水下航行器中的聲學(xué)多普勒測速技術(shù)研究.pdf

1、水下航行器作為人類探索海洋的重要工具，在軍用、民用領(lǐng)域均具有非常廣闊的應(yīng)用前景。高精度的水下導(dǎo)航定位技術(shù)是保障水下航行器安全作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而聲學(xué)多普勒測速儀是水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)的重要設(shè)備。本文基于聲學(xué)多普勒測速技術(shù)，主要研究了聲學(xué)多普勒測速的關(guān)鍵技術(shù)（寬帶和窄帶多普勒測速技術(shù)、窄帶相控陣技術(shù)）、水下航行器中的聲學(xué)基陣安裝誤差修正技術(shù)、基于相控對接陣的陸上檢測技術(shù)。
　　寬帶測速技術(shù)能夠有效解決窄帶測速技術(shù)時(shí)延和頻率分辨率低的問

2、題，目前寬帶測速技術(shù)在流速剖面測量方面已得到了較為廣泛的應(yīng)用，但對底回波信號的研究較少，而水下航行器導(dǎo)航定位精度主要依賴底跟蹤的絕對測速。本文利用寬帶測速技術(shù)來改善底回波信號的時(shí)頻分辨率，采用脈沖相干處理方法研究了m序列偽隨機(jī)編碼信號的對底的絕對測速性能，利用蒙特卡洛方法與窄帶測速技術(shù)進(jìn)行了對比分析，并與窄帶測速進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明m序列除了在測流方面具有明顯優(yōu)勢外，也能夠有效改善對底測速性能。
　　與常規(guī)陣相比，相控陣無需聲

3、速補(bǔ)償且在體積、重量等方面均具有明顯優(yōu)勢，適合于水下航行器中使用；然而相控陣在波束形成過程中存在的通道相移誤差、增益誤差等引起的干擾旁瓣會降低測速性能。本文在對相控陣聲場特性分析基礎(chǔ)上，針對相控陣設(shè)計(jì)和束控過程中存在的各種誤差對相控波束指向性及測速性能影響進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)了一套300kHz相控陣及其相控處理單元，通過水池和海上試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。
　　聲學(xué)多普勒測速儀在安裝過程中，受航行器的安裝結(jié)構(gòu)及安裝

4、偏差影響，無法保證聲學(xué)基陣坐標(biāo)系與航行器坐標(biāo)系完全重合，這將產(chǎn)生基陣安裝偏心和安裝偏角兩種誤差，降低了航行器的導(dǎo)航定位精度。針對安裝偏心誤差問題，本文分析并推導(dǎo)了安裝位置偏離搖擺中心時(shí)的附加速度解算方法，實(shí)現(xiàn)真速度與附加速度的有效分離；針對安裝偏角誤差問題，為解決傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法易受到試驗(yàn)條件影響、校準(zhǔn)精度差的不足，提出了一種基于航跡推算的校準(zhǔn)方法，通過建立測速儀推算航跡與航行器航跡間的觀測方程，利用最小二乘準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)任意航跡、任意航速下的安

5、裝偏角誤差校準(zhǔn)，降低了試驗(yàn)條件限制要求、提高了校準(zhǔn)精度和效率，從仿真與試驗(yàn)結(jié)果兩方面驗(yàn)證校準(zhǔn)算法的有效性。
　　聲學(xué)多普勒測速儀在水下航行器中完成安裝后，如何在陸上對測速儀性能進(jìn)行全面檢測，尤其對于由大量獨(dú)立陣元組成的相控陣型，一直是人們十分關(guān)心的問題。針對傳統(tǒng)檢測方法需要拆卸測速儀、或者利用幾個(gè)換能器模擬基陣回波信號的不足，本文提出了一種基于相控對接陣的陸上檢測方法，利用相控陣模擬測速儀在不同工作環(huán)境下的基陣回波信號，通過與測速