上的单位向量为：

l→ori=(cos(αi),cos(βi),cos(γi));]]>

分别令lorix=cos(αi),loriy=cos(βi),loriz=cos(γi),]]>可得O→R_i方向上的单位向量为l→ori=(lorix,loriy,loriz);]]>

则水速在O→R_i方向上的速度为

vw_ori=v→w*l→ori=vwxlorix+vwyloriy+vwzloriz;---(5)]]>

运动物体在O→R_i方向上的速度为

vo_ori=v→o*l→ori=voxlorix+voyloriy+vozloriz;---(6)]]>

声波由运动目标点O到接收点R_i的过程中，接收端没有运动，故R_i点接收到的信号的频率为

fri=(c+vw_oric+vw_ori-vo_ori)fo---(7)]]>

其中，矢量为在R_i→O方向上的分量，为该矢量的模的负值；矢量为在R_i→O方向上的分量，为该矢量的模的负值；c为超声信号在水中的传播速度；

E、由公式(4)和公式(7)整理可得，由声波发送到接受的过程中，接收频率与发送频率关系为

fri=(c+vw_so+vo_osc+vw_so)(c+vw_oric+vw_ori-vo_ori)fs---(8)]]>

把公式(2)、(3)、(5)、(6)代入公式(8)，整理可得

fri=(c+vwxlsox+vwylsoy+vwzlsoz-voxlsox-voylsoy-vozlsozc+vwxlsox+vwylsoy+vwzlsoz)*(c+vwxlorix+vwyloriy+vwzlorizc+vwxlorix+vwyloriy+vwzloriz-voxlorix-voyloriy-vozloriz)fs---(9)]]>

公式(9)中有六个未知数，v_wx，v_wy，v_wz，v_ox，v_oy，v_oz，通过利用六个接收点，分别对公式9中的i取值，i＝1,2,3......N，N≥6，故可以列出六个以上的等式，即可求出上述六个未知数，由此求得水流速度和水下物体运动速度。