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制造方法

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制造方法
【专利摘要】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。
【专利说明】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

【技术领域】
[0001]本发明涉及速度测量领域，特别涉及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。

【背景技术】
[0002]测量速度的方法有很多，针对不同的目标、不同环境下有不同的测量方法。在陆地上，对车辆一般采用雷达测速仪来测量速度。雷达测速仪主要利用了多普勒效应原理。多普勒效应是一种当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到波的频率与波源发出的频率并不一致的现象，具体表现为当观察者相对于声源做靠近运动时，观察者接收的频率会比声波本身的频率高；反之，当观察者相对于声源做远离运动时，观察者接收的频率会比声波本身的频率低。雷达测速仪根据接收到的反射电磁波的频率偏移量来计算移动物体的运动速度。
[0003]对水下物体进行运动速度测量时，由于电磁波在水下衰减严重，所以一般采用声波来测量运动目标的速度。目前主要有三种方法:一、通过机械装置来测量运动目标的速度，一般利用运动物体的轮轴旋转信息进行测量，这一类测速方法包括机械式速度测量、测速发电机型速度测量、霍尔数字式转速测量、磁感式车速测量、脉冲式转速传感器速度测量等；二、利用图像处理技术来进行的速度测量，一般通过对运动目标进行多次拍照，根据计算单位时间内物体运动的距离来测量出物体的运动速度；三、利用声波的多普勒效应进行速度测量，在水下，发送特定频率的声波，当声波遇到运动物体时反射回来，通过接收器检测接收，接收声波的频率会随着运动物体运动速度的变化而变化，通过检测声波频率的变化而测量出运动物体的速度。
[0004]现有利用机械装置来测量运动目标的速度，测量目标上需要安装测量装置，使用不便；利用图像技术来测量速度，在光线不好的环境下(如水下或者夜晚等)不能正常工作。
[0005]现在大多数利用多普勒测量水下物体运动速度的方法，是在没有考虑水流速度的情况下测量的，因为水流的影响，也会使声波产生一定的频移，因此测量会有误差。
[0006]因此，人们需要一种新的测量水下物体运动速度的方法来满足需求。


【发明内容】

[0007]本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种水下运动目标与水流的三维速度联合测定方法。
[0008]本发明的另一目的在于提供一种水下运动目标与水流的三维速度联合测定装置。
[0009]本发明的目的通过以下的技术方案实现:
[0010]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:
[0011]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, ζ)；
[0012]S2.构建频率为fs的单频信号作为速度测量信号并发射出去；
[0013]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(Xi，Ii, 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(X，y, z)计算出水流速度和水下物体运动速度，其中N > 6。
[0014]所述的水下运动目标与水流的三维速度联合测定方法，具体包含以下步骤:
[0015]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:
Cj -tfI

I V I r Λ x p
[0016]J = (-) / ;(I)

C + V ,,

W
[0017]其中，Vw为介质速度，V。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，V0以接收点至发射点方向为正值；
[0018]B、测量装置相对于地面处于静止状态，设水流速度为:Vw =(ViraiV?r,VirJ，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:V0 =( υ,,?)，其中V01, 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；
[0019]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:
[0020]设发射点S的坐标为(O, O, O)，运动目标点O的坐标为(X，y，ζ)，α、β、Y分别为向量SE?与坐标轴Χ、Υ、Ζ的夹角，则S — O方向上的单位向量表示为:
[0021 ] Imj = |co,s(ff), cos(^)，εοκ(/)) ?
[0022]令Ism = cos(a), Isoy = cos ( β )，Isoz = cos(y),则 =( LJmJsJ ;
[0023]则水流速度在S — O方向的速度为:..........?..........?
[0024]V = V * / = V / + V / + V /.(2)
W_S0W soWX Si).XMT SifVWZ MfZ ,、u J
[0025]运动物体在O — S方向上的速度为:
[0026]V = — V * / ? —V I — V / — V / *O
O一 mο soox sax oy soy oz soz *、,
[0027]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⑴可以推导出运动目标点O接收到的频率为
/C + Vw Jto + Vfl OS \
_0 = (-=-:^) Js ；(4)

C + V w — m
[0029]其中，f。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Vts,为Vo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；
[0030]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:
[0031]接收点Ri (Xpyi, Zi)为N个接收点其中之一，Ctp β Y i分别为向量OS与坐标轴X、Y、Z的夹角，得到O — Ri方向上的单位向量为:
[0032]Im = (C0S(CL ), COS(/?,)..COSf )).
[0033]分别令=costop，Iv = Cmifii) t =COS(Zi)，可得O —Ri方向上的单位向量为 1n = (1ks,1ny, C.3 ；
[0034]则水速在O —Ri方向上的速度为

1..........?..............
[0035]V 二 V *! =V I +V I +V Ir?)
w οη wx οηχ wy o^y wz OriZ\0 J
一 ,
[0036]运动物体在0 —Ri方向上的速度为
[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]声波由运动目标点0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

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

W _ or iO _ or i
[0040]其中，矢量匕.0为V1在Ri — O方向上的分量，为该矢量的模的负值；矢量
% f.0为Vii在Ri — O方* 的分S，为i亥矢S的模的负值；c为?声信号■在水中的4专才番速度；
[0041]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
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]

【权利要求】
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: 51.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)； 52.构建频率为fs的单频信号作为速度测量信号并发射出去； 53.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^pzi),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 ■—丨 + Vw + V",, I — K................................................................f J %K I)
C + V w 其中，Vw为介质速度，V。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，V0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:V?.=(Vt?.，Vw,Vw;),其中ν?，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:[ = W)，其中V?，vO,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，O, O)，运动目标点O的坐标为(X，y，ζ)，α、β、Y分别为向量SG与坐标轴X、Y、Z的夹角，则S — O方向上的单位向量表示为:
Im = (cos (a), cosifi), cos(y)) ι
7 Isox — COS ( Ct )，Isoy — COS ( β )，Isoz — COS ( Y )，则 Iso — ζ Ism, lf<jF, Isox) I 则水流速度在S — O方向的速度为:....................jy....................Vw—? = VW* ho = vWxhm + Vwjmy + VnJsoz ；( 2 ) 运动物体在O — S方向上的速度为:
——#....................? γ = —ν 孝/ = —V I — V I —V I *(3) 0^05f> ΛΥ?OX SOXOV SOVOZ S{)Z *J1 因声波在由发射点S到运动目标点0的过程中，声源没有运动，由公式(I)可以推导出运动目标点O接收到的频率为
_L.-y-y ￡/ ^w soa m \ r,、 Jo = (-Γ-=) U ；(4)
C + V w J0 其中，f。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—s。为该矢量的模；矢量V"为v<f在S — O方向上的分量，V。—。3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 (X^yi, Zi)为N个接收点其中之一，ci1、βρ Yi分别为向量石ζ与坐标轴X、Y、Z的夹角，得到O —Ri方向上的单位向量为:
/,, = (cos(a,)..cost/^).CosCfl)).* 分别令4V.= cos (?P，Iv = cos、β,) ’ ιον = cos(/i),可得ο—Ri方向上的单位向量为 k =(l,JI]XJorlXJor^ ； 则水速在O — Ri方向上的速度为 V=v *1 =v I +V I +V I(η) W^oriw οηwx OriX η ν orLvwi OriZ.J—., 运动物体在0 — Ri方向上的速度为 V=ν *| =ι； I + V I+V I/￡■%
O Qri ο on OXOriX ov Or: v oz or:zKOJ ■MM.IIIifI.9 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
C + V //W 0Γ j\ P =(——;..................................................................=.........................................................)Ia(7) 1^ "y_ "y
U 1r O _ (Jr ? 其中，矢量Vw:r;0为Vw在Ri — O方向上的分量，Vw_0r.为该矢量的模的负值；矢量V0^i0为Vtj在Ri — O方向上的分量,v(,,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
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)中有六个未知数,vwx, vwy, vwz, vM, Vtjy, vra,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彡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。
3.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:所述的发射点为超声波发射器所在位置，接收点为超声波接收器所在位置。
4.一种水下运动目标与水流的三维速度联合测定装置，其特征在于:包括控制模块、发射模块、接收模块、处理模块、显示模块，其中 控制模块，分别与发射模块、接收模块、处理模块、显示模块相连，用于对各个模块进行控制； 发射模块，与控制模块、处理模块相连，根据控制模块的指令，从处理模块中的调制器中获取测量信号进行超声发射； 接收模块，与控制模块、处理模块相连，根据控制模块的指令，接收所测目标反射回来的回波信号并传送给处理模块； 处理模块，与控制模块、接收模块、显示模块相连，根据控制模块的指令进行数据处理，其通过对接收信号进行分析，并利用水下物体的位置信息，对水流速度和水下物体运动速度进行计算得出速度测量结果； 显示模块，与控制模块、处理模块相连，根据控制模块的指令，将处理模块的水流速度和水下物体运动速度进行显示。
5.根据权利要求4所述的水下运动目标与水流的三维速度联合测定装置，其特征在于:所述的发射模块包括一个超声发射探头，接收模块包括N个超声接收探头，其中N > 6。
【文档编号】G01S15/58GK104133217SQ201410342589
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】宁更新, 周长库, 刘云磊, 张军, 冯义志, 季飞, 韦岗 申请人:华南理工大学