水下航行器中的声学多普勒测速技术研究

摘要

水下航行器作为人类探索海洋的重要工具，在军用、民用领域均具有非常广阔的应用前景。高精度的水下导航定位技术是保障水下航行器安全作业的关键技术之一，而声学多普勒测速仪是水下导航定位系统的重要设备。本文基于声学多普勒测速技术，主要研究了声学多普勒测速的关键技术（宽带和窄带多普勒测速技术、窄带相控阵技术）、水下航行器中的声学基阵安装误差修正技术、基于相控对接阵的陆上检测技术。
　　宽带测速技术能够有效解决窄带测速技术时延和频率分辨率低的问题，目前宽带测速技术在流速剖面测量方面已得到了较为广泛的应用，但对底回波信号的研究较少，而水下航行器导航定位精度主要依赖底跟踪的绝对测速。本文利用宽带测速技术来改善底回波信号的时频分辨率，采用脉冲相干处理方法研究了m序列伪随机编码信号的对底的绝对测速性能，利用蒙特卡洛方法与窄带测速技术进行了对比分析，并与窄带测速进行了对比分析，结果表明m序列除了在测流方面具有明显优势外，也能够有效改善对底测速性能。
　　与常规阵相比，相控阵无需声速补偿且在体积、重量等方面均具有明显优势，适合于水下航行器中使用；然而相控阵在波束形成过程中存在的通道相移误差、增益误差等引起的干扰旁瓣会降低测速性能。本文在对相控阵声场特性分析基础上，针对相控阵设计和束控过程中存在的各种误差对相控波束指向性及测速性能影响进行了分析，并根据分析结果指导设计了一套300kHz相控阵及其相控处理单元，通过水池和海上试验验证了设计参数的合理性。
　　声学多普勒测速仪在安装过程中，受航行器的安装结构及安装偏差影响，无法保证声学基阵坐标系与航行器坐标系完全重合，这将产生基阵安装偏心和安装偏角两种误差，降低了航行器的导航定位精度。针对安装偏心误差问题，本文分析并推导了安装位置偏离摇摆中心时的附加速度解算方法，实现真速度与附加速度的有效分离；针对安装偏角误差问题，为解决传统校准方法易受到试验条件影响、校准精度差的不足，提出了一种基于航迹推算的校准方法，通过建立测速仪推算航迹与航行器航迹间的观测方程，利用最小二乘准则实现任意航迹、任意航速下的安装偏角误差校准，降低了试验条件限制要求、提高了校准精度和效率，从仿真与试验结果两方面验证校准算法的有效性。
　　声学多普勒测速仪在水下航行器中完成安装后，如何在陆上对测速仪性能进行全面检测，尤其对于由大量独立阵元组成的相控阵型，一直是人们十分关心的问题。针对传统检测方法需要拆卸测速仪、或者利用几个换能器模拟基阵回波信号的不足，本文提出了一种基于相控对接阵的陆上检测方法，利用相控阵模拟测速仪在不同工作环境下的基阵回波信号，通过与测速仪相控阵对接实现两相控阵间的声信号传输，建立了相控对结阵数学模型，仿真分析了各种对接偏差对对接性能的影响，并设计实现了相控对接阵系统，从仿真和试验结果两方面验证该方法的有效性。

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第1章 绪论

1.1 立题背景及意义

1.2 声学多普勒测速技术研究概况

1.3 水下航行器中的声学多普勒测速关键技术概述

1.4 论文工作安排

第2章 声学多普勒测速原理

2.1 引言

2.2 宽带和窄带多普勒测速技术

2.3 窄带相控阵技术

2.4 本章小结

第3章 声学基阵安装误差修正技术研究

3.1 引言

3.2 测速仪参考坐标系

3.3 安装偏心误差分离技术

3.4 测速仪航迹推算

3.5 安装偏角校准技术

3.6 本章小结

第4章 基于相控对接阵的陆上检测技术研究

4.1 引言

4.2 相控对接阵原理

4.3 相控对接阵数学模型

4.4 相控对接阵性能分析

4.5 试验验证

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢