（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）計程儀系統(tǒng)設(shè)計和測速算法仿真研究.pdf

a b s t r a c t t h i sart i c l ef o c u so nt h efol l 餌i n gmai np o i n t s :t h ew o r k i n g講i n c i p l eo f t h e s p e e dl o g ， s y s t e mc o n s t i t u t i o n a n d t h e a l g o r i t 靦o f v e l o c i t y mea s u r e 印 e n t . t h el o gs y s t e mi s c o 叩o s e d o f v e l o c i t ys e n s o r ， mat c h i n gc i r c u i t ，t r a n s m i t t e r s y s t e m ， r e c e i v e r s y s t e m and s i g n a 1 pto c e s s i n g u n i t s . t h e t r a n s m i t t e r i n c l u d e s t h e fol l 湃i n g t hre e fun c t i o n a l m o d e s : t h e c i r c u i t o f g e n e r a t i n g s i n e p u l s e s i g n a l b a s e d o n dds ， t h e d i f f e r e n t i a l a id p l i f i e r c i r c u i t ， t h e mat c h i n g c i r c u i t o ft h eo u t p u t t e rmi n a 1 o ft r ans m i t t e r ， se l e c t r i c a l s i g n a l andt h e u l t r a s oni c t r ans d u c e r . t h e r e c e i v e ri n c l u d e sd i f f e r e n t i a l 胡p l i f i e rc i r c u i t and e n v e l o p e d e 啪d u l a t i o n c i r c u i t .i n d a t a 一 p r o c e s s i n g p art ， e n v e l o p e o f e c ho fro mo . 5 5 / l ss p e c i f i cf l ow l a y e ri ss 胡p l e d ，t h e nt h es a 功 p l e ds i g n a li s p r o c e s s e d b y mcu ， s h i p s a i l s p e e d i s c a l c u l a t e d ， v a l l d i t y j u d g e men t i s 啞d e ， t h e n e x ts a 功 p l i n gt i 田 ei se s t i mat e d .thi sart i c l et ake sar e s e arc ho nt h e 盯i n c i p l e o f c r o s s c orr e l ati o n a l g o r i t 恤 ， d i f fer e n c e a l g o r i t 恤a n di 呻r o v e d d i f f e r e n c ea l g o r i t 靦 i nt h ea l g o r i t hln p art .s i mul a t i o nande r r o ra n a l y s i s i nv e 1 o c i t ym e a s u r e m e n t si sp r e s e n t e da tt h ee n d . k e y 賈 o r d : t h eb o u n d aryl a y e r ，u l t r a s o n i cw a v e ，u l t r a s o n i ct r ans d u c e r ， d i f f e r e n t i a ls i ，a l ，1 即e d anc e恤t c h ，d i f f e r e n t i a la 功 p l i f i e r ，a 功 p l i t u d e m o d u l a t i o nr e c e i v e r ，c r o s sc o rre l a t i o na l g o r i t hlu i i 聲明 本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的 研究成果， 盡我所知，在本 學(xué)位論文中， 除了 加以標(biāo)注和致謝的部分外， 不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或 公布過的研究成果， 也不包含我為獲得任何教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使 用過的材料。 與我一同工作的同事對本學(xué)位論文做出的貢獻均己在論文 中作了明確的說明。 研究生簽名:年月日 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔， 可以借閱或 上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi) 容， 可以向有關(guān)部門或機構(gòu)送交并 授權(quán)其保存、 借閱 或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容。 對于保密 論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。 研究生簽名:年月日 碩士論文 計程儀系統(tǒng)設(shè)計和側(cè)速算法仿賓研究 1緒論 1 . 1計程儀的發(fā)展概況 在航海系統(tǒng)中， 采用計程儀可以 連續(xù)測量運動中船舶的速度并計算出船舶的累 計航程。 航海計程儀己 經(jīng)有上千年的歷史了，19世紀(jì)以 后出現(xiàn)了 近代計程儀。 后來 得到廣泛使用的有梅西式和沃克式拖曳計程儀。20世紀(jì)30 年代出 現(xiàn)薩爾式水壓計 程儀和契爾尼克夫式轉(zhuǎn)輪計程儀。 50年代出現(xiàn)電 磁計程儀。以上各種計程儀均系測 量船舶相對于水的航速和航程，只有根據(jù)水的流速和流向加以修正，方能求得船舶 相對于水底的航速和航程。50 年代出現(xiàn)的多普勒計程儀和 70 年代制成的聲相關(guān)計 程儀， 在一定水深內(nèi)可以直接測量船舶相對于水底的航速和航程，使計程儀發(fā)展到 一 個 新 的 水 平 川 。 近代計程儀主要由測速部分和指示部分組成。測速部分用以檢測和放大船舶航 速信號或航程信號;指示部分用機械或電氣形式顯示船舶航速或航程，再通過積分 或微分方法顯示航程或速度。不同 類型的計程儀的工作原理和性能如下所述。 ( 1)拖曳計程儀。 利用相對于船舶航行的水流， 使船尾拖帶的轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運動， 通 過計程儀繩、聯(lián)接錘、 平衡輪， 在指示器上顯示船舶累計航程。 這種計程儀線性差， 高速誤差大，受風(fēng)流影響大，操作不便，但性能可靠，有的船舶作為備用計程儀。 (2) 轉(zhuǎn)輪計程儀。 利用相對于船舶航行的水流， 推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)， 產(chǎn)生電脈沖或機械 斷續(xù)信號，經(jīng)電 子線路處理后， 由 指示器給出航速和航程。 這種計程儀線性好， 低速 靈敏度較高，易于計算、較準(zhǔn)確 ( 有的速度精度可達0 . 1 節(jié)，航程精度可達0 . 5 % ) 結(jié)構(gòu) 簡 單， 成 本低等 優(yōu)點2 ， 但機械部分容易 磨損。 除小船應(yīng)用外， 已 逐 漸被淘汰。 ( 3)水壓計程儀。 利用相對于船舶航丘水流的動壓力， 作用于壓力傳導(dǎo)室的隔膜上， 轉(zhuǎn)換為機械力，借助于補償測量裝置，將機械力轉(zhuǎn)換為速度量，再通過速度解算裝 置給出航程。這種計程儀工作性能較可靠，但線性差，低速誤差大，不能測后退速 度，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不便，漸被淘汰。 (4) 電磁計程儀。 通過水流 ( 導(dǎo)體) 切割裝在船底的電磁傳感器的磁場， 將船舶航 行相對于水的 運動速度轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電 勢，再轉(zhuǎn)換為航速和航程。其優(yōu)點是線性好， 靈敏度較高，可測后退速度，目 前使用最廣。 ( 5)多普勒計程儀。 利用發(fā)射的聲波和接收的水底反射波之間的多普勒頻移測量船 舶相對于水底的航速和累計航程。這種計程儀準(zhǔn)確性好，靈敏度高，可測縱向和橫 向 速度， 但價格昂貴。 主要用于巨 型船舶在狹水道航行、進出港、 靠離碼頭時提供 船舶縱向 和橫向 運動的精確數(shù)據(jù)。最突出的特點是具有很高的靈敏度， 在2 00米左 碩士論文計程儀系統(tǒng)設(shè)計和測速算法仿真研究 右水深范圍內(nèi) 測相對海底速度， 能精確到0 . 01節(jié)圖 。 多普勒計程儀受作用深度限制， 超過數(shù)百米時，只能利用水層中的水團質(zhì)點作反射層，變成對水計程儀。 ( 6)聲相關(guān)計程儀。 應(yīng)用聲相關(guān)原理測量來自 水底同一散射源的回聲信息到達兩接 收器的時移，以 計算出相對于水底的航速和航程。 這種計程儀可測后退速度，兼用 于測深。 水深超過數(shù)百米時也變成相對于水的計程儀，尚 在改進中。 。 本文針對聲相關(guān)計程儀的系統(tǒng)組成和工作原理進行研究和分析。 1 . 2船舶的測速原理和方法 目 前，測量船舶速度測量主要有兩大類: 一類是測量船舶相對水的速度。測量對水速度的儀器稱之為流速儀， 光流速儀，聲學(xué)多 普勒流速儀，相關(guān)流速儀側(cè)等。 另一類是測量船舶相對地面的速度。對地速度的測量可以使用雷達、 下面介紹聲相關(guān)測速，多普勒測速，gps 測速的原理。 目前有激 g ps 等。 1 . 2 . 1聲相關(guān)測速原理 在船底板安裝兩個超聲波換能器a ， b ， 這兩個換能器與船舶航行的方向在同一 根軸上，其示意圖如圖1 . 1 . 1 所示。傳感器距離為d. 反射水層 圖1 . 1 . 1 聲相關(guān)對水測速原理示意圖 a ，b 傳感器各自 發(fā)射和接收脈沖信號，在一個時間段內(nèi)的 傳感器a ，b的接收 回波包絡(luò)基本一致， 只是a 的回波包絡(luò)相對b 存在一個延遲時間。通過對這兩個相 似信號進行互相關(guān)運算，找出 其相關(guān)峰值對應(yīng)的延遲r ， 傳感器的間 距d己 知， 可 以 通過計算得到船舶 對水航行的 速度獷 = d / : “ 。 對水速度測量的 互相關(guān)示意圖 如 圖1 . 1 . 2 所示。當(dāng)船舶航行的水域水深在數(shù)百米以內(nèi)時，可以發(fā)射低頻段的超聲波 信號， 對海底反射信號進行相關(guān)處理計算船舶的 對地速度l 。 碩士論文 計程儀系統(tǒng)設(shè)計和測速算法仿真研究 fo rea n d last 總體回波包絡(luò)互相關(guān)1 圖1 . 1 . 2 互相關(guān)示意圖 1 . 2 ， 2多普勒測速原理 多普勒測速的原理圖如圖1 . 1 . 3 所示，傳感器b 發(fā)射脈沖信號，傳感器a 接收 微小顆粒團的反射信號34， 船對水相對運動速度為 v ，根據(jù)多普勒效應(yīng)可知多普勒 頻移兒= 2 v.co s( 叻從， 發(fā)射載頻已 知，尹 角可知，只要 計算出多普勒頻移， 那么 船舶對水的 航行速度v 也 就知道了， ， 。 v船底板 圖1 . 1 . 3 多普勒對水測速原理圖 a 發(fā)射信號頻譜峰值 b 接收信號頻譜峰值 剛翎繃鉚 02 (扣月 0 0儀犯日 0 01 00 01 2 001 4 0 01 6 0 0 圖1 . 1 . 4 多普勒頻移示意圖 碩士論文計程儀系統(tǒng)設(shè)計和瀏速算法仿真研究 圖11 . 4 中對發(fā)射信號和接收信號在頻域上進行了比較，可以看出接收回波相 對發(fā)射信號有多普勒頻移。與聲相關(guān)法類似，當(dāng) 船舶航行的水域水深在數(shù)百米以內(nèi) 時， 可以 發(fā)射低頻段的超聲波信號，對海底反射信號進行多普勒分析計算船舶的對 地速度t ， 。 1 . 2 . 3gps 測速原理 c p s可以 在全球連續(xù)地實施導(dǎo)航與定位， 同時定位精度高， 實時定位速度快，已 經(jīng)廣泛裝備船舶上用以 導(dǎo)航。 也同時為艦船性能( 快速性、 操縱性)的精密測量提供 了良好的手段。 通過對衛(wèi)星信號的多普勒頻移的測量， 列出4顆衛(wèi)星距離變化率方程。 根據(jù)已 經(jīng)測定的偽距和解得的用戶位置，可以求得用戶的三維速度和鐘差的變化率。 距離變化方程如式( 1 . 1 . 1): 尸雙1 _ ( xs， 一 x x 弋一 x ) +(乙一 均氏一 均+(凡一 2)( 凡一 2) ( 戈一 x)2 +(幾一 叮+( 幾一 2) 2 + 比與+ c( 氣 一 氣 ) 1 二 1 ， 2 ， 3 ， 4( 1 . 1 . 1 ) 其中pr， 偽距變化率，由多普勒測量獲得;( x .， 乙 ， 凡) 第 j顆衛(wèi)星位置坐標(biāo); ( x.， 兀 ， 幾) 一 第j 戶速度，為未知數(shù); 顆衛(wèi)星運動速度; ( x ， y，z)用戶位置， 由 定位獲得: ( 尤 ， y，刀用 心 用戶鐘差變化率;a 心 ， 傳播延遲誤差變化率，由導(dǎo)航電 文 得知; 氣 衛(wèi)星 鐘 鐘 差 變化率， 近 似為 零們 。 根據(jù)式 (1. 1 . 1)確定的四 個方程， 就可確定 船舶的 速度( x ， y，z)了. g ps測 速 的結(jié)果與相關(guān)測速和多普勒測速不同，它測得的是船舶對地的速度。 1 . 3本文的研究工作 圖 1 . 2 . 1 為計程儀的系統(tǒng)原理框圖.信號的產(chǎn)生和發(fā)射:本系統(tǒng)采用 3 . s m h : 和4 ， 2 陽2 的正弦波作為載波信號，正弦波信號由dds 產(chǎn)生， 通過控制d ds輸出脈沖 形式的正弦波信號。 產(chǎn)生的脈沖正弦波信號并不能 直接發(fā)射出 去，要將單路的正弦 波信號轉(zhuǎn)為差分信號輸出，通過匹配電 路才能與超聲波換能器相連， 最終由 超聲波 換能器將脈沖電 信號轉(zhuǎn)換成脈沖形式的超聲波輻射出去。 信號的 接收和處理: 超聲波在照射到微小的顆粒后會有極小部分的能量反射回 來，并被調(diào)制了幅度信息。對該信號進行幅度解調(diào)，輸出包絡(luò)。 m cu 對解調(diào)后的包 絡(luò)信號進行人 / d 轉(zhuǎn)換，在累計0 . 55/ 15的時間內(nèi) 采樣，對采樣數(shù)據(jù)進行處理，計算 出船舶的航行速度。 碩士論文計程儀系統(tǒng)設(shè)計和側(cè)速算法仿真研究 圖1 . 2 . 1 計程儀設(shè)計的原理結(jié)構(gòu)框圖 計程儀是測量船舶航行速度并計算出船舶累計航程的船用儀器， 本文主要研究 計程儀的測速原理和系統(tǒng)組成。工作的內(nèi)容包括以下幾點: ( 1)超聲波和邊界層對船舶測速精度會產(chǎn)生影響， 為此重點研究超聲波傳播速 度和溫度、 鹽度及深度的關(guān)系;分析了 超聲波的衰減特性，以及分界層厚度與船舶 航行速度的關(guān)系。 (2) 對換能器的主要性能指標(biāo)工作頻率、 方向性， 對測速傳感器內(nèi)部的換能 器 布局等進行了研究，以選用合適的換能器。 (3) 對相關(guān)計程儀系統(tǒng)進行原理框圖設(shè)計，包括換能器接口電路、發(fā)射通道、 接收通道和數(shù)據(jù)處理單元。 (4) 基于測速誤差性能， 對相關(guān)算法、 差分算法、 改進差分算法進行仿真分析。 從計算復(fù)雜度來講， 互相關(guān)算法的計算時間比 較長，差分算法的計算時間比 較短。 在高速情況下，互相關(guān)算法測速誤差比差分算法大的多; 在慢速情況下，互相關(guān)算 法的誤差性能則優(yōu)于差分算法。 碩士論文計程儀系統(tǒng)設(shè)計和側(cè)速算法仿真研究 2超聲波和船底流層對測速的影響 超聲波的傳播速度影響接收回波的 起始時間和接收時間寬度， 其衰減特性為選 擇合適的超聲波頻率提供參考。另外船舶航行時會在船底板下產(chǎn)生一流層，這個流 層的厚 度和船舶的航行速度有關(guān)，在選擇回波水層時，不要選在流層厚度以內(nèi)，它 會使測速誤差增大。 為了更精確的測量船舶的航行速度，有必要對超聲波的傳播， 衰減特性和分界層厚度進行相應(yīng)的研究。 2 . 1超聲波傳播和衰減特性 超聲波的傳播和衰減特性和媒質(zhì)有關(guān)， 本文中涉及的媒質(zhì)是海水。 下面將討論 超聲波在海水中的傳播和衰減特性。 2 . 1 . 1超聲波衰減特性 超聲波的傳播中衰減的原因主要有三個方面:一，聲束的擴散:二，材料中的 晶粒或其他微小粒對聲波的 散射;三，介質(zhì)的吸收囚 。 在超聲波檢測實際工作中，談到超聲波在固體材料中的衰減時，通常關(guān)心的是 散射衰減和吸收衰減，而不包括擴散衰減。 對于平面波來說，聲壓衰減規(guī)律可以 用 公式( 2 . 11)表示。 p 二 po e (2. 1 . 1) 其中 po是 入射到 材 料中的 起始 聲壓;p 為 在 材料中 傳 播 距離x 后的 聲 壓;“ 是 衰 減系數(shù)。 超聲波在液體介質(zhì)中的衰減主要來源于吸收衰減。衰減系數(shù)a 如式(2 . 1 . 2): 3 那3 “ = 旦 魚魚( 2 . 1 . 2 ) 其中p 是介質(zhì)的密 度;n 是質(zhì)的粘滯系數(shù);。 是質(zhì)中的聲速。 根據(jù)公式(2 . 1 . 1)將其對數(shù)變換可得以下關(guān)系式: 。 止in 丘( 2 . 1 . 3 ) 工p 此時，q 的單位為np/ 儷 ， inp/ 咖= 8 . 68db/ 咖。 實際測量中的衰減系數(shù)。 采用的是db/ nun單位， 所以使用式(2 . 1 . 3)的時候必須 換算為即/ 恤為單位的 值。 在用衰減系數(shù)計算超聲波在介質(zhì)中傳播一定距離后的聲 壓的衰減量時，可直接將衰減系數(shù)與超聲波通過的距離相乘得到衰減的分貝數(shù)，即 碩士論文計程儀系統(tǒng)設(shè)計和測速算法仿真研究 嘆 召=口 八丫 可知當(dāng)f 10 hz時， 海水的吸收系數(shù)和淡水基本相同 口 = 2 . 1 7 x l o 書 f z ( d b / c m ) ( 2 . 1 . 4 ) ，衰減近似公式如式(2 . 1 . 5)。 ( 2 . 1 . 5 ) 2 . 1 ， 2計算超聲波衰減的經(jīng)驗公式 超聲波衰減主要考慮吸收衰減，海水中的吸收衰減受多方面的影響，ainsl ie 和 m ccolm 認(rèn)為: 海水總的吸收= 硼酸影響十 硫酸鹽影響十 純水影響61 。 城 君 關(guān) f z 人 十 f z + 凡 君 f z ( 2 . 1 . 6 ) 其中pi，幾，乃為 壓力 系 數(shù)，石 ，人為 弛 豫頻率。 關(guān) 是 受 硼 酸 鹽 決 定 的 ， 五 = 0. 78 振ha(tl 均 ; 人 是 受 硫 酸 鎂 決 定 的 ， 人= 4 2e (t 117 ， 基于這兩種影響的吸收系數(shù)為j= 粘 滯吸 收 系 數(shù) 為 : “ .= 眾 0 0 0 49 廠e 一 (tl ” +dj17 ) db/ 加。 將各項代入公式(2. 1 . 6)得 。 _ 。 .1 。 6 一 粼忿 e ， 二 ，吩 * 。 .5 2 廠 1 * 二 丫 蘭 、 華燕.e 一 d ，。 + 。 。 。 。 4 9 ， ze 一: ， 。 ，.7，姍 / 、 關(guān)+ f 氣 4 3 八3 5 少 人 + 廠 ( 2 . 1 . 7 ) 其中t 為 海水 溫 度 c ; 5 為 海 水鹽 度編; d 為 離 海面的 深 度; 五 ，人為 弛豫 頻率。 世界各大洋的 鹽度和溫度的不同導(dǎo)致了 在不同的 大洋里的吸收系數(shù)曲 線也會有 所不同。 世界大洋鹽 度平均值以 大西洋最高， 為34. 90， 平均水溫17 c;印度洋次 之， 為3 4 . 7 6 ; 太平洋最低， 為3 4 . 6 2 ， 平均水溫1 9 . c; 北冰洋是3 1 ， 平均水溫一 1 . 7 c 東地中海在八月鹽度是為40，平均水溫31 c。 圖2 . 1 . 1 給出了 太平洋， 大西洋， 北冰洋的一年平均鹽度和平均溫度下的吸收 系數(shù)曲 線，另外給出了 東地中 海8 月份的吸收系數(shù)曲 線。 這四條曲 線都是水面以 下 2米處的吸收系數(shù)隨頻率的變化曲線圖?？梢娫诤Ｋ械某暡ㄎ障禂?shù)比聲波大 很多，不像聲波能傳播幾千公里依然能夠接收到，超聲波頻率如果很高的話，那么 在傳播一小段距離 后能量就會衰減為零。 所以在超聲波的 頻率選擇上也要仔細分析。 頻率選高了， 衰減自 然也 就會高， 回波信號會很微弱， 無法進行處理; 頻率選低了， 衰減太小， 會對下 個回 波接收區(qū)間 產(chǎn)生大的 干擾。 這里 選擇3 . s mhz 和4 . z mhz 作 為 超聲波的發(fā)射頻率。 碩士論文 計程儀系統(tǒng)設(shè)計和測速算法仿真研究 ， 了 1 礦 ， oa ，0口 斌友毯e二己p冤解 1 00 1 丫砂 1 0-a 覽 1 o1 0 ，1 了 頻率k hz( 取對數(shù)) 1 了 圖2 . 1 . 1 海水中超聲波吸收系數(shù)曲線 2 . 1 . 3超聲波在海水中的傳播 超聲波在海水中的傳播速度受到海水溫度和海水鹽度的影響，不過超聲波的傳 播速度的經(jīng)驗公式已經(jīng)在前人實驗的基礎(chǔ)上上給出了如式(2 . 1 . 8)的定義。 。 1 4 馭 . 9 + 3 (t 一 1 0) 一 6 x l o 一 3 (t 一 1 0 產(chǎn) 一 4 、 1 。 一 (t 一 1 5 ) 2 + 1 2 伍 一 3 5 ) 一 1 0 一 (t 一 l s x s 一 3 勻 + 刀 / 6 1 ( 2 . 1 . 8 ) 其中c 為超聲波速度耐5 ;t為海水溫度;5 為海水鹽度編;d 為離海面的距離。 在超聲波換能器旁安裝一個溫度傳感器，監(jiān)控水溫的變化，計算當(dāng)前超聲波在水中 的傳播速度， 用于精確定時接收回 波的開始時間。 更加詳細的內(nèi) 容在第5 章中進行的 討論。 圖2 . 1 . 2 中劃出t鹽度3 5 ，水深分別為s m ，1 0 0in， 5 0 0m， 1 0 0 0m， 1 5 0 0m，溫度由 一 c 35 ，c之間變化時 傳播速度的 變化曲 線。鹽度35， 深度s ln 時的的速度變化范 圍在1 4 3 0 . 6 mjs 1 5 4 9 . 3 n 州 5 。 8 碩士論文計程儀系統(tǒng)設(shè)計和測速算法仿真研究 超聲波在海水中傳播速度與溫度的關(guān)系 - - 一 一 5 = 35， 0 = 5 一5 = 35， 0 = 1 00 一 一5 二 3 5，d=5 1犯二 介: 5 = 3 5 ， 0 = 1 0 0 0 5 = 35. 0 二 1 500 之 了 二少尹 一 扮 廠 二， 了 - 式 仁 少 之e)側(cè)瑕卑半 鄉(xiāng) 少 分 零攝氏度 501 001 502 0 02 50習(xí) 0 03 504 0 0 叫叫咧翩!叫1叫叫11420l0 溫度/01 攝氏度 圖2 . 1 . 2 同 等鹽度下超聲波傳播速度與溫度的關(guān)系曲線 超聲波在海水中傳播速度與溫度的關(guān)系 一5 = 2 1 ， 0 ， 5 - - - 一 5 = 27， 0 二 5 一 一5 = 韶， 0 二 5 - - 一 5 = 38， d= 5 一5 = 42 ， 0 二 5 少 產(chǎn) 曰 尸 廠廠子 尸z 產(chǎn)尹 一 產(chǎn) 乒沙 尸 少 扮 一j 產(chǎn) 尹 二 牙 叮 廠 紛 獷 夕 “二 二 / z 夕 護 /2 尸/ /- ， ， / z j / 零攝氏度 501 00， 502 002 503 003 5 04 0 0 吧祠1.詞1咧耐j1461)，44ol114allli耐。 .它側(cè)瑕卑掌 溫度10 . 1 攝氏度 圖2 . 1 . 3 相同深度下超聲波傳播速度與溫度的 關(guān)系曲 線 圖 2 . 1 . 3中劃出t深度 sm， 鹽度分別為 2 1 ，2 7 ，3 2 ，3 8 ，4 2時，水溫在 一 5 c 35 . c一，c一 3 5 c之間變化時，超聲波傳播速度曲線。 從圖2 . 1 . 2 和圖2 . 1 . 3 中可以得到如下結(jié)論， 在深度變化，鹽度變化， 溫度變 化這三個影響超聲波傳播速度的因素中，溫度變化的影響最大。根據(jù)以上的分析， 碩士論文 計程儀系統(tǒng)設(shè)計和測速算法仿真研究 在計算超聲波實際傳播速度時，主要考慮溫度的變化，而忽略深度和鹽度的影響。 2 . 2船舶航行時的 分界層分析 船舶在航行中會在船底下產(chǎn)生一個流層， 為了 得到這個流層的厚度，在本節(jié)中 研究了 流體力學(xué)的分界層理論。并在理論基礎(chǔ)上對分界層厚度和船舶航行速度的關(guān) 系做分析，并進行相關(guān)仿真。 人們熟悉的 大多數(shù)外流均屬r el的流動。 一般物體的 特征長度在l =0 . 01m 1 0m 范圍，當(dāng)物體在空氣或水中以 速度 u “0 . l m / 5 i o 0 m / 5 運動時，相應(yīng)的雷諾 數(shù)約在1 00一1 。 ， 之間。 普通汽車和船舶以正常速度行駛時， 空氣和水的雷諾數(shù)均在 106 以上，飛機繞流的雷諾數(shù)則更高，因此大re流動是普遍存在的現(xiàn)象。 普朗特認(rèn)為實際流體在流過固壁時粘附于固壁上，在固壁附近形成一個從固壁 速度為零到外流速度的速度梯度區(qū)。 在大re流動中， 該區(qū)是一薄層， 普朗特將其稱 為 邊 界 層 7j 。 2 . 2 . 1邊界層特點 圖2 . 2 . 1 為零攻角無分離的平板邊界層流動示意圖。x 軸位于板面內(nèi)，指向流 動 方向 ， y 軸 垂 直向 上， 原 點 在 板 前 緣。 來 流 為 均 流u，邊 界 層厚 度為以x)， 在 板 末端的厚度為占 7， . u . 一 卜 占x 圖2 . 2 . 1邊界層示意圖 1 . 邊界層厚度估算 按普朗特的觀點， 在邊界層內(nèi)粘性力與慣性力量級相當(dāng)。 設(shè)平板長l ， 單位體積 流體的 慣性力為戶 加/ dt， 對定常流動按遷移慣性 力計算， 相應(yīng)的 量級大小為單 位 體積流體的 粘性力為閃z u/即2 ， 相應(yīng)的量級大小 面_ ， ， 。， _ _、 洲于 一 風(fēng) / 1( 2 . 2 ， 1 ) 欲 單位體積流體的 粘性力為閃z u/今2 ，相應(yīng)的量級大小 碩士論文 計程儀系統(tǒng)設(shè)計和側(cè)速算法仿真研究 加2 產(chǎn)二氣， 即 -= 產(chǎn) 孚 ( p)一 ， u / 護 刁即 ( 2 . 2 . 2 ) 在層流邊界層中由慣性力和粘性力量級相等可得 ; 一 擺 一 渝 ，“ - 戶 更 刀 竺 y ( 2 . 2 . 3 ) 其中v : 運 動粘 度m z /s:p : 密 度;u: 速 度;產(chǎn) : 運動 粘 度n 5/擴 式(2 . 2 . 3)表明 邊界層厚度與幣 石成反比。若 r e之 1 0 ， ，邊界層厚度 占 0. 001 61，若1 6m， 邊界層是毫米量級的。當(dāng)re斗 00， 邊界層厚度趨于零。因 此邊界層的 首要 特點是厚度很小刀 。 2 . 邊界層名義厚度 通常將邊界層厚度定義為速度達到外流速度 (u) 的某個百分比時離壁面的垂直 距離， 稱為名義厚度截x)， 習(xí)慣上該百 分比 取99%。比 例系數(shù)為5 時， 按此定義計 算的平板邊界層厚度 徹 一 5. 。僵 ( 2 . 2 . 4 ) 3 . 邊界層厚度的增長 設(shè)在離平板前緣距離為x 處的截面上， 定義當(dāng)?shù)乩字Z數(shù) re= 三 竺= 竺 v ( 2 . 2 . 5 ) 按上述同樣的方法可估算在層流邊界中當(dāng)?shù)剡吔鐚雍穸?截 。 一 僵 = 停 ( 2 . 2 . 6 ) 上式 表明 層 流 邊 界 層的 厚 度與石成 正比 ， 隨 著 沿 平 板 流 動的 深 入 ， 邊界 層 厚 度不 斷 增長。 4 . 邊界層內(nèi)的 流態(tài) 實 驗觀察表明 在平板前部邊界層內(nèi) 是層流， 深入到一定距離后層流向 湍流轉(zhuǎn)變， 變成湍流邊界層， 厚度將明顯增加，如圖2 . 2 . 2 。 測量表明實現(xiàn)轉(zhuǎn)變的下臨界當(dāng) 地 雷諾數(shù) re。= 3 .z x l o ，( 2 . 2 . 7 ) 如果以 邊 界 層厚 度為 特征尺寸 ， 相應(yīng)的 臨 界 雷 諾數(shù)約 為re。= 2 8 00。 實際 的 臨 界 雷 諾數(shù)與來流的 擾動程度 ( 湍流度) 及壁面的 粗糙度等因素有關(guān)切 。 碩士論文 計程儀系統(tǒng)設(shè)計和側(cè)速算法仿真研究 xcr 圖 2 .2 . 2 邊界層內(nèi)流態(tài)示意圖 2 . 2 . 2邊界層厚度 船舶 航 行時的 分界 層厚度和海水的 密度幾 ， 海水的 動 力粘度凡 ，以 及船舶 航行速度有關(guān)。在20 . c時，海水的各項參數(shù)為:只 咧二 1 0 25枯/ 擴 ， 際 = 1 .0 7 e 刁 kg /( m 5 ) ， 場 二 叢 絲= 1 .0 4 3 9 、 1 0 “ m ， tb 。 幾腳 產(chǎn) 和溫度的關(guān)系如式(2 . 2 . 8)。 ; = 、 。 exp c 譽 一 1) ( 2 . 2 . 8 ) 注: 在0 t 100 c，其計算精度在士 6 % 。 船舶航行中邊界層厚度計算與當(dāng)?shù)乩僦Z數(shù)有著密切的關(guān)系。 當(dāng)1 03 凡 1 o 6 時為 層 流 1 占 “ 5 0 x ra z( 2 . 2 . 9 ) 當(dāng)1 。 0 時的刀 尸 ( 兄 ) 示意圖 圖5 . 2 . 5 延時一 丁 0 的d f ( 兄 ) 示意圖 將式( 5 . 2 . 1 ) ，式( 5 . 2 . 2 ) ，式( 5 . 2 . 3 ) 代入式( 5 . 2 . 4 ) 得 二( ， ) = 駕x ( ， ) x ( ， + 兄 沖+ 此x ( ， + : ) x ( ， + 二 + 義 沖一 2 此x ( ， ) x ( t + : + ; 沖 ( 5 . 2 . 5 ) 進行變量變換得 。(; ) 二 此x ( ， ) x (， + 兄 沖+ 鴛x ( ， ) x ( t + 兄 沖一 2 此x ( ) x (， + r + 兄 沖 ( 5 . 2 . 6 ) 經(jīng)過移項后得 碩士論文 計程儀系統(tǒng)設(shè)計和測速算法仿真研究 df “ ， 一 ， (繪 x ()x ( + “ 沖 一 鴛 x ()x (+ : + “ 沖 ) 根 據(jù) 自 相 關(guān) 特 性 氣仕 ) 一 氣歸) 上 式 簡 化 為 df “ ， 一 2 (駕 x ()x ( 一 “ 沖 一 此 x ()x ( + : + “ 沖 ) 式( 5 . 2 . 8 ) 即 ( 5 . 2 . 7 ) ( 5 . 2 . 8) ，(“ ) 一 2 此x ( ， ) ( x (卜 兄 ) 一 x ( ， + : + 兄 ) 沖 ( 5 . 2 . 9 ) 其中 x( o 是 能 量 有 限 信 號 x( t) 之 0， 要 是 使df( 幻=0須 滿 足 條 件 x ( t 一 兄 ) = x ( t + r + 兄 ) ( 5 . 2 . 1 0 ) 當(dāng)取兄=一 丁 / 2 時上式必然成立，由此可知在小一 : 之間存在一中間點一 r / 2 使 刀 尸 ( 刃幻，只要確定了該點，那么船的航行速度也就可以 求出了。 對于信號長度為-oo 一 柳 的信號，計算 0和一 t 這兩點的刀 尸 林 ) 值.由公式 ( 5 . 2 . 9 ) 可知 兄二0 時 df 0 ， 二 ， ( 此 x ()x (沖 一 駕 x ()x ( + 沖 ) ( 5 . 2 . 1 1 ) 兄=一 丁時 df (一 : 卜 ， ( 此 x () x ( 一 (一 : )沖 一 此 x () x ( + 卜 : 沖 ) 5 2 2 ， 式( 5 . 2 . 1 2 ) 化簡后得 df (-r ， = ， ( 駕 x () x ( + : 沖 一 此 x (，)x (，沖 ) ( 5 . 2 . 1 3 ) 顯見刀 尸 卜約= 刀 f ( 0)， 下面證明刀 尸 ( 幻在 0 、丁 之間是關(guān)于一 丁 / 2 對稱的， 令 0 刀 0， df( 凡 2 ) 。 ， 那 么 福j 在凡 和凡 ， 之 間 ， 根 據(jù) 三 角 形 相 似 定理 df( 劫= 福 刀 尸 ( 凡 6 ) 一 刀 盧 ，( 凡 2 ) 其中df氏) 近似有df( 凡 ) = ( 5 . 2 . 3 1 ) 得 心一 凡 z d 甲 ( 幾 ) 一 刀 石 ， ( 凡 ， ) ( 5 . 2 . 3 1 ) ，且凡 2 = 2 入 ，將其代入式 碩士論文 計程儀系統(tǒng)設(shè)計和側(cè)速算法仿真研究 2 旦 三 ( 心卜夕 甲 ( 禮) _ df( 凡) 一 df( 人) 探目幾 6 ( 5 . 2 . 3 2 ) _ 2 夕 刃 以 卜df眺2 ) ， 物 一 厲訊 1 廠廊麗萬 “ ( 5 . 2 . 3 3 ) 發(fā) 射 脈 沖 頻 率 為 揚 ， 周 期 為 爪加 = ， 兩傳感器之間的距離為d ， 那么船航行的速度為 卜三 = 三 竺 竺 竺 竺 2 凡 卿 d ( 5 . 2 . 3 4 ) 根據(jù)式( 5 . 2 . 33) 和式(5 . 2 . 34) 可計算得到船航行的速度v 2 凡 獷二二 二 = 二 二 二 藝二刀 尸 ( 幾 。 ) 一 刀 尸 ( 凡 2 ) z d 尸 ( 幾 ) 一 刀 2 矛 ( 凡 2 ) ( 5 . 2 . 3 5 ) 而凡 。 = 1 6 凡j. ， 則 航 速 可 寫 為 、 1-d 一 se nsor v 一不 尸 萬 丁 二- 一x x立 田月 山 刀 尸 ( 凡 ) 一 d 尸 ( 凡 2 ) z d f ( 凡 ) 一 刀 聲 ， ( 凡 2 ) ( 5 . 2 . 3 6 ) 對 于凡 哪 在 不同 區(qū) 間 內(nèi) 時 的 航 速v，可 用相 似的 方 法 得 到 ， 對 應(yīng)的 計 算 公 式 如 表5 . 2 . 1 所示， 零點區(qū)間端點是以2 ” 遞增的， 公式能求出速度的最大時移為1 27個 脈沖周期。 標(biāo)時 所 在 區(qū) 間 航速v 對應(yīng)公式 凡一 凡 卜生 巴 竺 里、 翌衛(wèi)上絲互 魚 上 zx爪加 z d f ( 凡 ) 一 df( 凡 ) 凡一 凡， ，d sensord f ( 幾卜刀 石 丫 幾) v= ， ， ， 二 二 -一xes 鉀 ， 二 ， es， es es es - 二 二 2 x 2 爪加 z d f ( 凡 ) 一 刀 f ( 人 ) 凡一 凡， ，d se nsord f ( 幾卜刀 尸 ( 幾) v= ， ， ， 二 二 ， ， 一 一x ee ee ， ， 二 二 ， ， es . 一 -二一 二 二 ， 2 x 4 兀 幽 z d f ( 入 ) 一 df( 凡 ) 碩士論文 計程儀系統(tǒng)設(shè)計和側(cè)速算法仿真研究 凡一 幾 d sed 廠 丫 幾卜刀 尸 ( 兄 ) v= xeeee一 二 - 二 二 - - - -一 : 一止 竺 二 - 2 x 8 毛 . 加 z d f ( 凡 ) 一 刀 石 ，( 凡 ) 凡 一 棍 ， ，d sensord f ( 元 、 一 d 尸 ( 幾， 飛 v= - 二 二 種 一一x- - - - - - 二 - j 蘭- z x l 6 爪 曲 z d f ( 入 6 ) 一 df( 凡 2 ) 丸 一 心 d sen s o r d f ( 凡， 、 一 刀 尸 ( 幾 、 v= x se ， ， ， ， ， ， 二 二 戶 ee目 一- - 搜 二 二 - 2 x 3 2 幾 山 z d f ( 凡 2 ) 一 d 廠 ( 布) 5 . 2 . 3區(qū)間選擇的流程圖 計算船舶航行速度的關(guān)鍵之處在于找到d 尸 以) 在。 一: 區(qū)間內(nèi)的零點，在 。 一1 區(qū)間內(nèi)刀 石 ，( 兄 ) 近 似呈 線性特性， 只要找到符號相反的 兩個點， 則零點就在此 兩 點 的 區(qū) 間 內(nèi) ， 根 據(jù)5 . 2 . 2 節(jié)中 的 計 算公 式 就 可 得 到 相 應(yīng)的 速 度。 對區(qū) 間幾一 凡， 凡一 幾， 凡一 凡， 凡一 幾 ， 凡 。 一 凡 2 ， 凡 2 一 匆的 選 擇 流 程 如圖5 . 2 . 7 至圖5 . 2 . 1 20 根據(jù)逐步逼近原理，尋找能計算出延遲時間的區(qū)間，并計算出航速。 圖5 . 2 . 7 凡 凡區(qū)間的 選 擇計 算 碩士論文計程儀系統(tǒng)設(shè)計和測速算法仿真研究 圖5 . 2 . 8 凡 人區(qū)間的 選擇計算 圖5 . 2 . 9 人 凡區(qū)間的 選擇計算 碩士論文 計程儀系統(tǒng)設(shè)計和側(cè)速算法仿真研究 圖5 . 2 . 10 人 凡 。 區(qū)間 的 選擇計 算 圖5 . 2 . 11 凡 棍區(qū)間的 選擇計算 碩士論文計程儀系統(tǒng)設(shè)計和側(cè)速算法仿真研究 圖5 . 2 . 12 棍與區(qū)間 的 選 擇計 算 5 . 2 . 4互相關(guān)算法和差分算法的計算量分析 假設(shè)回波信號波形1 和它的延時回波信號2 ，對這兩個回波采n 個點的樣值， 、 ， 、二二胡二，、二 _ ，*、 二。， 、 串二 ，傳感器間距二丫，。 。 。 尸 *一一 當(dāng)使用互相關(guān)算法計算 航速時，根據(jù)公式卜 止 至 呈蘭 竺 二 竺 丘，由于傳感器距離已 知， 一r 只要確定一 r 的值，那么速度就可知道。 為了 確定一 r ， 必須計算這兩個波形的互相關(guān)函數(shù)在每個時移單位處的相關(guān)值， 即計算z n一 1 個點的 相關(guān)值，而每個點又有n 次乘法和加法運算，為了找出 相關(guān)峰 值， 還須對這z n一 1 點 進行最大值查找， 一共2 卜1 次比 較， 雖然最后在無噪聲且脈 沖發(fā)射頻率足夠高( 不考慮邊界層厚度) 的 情況下可以 精確的求出延時一 r ， 但在系 統(tǒng)運算速度的限 制下，查找嘴所消耗的時間 將會很長， 不利與航速的實時刷新。 相對于互相關(guān)算法，差分算法計算量大大減小，根據(jù)刀 尸 ( 為在。 一: 之間的 近 似線性特性，可以 利用這個性質(zhì)找出 一 燈2 ， 速度就可計算出 來。為了 查找一 燈2 這 點， 只 要 計 算df以) ， df( 凡 ) ， df( 成 ) ， df( 凡 ) ， df( 凡 ) ， 刀 甲 ( 凡 2 ) ， 刀 尸 ( 布) 這幾個離散點的相關(guān)值就足夠了，將這幾個值分別和0 進行比 較，找出符號變化的 碩士論文計程儀系統(tǒng)設(shè)計和測速算法仿真研究 那兩個臨近的點， 在根據(jù)三角形相似定理可計算得到航速 v ，顯然差分算法的計算 量降低了很多，有利于速度的實時更新。 5 . 3對互相關(guān)和差分算法的仿真及性能分析 如圖5 . 3 . 1 超聲波傳感器安裝在船底板3 上， 傳感器1 ， 2 與船舶航行方向在一 個軸上，并一前一后排列。在海水中存在一些微小顆粒 9 ，如當(dāng)前水流中的氣泡， 浮游生物等構(gòu)成了 傳 感器發(fā)射信號的 反 射截面積岡. 傳感器1 ， 2 發(fā) 射的 超聲波脈沖 信號垂直照射其下面的一塊區(qū)域，超聲波輻射區(qū)域如5 所示。兩個傳感器是同時發(fā) 射和接收超聲波信號的， 當(dāng)航行速度如10時， 對同一水層7 或8 反射回來的 超聲波 信號來講，傳感器2 接收到的信號相對傳感器1 接收到的信號延遲一段時間。只要 求出 這個時間差， 就可以 計算出 速度了t31。 圖5 . 3 . 1信號發(fā)射示意圖 發(fā) 射 脈 沖 周 期 為 爪 加 ， 兩 個 超 聲 波 傳 感 器 是 同 時 發(fā) 射 和 接 收 脈 沖 信 號 . 在 接 收 狀態(tài)下， 對特定區(qū)域的回 波信號波形進行胡解調(diào)并對解調(diào)包絡(luò)采樣， 采樣點數(shù)的 典 型值為3 5個點 ， 這幾個點代表了不同的子層回 波。 在不同的 深度進行采樣有其特殊 的原因， 如果在所選擇的子層上的回波信號極其微弱，無法用來計算延遲。而在其 它子層上可能會有較強的回波信號， 這時可以選擇這個子層上的回波信號計算延遲。 碩士論文計程儀系統(tǒng)設(shè)計和側(cè)速算法仿真研究 當(dāng)然回波信號的接收時間是嚴(yán)格控制的， 本文中規(guī)定每個子層的厚度為6 . 5 啞， 為了 使不同 層面上的 采樣數(shù)據(jù)互不影響， 子層之間的插入6 . s mln間隔。 如果對3 個不同子 層的回波數(shù)據(jù)進行采樣， 那么接收數(shù)據(jù)的水層厚度為32. s llllu。 根據(jù)超聲波的傳播速 度就可以計算出接收回波的起點時間和終止時間。 5 . 3 . 1對特定延時的仿真波形分析 這里給出了延時37個脈沖周期的兩個相關(guān)信號的波形， 如圖5 . 3 . 2 。回波信號 時 間 為0. 5 秒 ， 脈 沖 周 期 為 2 孫 = 0. 4 。 ， 接 收 回 波 信 號 和 與 下 一 個 發(fā) 射 脈 沖 之 間 存 在足夠的時間間隔， 對于同一子層上的回波的采樣點數(shù)為1 2 50點閣。 傳感器1回波包絡(luò) 之劃田留淚回 采樣點/n 傳感器2回波包絡(luò) 勺 “ 份 / / 口入 / 月 0 06 0 08 以)， 0 以 ，、劃田卻側(cè)回 采樣點/n 圖5 . 3 . 2傳感器1 和傳感器2 的模擬回波圖 對于這兩個信號求平均值m ean ，大于mean 的點為1 ，小于配an的點為0 ， 在 數(shù)字化為0 和 1 以后對這兩個由0 ，1 組成的序列進行相關(guān)運算，其相關(guān)波形如圖 5 . 3 . 3 . 自 相 關(guān) 峰 值 在1 2 50點 處 得 到 ， 互 相 關(guān) 峰 值 在 延 遲37不 . 腸 的 點1 2 87上 得 到. 碩士論文 計程儀系統(tǒng)設(shè)計和測速算法仿真研究 傳感器1( 前)回波包絡(luò)自相關(guān)函數(shù) 1 x隴 】 5 印 0 滬洲廣漢壓 1 1 叉 ) )1 2 5 0 扮 v 川針、 了 一 、 、 一幾一- ， 一 1 5 0 o2 0(為2 5(拍 相關(guān)點/n 傳感器2( 后)回波包絡(luò)自相關(guān)函數(shù) 刊 兩 歪 相關(guān)點/n 傳感器， 和傳感器2) 回波包絡(luò)互相關(guān)函數(shù) 刊x尸洲匡 圖5 . 3 . 3 回波自 相關(guān)和互相關(guān)函數(shù) _ _. _ _ . _、 ， 一、 _ 、 . 一 ， 。 。一 _ _ d s e 矛 ” o r， ， ， 、 ， 如果根垢且相天異法 pjtr界出漲朋 陰肌仃迷度 廠= 二 二 二一一ml s ，但站此tr異 洲 2 尸 山 巴 的速度在船高速航行時 會存在較大誤差， 互相關(guān)的誤差分析在5 . 33 節(jié)中詳細討論