[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

摘要

本发明公开了一种水下运动目标与水流的三维速度联合测定方法：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；构建频率为fs的单频信号作为速度测量信号并发射出去；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(xi,yi,zi)，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计算出水流速度和水下物体运动速度,其中N≥6。本发明的方法及装置，能够避免水流速度对测量精度的不良影响，应用范围广泛，抗噪能力好，成本低廉，安装简单，使用方便。

主权项

一种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，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，vw为介质速度，vo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vw以由发射点至接收点方向为正值，vo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vwx，vwy，vwz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vox，voy，voz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：令lsox＝cos(α)，lsoy＝cos(β)，lsoz＝cos(γ)，则则水流速度在S→O方向的速度为：运动物体在O→S方向上的速度为：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，fo为运动目标点O的接收频率，fs为发射点的原始频率，矢量为在S→O方向上的分量，vw_so为该矢量的模；矢量为在S→O方向上的分量，vo_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Ri(xi,yi,zi)为N个接收点其中之一，αi、βi、γi分别为向量与坐标轴X、Y、Z的夹角，得到O→Ri方向上的单位向量为：分别令可得O→Ri方向上的单位向量为则水速在O→Ri方向上的速度为运动物体在O→Ri方向上的速度为声波由运动目标点O到接收点Ri的过程中，接收端没有运动，故Ri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Ri→O方向上的分量，为该矢量的模的负值；矢量为在Ri→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，由声波发送到接收的过程中，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，vwx，vwy，vwz，vox，voy，voz，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。