一种适应不同航行工况的多普勒计程仪

　　本申请公开了一种适应不同航行工况的多普勒计程仪,涉及船舶技术领域,该多普勒计程仪的主体外壳的球弧面结构的表面布设多个换能器阵元以组合形成多个换能器基阵,当航海载体工作在不同的航行工况下而有不同的纵倾角时,多普勒计程仪进入不同的测速工作模式而使用不同位置的换能器基阵进行测速,从而减少因为航海载体的纵倾角导致的野值数据,提高了多普勒计程仪的数据有效率,在一定程度上增强了现有四波束多普勒计程仪的测速能力,保障多普勒计程仪在航海载体大倾角工况下的对底跟踪速度的实时测量,保障了各种航行工况下的测速有效性。

　　1.一种适应不同航行工况的多普勒计程仪,其特征在于,所述多普勒计程仪包括主体外壳、信号处理模组和若干个换能器阵元,所述主体外壳固定在航海载体的底部,所述主体外壳朝向海底的一侧呈球弧面结构,所有换能器阵元均布设在所述主体外壳的球弧面结构的表面,所述信号处理模组设置在所述主体外壳内部并连接各个换能器阵元,

　　每个换能器阵元的中轴线均通过球弧面结构的球心,所有换能器阵元的布设位置组合形成多个不同的换能器基阵,组合形成的多个换能器基阵沿着所述航海载体的船长方向依次排布,

　　在所述航海载体的航行过程中,所述多普勒计程仪根据所述航海载体的实时纵倾角切换测速工作模式,在每个测速工作模式下,所述信号处理模组利用所述测速工作模式对应的换能器基阵进行测速,所述航海载体抬艏的实时纵倾角越大、所述多普勒计程仪采用的测速工作模式对应的换能器基阵越靠近船艉方向,所述航海载体埋艏的实时纵倾角越大、所述多普勒计程仪采用的测速工作模式对应的换能器基阵越靠近船艏方向。

　　2.根据权利要求1所述的多普勒计程仪,其特征在于,所述多普勒计程仪共包括7个换能器阵元,当所述多普勒计程仪安装在所述航海载体上时,第五换能器阵元、第六换能器阵元和第七换能器阵元从船艏至船艉的方向依次布设在所述航海载体船长方向的中线上,第一换能器阵元和第二换能器阵元对称设置在所述中线的两侧,第四换能器阵元和第三换能器阵元对称设置在所述中线的两侧,第四换能器阵元与第一换能器阵元位于所述中线的同一侧,

　　所述第六换能器阵元的中轴线与所述多普勒计程仪的设备中轴线重合且垂直于船体水平基准面,所述第一换能器阵元、第二换能器阵元、第三换能器阵元和第四换能器阵元对称分布在所述设备中轴线的周围且与所述设备中轴线的夹角均相等,所述第一换能器阵元、所述第二换能器阵元、所述第三换能器阵元和所述第四换能器阵元组合形成正方形结构的第一换能器基阵,

　　所述第一换能器阵元、所述第二换能器阵元、第五换能器阵元和第六换能器阵元形成对称结构以组合形成正方形结构的第二换能器基阵,

　　所述第三换能器阵元、所述第四换能器阵元、第六换能器阵元和第七换能器阵元形成对称结构以组合形成正方形结构的第三换能器基阵,

　　所述第二换能器基阵、第一换能器基阵和第三换能器基阵沿着船艏至船艉的方向依次布设。

　　3.根据权利要求2所述的多普勒计程仪,其特征在于,所述多普勒计程仪包括三个测速工作模式,所述多普勒计程仪根据所述航海载体的实时纵倾角切换测速工作模式的方法包括,

　　当所述航海载体的实时纵倾角在倾角门限范围内时,所述多普勒计程仪工作在第一测速工作模式并利用所述第一换能器基阵进行测速,

　　当所述航海载体的实时纵倾角埋艏超过所述倾角门限范围时,所述多普勒计程仪工作在第二测速工作模式并利用所述第二换能器基阵进行测速,

　　当所述航海载体的实时纵倾角抬艏超过所述倾角门限范围时,所述多普勒计程仪工作在第三测速工作模式并利用所述第三换能器基阵进行测速。

　　4.根据权利要求2所述的多普勒计程仪,其特征在于,所述多普勒计程仪利用所述第一

　　其中,vx是所述航海载体沿着船宽方向的横向速度,vy是所述航海载体沿着船长方向的纵向速度,vz是所述航海载体垂直于船体水平基准面的垂向速度,fd1是所述第一换能器阵元测得的多普勒频移,fd2是所述第二换能器阵元测得的多普勒频移,fd3是所述第三换能器阵元测得的多普勒频移,λ0是每个换能器阵元发射的声波的波长,θ1是所述第一换能器基阵中的每个换能器阵元与所述第一换能器基阵的基阵中轴线的夹角,所述第一换能器基阵的基阵中轴线是所述第一换能器基阵中的四个换能器阵元的中心E1与所述球弧面结构的球心之间的连线所述的多普勒计程仪,其特征在于,所述多普勒计程仪利用所述第二换能器基阵进行测速得到的所述航海载体的速度包括,

　　其中,vx是所述航海载体沿着船宽方向的横向速度,vy是所述航海载体沿着船长方向的纵向速度,vz是所述航海载体垂直于船体水平基准面的垂向速度,fd1是所述第一换能器阵元测得的多普勒频移,fd2是所述第二换能器阵元测得的多普勒频移,fd5是所述第五换能器阵元测得的多普勒频移,fd6是所述第六换能器阵元测得的多普勒频移,λ0是每个换能器阵元发射的声波的波长,θ2是所述第二换能器基阵中的每个换能器阵元与所述第二换能器基阵的基阵中轴线的夹角,所述第二换能器基阵的基阵中轴线是所述第二换能器基阵中的四

　　是所述第一换能器基阵中的每个换能器阵元与所述第一换能器基阵的基阵中轴线的夹角,所述第一换能器基阵的基阵中轴线是所述第一换能器基阵中的四个换能器阵元的中心E1与所述球弧面结构的球心之间的连线所述的多普勒计程仪,其特征在于,所述多普勒计程仪利用所述第三换能器基阵进行测速得到的所述航海载体的速度包括,

　　其中,vx是所述航海载体沿着船宽方向的横向速度,vy是所述航海载体沿着船长方向的纵向速度,vz是所述航海载体垂直于船体水平基准面的垂向速度,fd3是所述第三换能器阵元测得的多普勒频移,fd4是所述第四换能器阵元测得的多普勒频移,fd6是所述第六换能器阵元测得的多普勒频移,fd7是所述第七换能器阵元测得的多普勒频移,λ0是每个换能器阵元发射的声波的波长,θ3是所述第三换能器基阵中的每个换能器阵元与所述第三换能器基阵的基阵中轴线的夹角,所述第三换能器基阵的基阵中轴线是所述第三换能器基阵中的四

　　是所述第一换能器基阵中的每个换能器阵元与所述第一换能器基阵的基阵中轴线的夹角,所述第一换能器基阵的基阵中轴线是所述第一换能器基阵中的四个换能器阵元的中心E1与所述球弧面结构的球心之间的连线所述的多普勒计程仪,其特征在于,所述多普勒计程仪还包括设置在所述主体外壳内部的三轴加速度计,所述信号处理模组连接所述三轴加速度计,所述信号处理模组在每个测速工作模式下使用对应的一个换能器基阵进行测速的方法包括,

　　所述信号处理模组利用对应的换能器基阵进行测速得到所述航海载体的沿着船宽方向的横向速度vx、沿着船长方向的纵向速度vy、垂直于船体水平基准面的垂向速度vz,

　　基于卡尔曼滤波结合通过所述三轴加速度计测量得到的所述航海载体的沿着船宽方向的横向加速度ax对所述横向速度vx进行稳健滤波估计,

　　基于卡尔曼滤波结合通过所述三轴加速度计测量得到的所述航海载体的沿着船长方向的纵向加速度ay对所述纵向速度vy进行稳健滤波估计,

　　基于卡尔曼滤波结合通过所述三轴加速度计测量得到的所述航海载体的垂直于船体水平基准面的垂向加速度az对所述垂向速度vz进行稳健滤波估计。

　　8.根据权利要求7所述的多普勒计程仪,其特征在于,对于船宽方向、船长方向和垂直于船体水平基准面方向中的任意一个方向,基于卡尔曼滤波结合加速度对速度进行稳健滤波估计的方法包括,

　　建立状态空间模型为 Xk,[Vk,Ak]T表示k时刻的系统状态,Vk表示k时刻的速度状态,Ak表示k时刻的加速度状态,Xk‑1表示k‑1时刻的系统状态,Φk,k‑1为状态转移矩阵且 vk表示k时刻通过换能器基阵进行测速得到的速度,Hk表示k时

　　刻的观测矩阵且Hk,[1 ,0] ,wk表示k时刻的系统噪声,ζk表示k时刻的量测噪声,

　　基于所述状态空间模型执行卡尔曼滤波循环,在任意k时刻对应卡尔曼滤波周期中,

　　当ek在阈值范围内时,基于k时刻的卡尔曼滤波增益Kk确定k时刻的系统状态的估计值

　　中包含的k‑1时刻的速度状态的估计值,ak是k时刻通过所述三轴加速度计测量得到的加速度,ΔT是k时刻与k‑1时刻之间的时间差、是卡尔曼滤波周期时长。

　　9.根据权利要求1所述的多普勒计程仪,其特征在于,所述多普勒计程仪切换测速工作模式的方法包括,

　　所述信号处理模组获取切换指令并根据所述切换指令切换至与所述航海载体的实时纵倾角匹配的测速工作模式,

　　或者,所述多普勒计程仪还包括设置在所述主体外壳内部的倾角传感器,所述信号处理模组连接所述倾角传感器,所述信号处理模组通过所述倾角传感器检测所述航海载体的实时纵倾角,并根据所述航海载体的实时纵倾角自动切换测速工作模式。

　　10.根据权利要求1所述的多普勒计程仪,其特征在于,所述多普勒计程仪的主体外壳包括电子舱、安装法兰盘、球弧面结构和水密接插件,所述球弧面结构的开口与所述电子舱的底部水密固联,所述电子舱的顶部与所述安装法兰盘水密固联,所述安装法兰盘作为所述电子舱的舱盖,所述安装法兰盘还作为所述多普勒计程仪的安装基座以固定安装在所述航海载体的底部,所述电子舱内部用于放置所述信号处理模组以及所述多普勒计程仪包含的其他电子元件,所述水密接插件与所述电子舱水密固联并与所述电子舱内部的电子元件电性连接,所述电子舱内部的电子元件通过所述水密接插件实现与外部结构的信号连接。

　　[0001 ] 本申请涉及船舶技术领域,尤其是一种适应不同航行工况的多普勒计程仪。

　　[0002] 多普勒计程仪是现代船舶或水下运载器等航海载体上的一种新型航海测速仪器,多普勒计程仪一般固定安装在航海载体的底部,主要运用多普勒效应来实时测量航海载体的对底跟踪速度。

　　[0003] 为消除航海载体的垂向速度所产生的测速误差,现有的多普勒计程仪普遍采用多波束系统,目前主要包括三种类型,双波束系统、四波束系统和六波束系统。 (1)双波束系统又称一元多普勒计程仪,它以相同的发射俯角同时向船艏和船艉发射前后对称的两个超声波束,可以实时测量航海载体的纵向速度。 (2)四波束系统又称二元多普勒计程仪,可以实时测量航海载体的纵向速度和横向速度,四波束系统发射的4个超声波束主要有两种配置方法,十字形配置和X形配置。 (3)六波束系统又称三元多普勒计程仪,在船艏配置四波束换能器基础上,在船艉增设一对左右发射波束的换能器,六波束系统既能实时测量航海载体的纵向速度,又能实时测量船艏和船艉的横向速度。

　　[0004] 但是航海载体在使用过程中的姿态多变,当航海载体在进行大角度运动时,比如在下潜或上浮工况下,多普勒计程仪发射出的部分超声波束会无法收到反射信号,从而导致多普勒计程仪的在使用过程中容易出现数据无效的情况、野值数据增多,数据有效率降低。

　　[0005] 本申请人针对上述问题及技术需求,提出了一种适应不同航行工况的多普勒计程仪,本申请的技术方案如下,

　　[0006] 一种适应不同航行工况的多普勒计程仪,该多普勒计程仪包括主体外壳、信号处理模组和若干个换能器阵元,主体外壳固定在航海载体的底部,主体外壳朝向海底的一侧呈球弧面结构,所有换能器阵元均布设在主体外壳的球弧面结构的表面,信号处理模组设置在主体外壳内部并连接各个换能器阵元,

　　[0007] 每个换能器阵元的中轴线均通过球弧面结构的球心,所有换能器阵元的布设位置组合形成多个不同的换能器基阵,组合形成的多个换能器基阵沿着航海载体的船长方向依次排布,

　　[0008] 在航海载体的航行过程中,多普勒计程仪根据航海载体的实时纵倾角切换测速工作模式,在每个测速工作模式下,信号处理模组利用测速工作模式对应的换能器基阵进行测速,航海载体抬艏的实时纵倾角越大、多普勒计程仪采用的测速工作模式对应的换能器基阵越靠近船艉方向,航海载体埋艏的实时纵倾角越大、多普勒计程仪采用的测速工作模式对应的换能器基阵越靠近船艏方向。

　　[0010] 本申请公开了一种适应不同航行工况的多普勒计程仪,该多普勒计程仪通过多个换能器阵元组合排布形成多个换能器基阵,当航海载体工作在不同的航行工况下而有不同的纵倾角时,多普勒计程仪进入不同的测速工作模式而使用不同位置的换能器基阵进行测速,从而减少因为航海载体的纵倾角导致的野值数据,提高了多普勒计程仪的数据有效率,在一定程度上增强了现有四波束多普勒计程仪的测速能力,保障多普勒计程仪在航海载体大倾角工况下的对底跟踪速度的实时测量,保障了各种航行工况下的测速有效性。

　　[001 1 ] 该多普勒计程仪在卡尔曼滤波框架下,当速度测量值出现野值时,尤其是当测量得到的速度存在连续型野值时,可以根据三轴加速度计的加速度测量值来计算速度状态估计值,提高卡尔曼滤波器的鲁棒性,实现状态变量的稳健估计,最终提高该多普勒计程仪的数据有效率。

　　[0012] 该多普勒计程仪的结构设计具有紧凑性,不同的换能器基阵复用换能器阵元,提高换能器阵元使用效率,且提高多普勒计程仪的集成度。

　　[0014] 图2是本申请一个实施例中所有换能器阵元的中心经过球弧面结构的球心的示意图。

　　[0015] 图3是本申请一个实施例中多普勒计程仪安装在航海载体底部的示意图。

　　[0017] 图5是本申请一个实施例中图4中的AA’剖面的剖面结构示意图。

　　[0021 ] 本申请公开了一种适应不同航行工况的多普勒计程仪,请参考图1‑图5,该多普勒计程仪包括主体外壳10、信号处理模组20和若干个换能器阵元30,主体外壳10固定在航海载体40的底部,请参考图3示出的朝向航海载体40的底部的正视图,为了与船体坐标系相对应,避免后续再进行旋转变换和补偿测速误差等转换操作,该多普勒计程仪一般安装在航海载体40的中心位置,也即相对于船长方向的中线对称、也相对于船宽方向的中线朝向海底的一侧呈球弧面结构11 ,所有换能器阵元均布设在主体外壳10的球弧面结构11的表面。信号处理模组20设置在主体外壳10内部并连接各个换能器阵元。

　　[0023] 在一个实施例中,请参考图1、图4和图5,该多普勒计程仪的主体外壳10包括电子舱12、安装法兰盘13、球弧面结构11和水密接插件14。球弧面结构11的开口与电子舱12的底部水密固联,电子舱12的顶部与安装法兰盘13水密固联,安装法兰盘13既作为电子舱12的舱盖、也作为该多普勒计程仪的安装基座以固定安装在航海载体40的底部。电子舱12内部用于放置信号处理模组20以及多普勒计程仪所包含的其他电子元件,水密接插件14与电子舱12水密固联并与电子舱12内部的电子元件电性连接,电子舱12内部的电子元件通过水密

　　[0024] 每个换能器阵元的中轴线的球心O,所有换能器阵元的布设位置组合形成多个不同的换能器基阵,组合形成的多个换能器基阵沿着航海载体40的船长方向依次排布。

　　[0025] 在航海载体40的航行过程中,当航海载体40工作在不同的航行工况下时,航海载体40的实时纵倾角不同,比如当航海载体40工作在上浮工况下时、航海载体40抬艏的纵倾角较大,而当航海载体40工作在下潜工况下时、航海载体40埋艏的纵倾角较大。该多普勒计程仪根据航海载体40的实时纵倾角切换测速工作模式以匹配不同的航行工况。多普勒计程仪工作在不同的测速工作模式下使用不同换能器阵元组成的换能器基阵进行测速。当多普勒计程仪工作在每个测速工作模式下时,信号处理模组20利用当前的测速工作模式对应的换能器基阵进行测速。

　　[0026] 且航海载体40抬艏的实时纵倾角越大、多普勒计程仪采用的测速工作模式对应的换能器基阵越靠近船艉方向,也即在航海载体40的上浮工况下,尽量使用靠近船艉的换能器阵元组成形成的换能器基阵,从而避免因为航海载体40的抬艏而导致船艏位置处的换能器阵元发射的超声波束无法收到反射信号的情况。航海载体40埋艏的实时纵倾角越大、多普勒计程仪采用的测速工作模式对应的换能器基阵越靠近船艏方向,也即在航海载体40的下潜工况下,尽量使用靠近船艏的换能器阵元组成形成的换能器基阵,从而避免因为航海载体40的,埋艏而导致船艉位置处的换能器阵元发射的超声波束无法收到反射信号的情况。减少由于航海载体40航行工况带来的纵倾角变化导致的野值数据,提高多普勒计程仪的数据有效性。

　　[0027] 多普勒计程仪包含的换能器阵元组成的换能器基阵的数量与该多普勒计程仪的测速工作模式相同,具体数量可以自定义设置。形成的换能器基阵越多、多普勒计程仪的测速工作模式越多,与航海载体40的各种实时纵倾角的匹配性越好,但同时也会导致工作模式复杂以及使用的换能器阵元较多的问题。为了平衡数据有效率和使用复杂度,在一个实施例中,该多普勒计程仪共组合形成三个换能器基阵,从而使得该多普勒计程仪具有三个不同的测速工作模式。

　　[0028] 在一个实施例中,每个换能器基阵采用四波束基阵结构,各个换能器基阵可以使用独立的换能器阵元组成,如此共需要12个换能器阵元。但为了提高换能器阵元的复用率,在一个实施例中,该多普勒计程仪共包括7个换能器阵元以形成三个不同的换能器基阵。

　　[0029] 请参考图1‑图3所示的示意图,该实施例中使用的换能器阵元均为圆柱形结构,每个换能器阵元的中轴线经过该换能器阵元的圆形并垂直于换能器阵元的表面且经过球弧面结构11的球心O。请参考图2,OO31即为第一换能器阵元31的中轴线的中轴线,其他以此类推,所有换能器阵元的中轴线分别表示第一换能器阵元31,第一换能器阵元37的中心。

　　[0030] 请参考图3,当多普勒计程仪安装在航海载体40上时,第五换能器阵元35、第六换能器阵元36和第七换能器阵元37从航海载体40的船艏至船艉的方向依次布设在航海载体40船长方向的中线沿着船长方向的纵向速度vy,沿着船长方向的虚线船长方向的中线对称设置在中线的两侧,第四换能器阵元

　　34和第三换能器阵元33对称设置在中线的两侧,第四换能器阵元34与第一换能器阵元31位于中线的同一侧,第三换能器阵元33和第二换能器阵元32位于中线的中轴线与该多普勒计程仪的设备中轴线重合且垂直于船体水平基准面。第一换能器阵元31、第二换能器阵元32、第三换能器阵元33和第四换能器阵元34对称分布在设备中轴线的周围且与设备中轴线OO36,∠O34OO36,θ1。第一换能器阵元31、第二换能器阵元32、第三换能器阵元33和第四换能器阵元34组合形成正方形结构的第一换能器基阵A。本申请中四个换能器阵元组合形成正方形结构是指四个换能器阵元的中心形成正方形结构。

　　[0033] 第一换能器阵元31、第二换能器阵元32、第五换能器阵元35和第六换能器阵元36形成对称结构以组合形成正方形结构的第二换能器基阵B。第三换能器阵元33、第四换能器阵元34、第六换能器阵元36和第七换能器阵元37形成对称结构以组合形成正方形结构的第三换能器基阵C。

　　[0034] 第一换能器基阵A和第二换能器基阵B共用第一换能器阵元31和第二换能器阵元

　　32,第一换能器基阵A和第三换能器基阵C共用第三换能器阵元33和第四换能器阵元34,且第二换能器基阵B、第一换能器基阵A和第三换能器基阵C的位置沿着船艏至船艉的方向依次布设。

　　[0035] 为了实现上述结构,重点在于第五换能器阵元35和第七换能器阵元37的位置设计。不难发现,第五换能器阵元35和第七换能器阵元37均处于由第一换能器阵元31和第二换能器阵元32构成的结构体的对称面上,因此第五换能器阵元35和第七换能器阵元37的位置设计问题转化为第五换能器阵元35的中轴线的中轴线与多普勒计程仪的设备中轴线之间的夹角的设计问题。

　　[0036] 定义第一换能器基阵A中的四个换能器阵元形成的正方形结构的中心为E1 ,则球弧面结构11的球心O与E1的连线即为第一换能器基阵A的基阵中轴线,第一换能器基阵A 的基阵中轴线的中轴线以及该多普勒计程仪的设备中轴线都重合。因此对于第一换能器基阵A,第一换能器基阵A的基阵中轴线与该第一换能器基阵A中的四个换能器阵元之间的夹角分别为θ1。

　　[0037] 同样的对于第二换能器基阵B,定义第二换能器基阵B中的四个换能器阵元形成的正方形结构的中心为E2,球弧面结构11的球心O与E2的连线即为第二换能器基阵B的基阵中轴线。假设第二换能器基阵B的基阵中轴线与该第二换能器基阵B中的四个换能器阵元之间的夹角分别为θ2,则有∠O31OE2,∠O32OE2,∠O35OE2,∠O36OE2,θ2。在此情况下,第五换能器阵元35的中轴线与该多普勒计程仪的设备中轴线。且为了保证第二换能器基阵B中的四个换能器阵元的对称性,要保证OO36O31与OO36O32

　　[0038] 同样的对于第三换能器基阵C,定义第三换能器基阵C中的四个换能器阵元形成的正方形结构的中心为E3,球弧面结构11的球心O与E3的连线即为第三换能器基阵C的基阵中轴线。假设第三换能器基阵C的基阵中轴线与该第三换能器基阵C中的四个换能器阵元之间的夹角分别为θ3,则有∠O33OE3,∠O34OE3,∠O36OE3,∠O37OE3,θ3。在此情况下,第

　　七换能器阵元37的中轴线与该多普勒计程仪的设备中轴线。且为了保证第三换能器基阵C中的四个换能器阵元的对称性,要保证OO36O34与OO36O33

　　[0039] 在多普勒计程仪包括上述第一换能器基阵A、第二换能器基阵B和第三换能器基阵C的情况下,该多普勒计程仪对应包括三个测速工作模式。则该一个实施例中,多普勒计程仪根据航海载体40的实时纵倾角切换测速工作模式的方法包括,