声相关计程仪测速技术研究

摘要

声相关计程仪是以“波形不变性”原理为准则的声学测速设备，它在民用和军事作战方面有着广泛应用。相对于多普勒计程仪而言，它有着独到的优势。声相关计程仪采用垂直向下发射宽波束，不仅可以得到更强的回波信号，也增强了船体的抗摇摆性能，同时其用尺寸较小的换能器，较低的工作频率和较小的功率就可以作用于更深的距离，加之重量轻，结构简单，是未来很有发展前途的测速导航仪器。同时，声相关计程仪的研究也有利于维护我国的海洋领土权益，海洋资源开发等。
　　本文首先详细介绍了声相关计程仪的基本原理，分析了保证接收信号具有良好相关性所需满足的远场条件。根据这远场条件，仿真并具体讨论了接收器间距、船速以及发射波束开角等对信号相关性的影响。分析了时间相关测速和空间相关测速的基本原理，介绍了声相关计程仪参数设计时应该考虑的频率的选取、接收器间距、发射信号形式等问题。
　　然后介绍了海底回波声线模型，并依据网格模型法，以声纳方程为基础，充分考虑波束宽度，海深，船速，海底散射，发射功率等因素分析海底回波信号表达式。
　　接着在已建立的海底回波模型基础上，依据相关测速的不同方法，选取合适的仿真参数分别对一维时间相关测速、一维空间相关测速进行了相应的仿真和数据分析。在一维空间相关测速中，针对多种阵型，讨论了三次样条插值、高斯插值、分段三次厄米多项式插值对空间相关函数的插值效果，并对测速结果进行了分析。其中，本文建议了将接收器按照最小冗余准则分布运用于一维空间相关测速中，并对其进行了仿真分析，结果表明，其测速精度比接收器按级数分布和等间距分布均高。同时，阐述了二维相关测速的基本原理，并对船速和航偏角进行了相应的仿真。
　　最后以声相关测速的基本原理——波形不变性原理为基础，从几何角度推导了船在纵摇情况下要使两回波信号双程声线长度相等，接收器间距与发射信号间隔所需要满足的关系，亦即两信号相关性达到最大时所需满足的条件。指出了在该情况下发射器所照射的海底区域为椭圆，推导了该海底区域的椭圆方程表达式。分析该照射海底区域的回波信号，并对回波信号的相关函数进行了推导和分析，从数学角度给出了相关函数取得最大值时所需满足的条件，得到的结论与从几何角度推导得到的结果一致。同时还进行了在不同纵摇偏角情况下的速度解算仿真，仿真结果表明了本文建立的模型具有较好的可靠性，测速精度较高，更能满足船在实际行驶当中的测速。

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1 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究动态

1.3 本课题研究的内容

2 声相关测速理论分析及参数设计

2.1 概述

2.2 声相关测速基本原理

2.3 相关测速理论方法分析

2.4 声相关测速的参数设计

2.5 本章小结

3 海底回波模型的建立与理论分析

3.1 海底回波模型简介

3.2 海底回波表达式的推导

3.3 网格模型分析及海底回波信号幅度和相位的确定

3.4 本章小结

4 声相关测速方法仿真与分析

4.1 引言

4.2 一维时间相关仿真

4.3 一维空间相关仿真

4.4 二维相关测速

5 船在纵摇情况下的海底回波理论模型

5.1 引言

5.2 船在纵摇情况下的波形不变性条件

5.3 海底照射区域分析

5.4 船在纵摇情况下的海底回波信号

5.5 相关函数理论推导及仿真

5.6 回波信号仿真及测速

5.7 本章小结

6 结束语

致谢

参考文献

附 录

作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目