【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及速度测量领域,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。
技术介绍
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。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。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 ...
【技术保护点】
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: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,z);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;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,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(x,y,z)计算出水流速度和水下物体运动速度,其中N≥6。
【技术特征摘要】
1.一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: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其中,矢量为在Ri→O方向上的分量,为该...
【专利技术属性】
技术研发人员:宁更新,周长库,刘云磊,张军,冯义志,季飞,韦岗,
申请(专利权)人:华南理工大学,
类型:发明
国别省市:广东;44
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