寬帶聲學(xué)多普勒計(jì)程儀性能試驗(yàn)分析

林伊凡，陳夢(mèng)英，景永剛，劉宇

寬帶聲學(xué)多普勒計(jì)程儀性能試驗(yàn)分析

林伊凡1，陳夢(mèng)英2，景永剛2，劉宇2

(1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)第七軍事代表室，上海 201108；2. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海 201815)

寬帶聲學(xué)多普勒計(jì)程儀與窄帶聲學(xué)多普勒計(jì)程儀相比，具有更高的測(cè)速精度和更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。其中寬帶信號(hào)的編碼形式是提升寬帶多普勒計(jì)程儀性能的重要因素。文章利用寬帶測(cè)速的標(biāo)準(zhǔn)差公式分析了寬帶多普勒測(cè)速精度的誤差來源，提出了采用差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Positioning System, DGPS)和iXSEA公司的Octans光纖羅經(jīng)組合測(cè)速參考系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)速精度考核的試驗(yàn)方法，分別對(duì)63、31和15階（即碼元數(shù)）的三種m碼形式的編碼序列脈沖，在高航速和低航速下，進(jìn)行了對(duì)地和對(duì)水的測(cè)速考核試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，寬帶聲學(xué)多普勒計(jì)程儀具有比傳統(tǒng)計(jì)程儀測(cè)速精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。文章為寬帶多普勒計(jì)程儀在實(shí)際應(yīng)用中的參數(shù)選擇提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)。

多普勒測(cè)速；寬帶編碼；多普勒計(jì)程儀考核

0 引言

寬帶聲學(xué)多普勒計(jì)程儀(Doppler Velocity Log, DVL)是根據(jù)多普勒效應(yīng)原理設(shè)計(jì)的一種高精度的測(cè)速和計(jì)程儀器[1]。它以測(cè)速精度高，可測(cè)量艦船和水下潛器的絕對(duì)速度等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的聲學(xué)多普勒計(jì)程儀均采用窄帶信號(hào)，缺點(diǎn)是受頻率和脈寬的限制，作用距離和測(cè)速精度相互制約，單次測(cè)量偏差較大。隨著寬帶編碼技術(shù)的引入，DVL有了更進(jìn)一步的發(fā)展，與窄帶單頻信號(hào)相比，寬帶編碼信號(hào)單次測(cè)量方差小，有較高的測(cè)速精度，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力[2-3]。由于寬帶編碼信號(hào)的編碼形式與參數(shù)選擇至關(guān)重要，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)使用的編碼均未公開。為了進(jìn)一步深入研究該項(xiàng)技術(shù)，本文首先利用寬帶測(cè)速的標(biāo)準(zhǔn)差公式分析了編碼形式與參數(shù)選擇對(duì)DVL測(cè)速性能的影響，給出了測(cè)速精度考核的試驗(yàn)方案，通過改變寬帶編碼形式與系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)DVL測(cè)速精度進(jìn)行了試驗(yàn)研究與分析。

1 寬帶多普勒計(jì)程儀理論

DVL作為水下組合導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，可提供艦船對(duì)底絕對(duì)速度，在超出工作深度范圍的情況下，可轉(zhuǎn)為對(duì)水測(cè)速，給出艦船的對(duì)水速度，這樣能夠保證定期地對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校對(duì)和對(duì)慣導(dǎo)的漂移進(jìn)行補(bǔ)償，使組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有長(zhǎng)時(shí)間高精度定位的能力。從原理上說，DVL是通過聲學(xué)換能器發(fā)送一個(gè)由二進(jìn)制偽隨機(jī)相位編碼調(diào)制的正弦脈沖信號(hào)后，并接收來自海底反射或?qū)λ⑸涞幕夭ㄐ盘?hào)。根據(jù)聲學(xué)換能器發(fā)射信號(hào)頻率和接收信號(hào)頻率之差，即多普勒頻移，計(jì)算出設(shè)備對(duì)海底或?qū)λ畬拥乃俣戎礫4]。本文著重分析了DVL對(duì)底測(cè)速和對(duì)水測(cè)速精度。

(1) 碼元類型選擇

m序列碼作為最大長(zhǎng)度線性移存器序列，具有循環(huán)周期性、偽隨機(jī)性和工程上易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)采用m序列碼作為系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)形式[5]。

(2) 寬帶多普勒測(cè)頻算法

DVL 一般采用脈沖對(duì)測(cè)頻算法(Complex Covariance Power Spectral Moment Estimates of Correlated Pairs, CPPC)估計(jì)多普勒頻移。

其自相關(guān)函數(shù)可表示為

由于功率譜是自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，通過估計(jì)功率譜的一階矩可以得到回波信號(hào)的平均頻率。用CPPC測(cè)頻算法估計(jì)功率譜的一階矩公式如式(3)所示：

(3) 寬帶多普勒測(cè)速精度誤差來源

根據(jù)速度與頻率之間的關(guān)系，通過分析寬帶信號(hào)的相關(guān)函數(shù)，可推導(dǎo)出寬帶測(cè)速的標(biāo)準(zhǔn)差[6]：

2 測(cè)速精度考核試驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證DVL寬帶信號(hào)編碼的測(cè)速性能，考核試驗(yàn)盡量選在開闊無船、無風(fēng)無浪的水域進(jìn)行。

試驗(yàn)方法如下：利用專用的精度考核處理機(jī)實(shí)時(shí)記錄DVL所輸出的縱向?qū)Φ?或?qū)λ?與橫向?qū)Φ?或?qū)λ?速度，NAVCOM公司SF3050高精度DGPS所輸出的位置坐標(biāo)和時(shí)間，以及iXsea公司的高精度平臺(tái)羅經(jīng)Octans所輸出的航向數(shù)據(jù)，分析DVL的測(cè)速誤差。為了抵消水流的影響，航船采用順流、逆流、順流的方式測(cè)量多組數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行處理。假設(shè)水流速度的真值為零，將DGPS得到的測(cè)速結(jié)果作為載體對(duì)底(或?qū)λ?速度的真值，DVL分別工作在對(duì)底及對(duì)水測(cè)速模式，實(shí)時(shí)測(cè)量高速、低速勻速直航情況下的對(duì)底(對(duì)水)速度，試驗(yàn)船最大航向偏差應(yīng)不超過±1°，直線航程不小于1海里(1.852 km)。試驗(yàn)框圖如圖1所示。DVL、DGPS和Octans均通過串口與DVL精度考核處理機(jī)通信，航向指示器接收航向數(shù)據(jù)，用于指示試驗(yàn)船只的航向，便于試驗(yàn)船直線航行[7-8]。

圖1 DVL測(cè)速精度考核試驗(yàn)框圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

2018年8月在某試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了600 kHz DVL的測(cè)速精度標(biāo)定試驗(yàn)。該水域的深度約為60 m，湖面開闊，無風(fēng)浪。DVL一般具有對(duì)底測(cè)速和對(duì)水測(cè)速兩種功能，針對(duì)這兩種功能，對(duì)不同編碼的寬帶信號(hào)在不同航速進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。

DVL對(duì)底和對(duì)水測(cè)速時(shí)在發(fā)射脈寬的選擇上有所區(qū)別。對(duì)水測(cè)速利用短的發(fā)射脈沖來獲得垂直分辨率，而對(duì)底測(cè)速需要長(zhǎng)脈沖。長(zhǎng)脈沖可將波束全部透射到底部。在工程上，對(duì)底測(cè)速的發(fā)射脈寬一般采用經(jīng)驗(yàn)公式[1]：

本系統(tǒng)參數(shù)如下：換能器為相控陣，形成4個(gè)波束。系統(tǒng)中心頻率為600 kHz，帶寬為200 kHz，波束開角為1.8°，波束與垂向的夾角為30°。

3.1 寬帶編碼對(duì)底測(cè)速性能考核試驗(yàn)

3.1.1 15階m序列碼對(duì)底測(cè)速結(jié)果

試驗(yàn)水域水深約60 m，試驗(yàn)船航速約10.2 kn，勻速直航1海里(1.852 km)。根據(jù)水深與船速，選擇發(fā)射信號(hào)為15階m序列脈沖對(duì)，發(fā)射信號(hào)長(zhǎng)度為20 ms，每個(gè)碼元內(nèi)填充4個(gè)周期的600 kHz正弦信號(hào)，因此，每個(gè)發(fā)射信號(hào)長(zhǎng)度內(nèi)碼元的個(gè)數(shù)為96。每個(gè)航程的真實(shí)航速以GPS和Octans組合系統(tǒng)的實(shí)測(cè)值為基準(zhǔn)，將DVL的測(cè)速結(jié)果與其對(duì)比，進(jìn)行性能考核。

圖2為15階m序列DVL測(cè)速值與實(shí)時(shí)GPS測(cè)速值的對(duì)比圖，其中V-GPS表示GPS測(cè)量的船艏方向的瞬時(shí)縱向速度值，V-GPS表示GPS測(cè)量的瞬時(shí)橫向速度值，V-DVL表示DVL測(cè)量的船艏方向的瞬時(shí)縱向速度值，V-DVL表示DVL測(cè)量的瞬時(shí)橫向速度值。從圖2中可以看出，試驗(yàn)船實(shí)際航行時(shí)無法達(dá)到絕對(duì)的勻速直航，本航次的橫向速度存在約0.1 kn的波動(dòng)。計(jì)程儀測(cè)量的對(duì)底船速結(jié)果和GPS測(cè)量值基本吻合。

圖2 15階m編碼對(duì)底測(cè)速考核結(jié)果

3.1.2 31階m序列對(duì)底測(cè)速結(jié)果

信號(hào)編碼采用31階m序列脈沖對(duì)，信號(hào)長(zhǎng)度為20 ms，每個(gè)碼元內(nèi)填充4個(gè)周期的600 kHz正弦信號(hào)，每個(gè)發(fā)射信號(hào)長(zhǎng)度內(nèi)的碼元個(gè)數(shù)為48。本航次試驗(yàn)船航速約10 kn，勻速直航1海里(1.852 km)。

圖3為31階m序列編碼DVL對(duì)底測(cè)速值與實(shí)時(shí)GPS對(duì)底測(cè)速的對(duì)比圖。與圖2比較可知，編碼越長(zhǎng)，測(cè)量值波動(dòng)越小，所測(cè)速度的標(biāo)準(zhǔn)誤差越小，測(cè)速精度越高。

圖3 31階m序列對(duì)底測(cè)速考核結(jié)果

3.1.3 編碼長(zhǎng)度對(duì)底測(cè)速精度的影響分析

為了進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)對(duì)底測(cè)速精度，分別進(jìn)行了6 kn航速下，63階m序列碼和31階m序列碼測(cè)速標(biāo)定試驗(yàn)，以及10 kn航速下，31階m序列碼和15階m序列碼測(cè)速標(biāo)定試驗(yàn)，4個(gè)航程試驗(yàn)中發(fā)射信號(hào)脈寬均為20 ms。為了進(jìn)一步與窄帶多普勒計(jì)程儀的性能進(jìn)行對(duì)比，又分別進(jìn)行了6 kn和10 kn航速下，20 ms單頻信號(hào)對(duì)底測(cè)速試驗(yàn)。由于DVL輸出數(shù)據(jù)中有局外數(shù)據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的卡爾曼濾波器發(fā)散，本文采用文獻(xiàn)[9]中的動(dòng)窗穩(wěn)健平均的數(shù)據(jù)平滑方法，對(duì)DVL和GPS數(shù)據(jù)均進(jìn)行8點(diǎn)平滑處理。表1給出了各工況下8點(diǎn)平滑的速度估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差和航程誤差。

根據(jù)多普勒計(jì)程儀的考核標(biāo)準(zhǔn)，分別從船速小于10 kn測(cè)速絕對(duì)精度、船速大于10 kn時(shí)測(cè)速相對(duì)精度以及最大航程誤差三個(gè)方面對(duì)寬帶DVL進(jìn)行評(píng)價(jià)，從表1可以得出以下結(jié)論：

表1 編碼長(zhǎng)度不同時(shí)的對(duì)底測(cè)速標(biāo)準(zhǔn)差

(1) 對(duì)底測(cè)速精度(8點(diǎn)平滑)：航速＜10 kn時(shí)測(cè)速精度≤0.03 kn，航速≥10 kn時(shí)，測(cè)速相對(duì)精度≤0.3%。

(2) 最大航程誤差為0.08%。

(3) 在6 kn航速下，采用63階m碼測(cè)量的縱向速度標(biāo)準(zhǔn)差為0.009 4 kn，采用31階m碼測(cè)量的縱向速度標(biāo)準(zhǔn)差為0.018 6 kn，可見編碼越長(zhǎng)，測(cè)速精度越高。同樣，在10 kn航速下，采用31階m碼比15階m碼的測(cè)速精度高。在相同對(duì)底測(cè)速條件下，編碼長(zhǎng)度對(duì)精度的影響較為顯著。

(4) 實(shí)驗(yàn)在對(duì)底工作狀態(tài)、底深為60 m時(shí)，信噪比為35 dB。對(duì)比6 kn航速下31階m碼與10 kn航速下31階m碼的測(cè)速精度，兩者相差不大。可以看出，在信噪比為35 dB的情況下，航速對(duì)測(cè)量精度的影響不大。

(5) 與窄帶聲學(xué)多普勒計(jì)程儀相比，DVL具有測(cè)速精度高、航程誤差小的特點(diǎn)。

3.2 寬帶編碼對(duì)水測(cè)速性能考核試驗(yàn)

3.2.1 對(duì)水測(cè)速時(shí)水層厚度對(duì)精度的影響分析

該試驗(yàn)信號(hào)編碼采用63階m序列脈沖對(duì)，每個(gè)碼元填充4個(gè)周期的600 kHz正弦信號(hào)，一個(gè)發(fā)射信號(hào)長(zhǎng)度內(nèi)的脈沖對(duì)個(gè)數(shù)分別為2、4、8，對(duì)應(yīng)水層厚度為1、2 m和4 m，試驗(yàn)船航速約4.7 kn，勻速直航1海里(1.852 km)。

圖4為水層厚度分別為1、2 m和4 m的63階m序列DVL測(cè)速值與實(shí)時(shí)GPS測(cè)速值對(duì)比圖。從圖4中可以看出，DVL測(cè)量的對(duì)水船速和GPS測(cè)量值相吻合，同等參數(shù)下，對(duì)水測(cè)速標(biāo)準(zhǔn)差隨水層厚度的增加而降低。

為了進(jìn)一步分析水層厚度對(duì)測(cè)速精度的影響，相同航速下，對(duì)63階m序列脈沖對(duì)進(jìn)行了3種水層厚度的6個(gè)航次的試驗(yàn)，其中每個(gè)水層厚度均進(jìn)行N1和N2兩個(gè)航次的重復(fù)試驗(yàn)。8點(diǎn)平滑的速度標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。從表2中可以看出，相同試驗(yàn)參數(shù)下，兩個(gè)航次的測(cè)速標(biāo)準(zhǔn)差基本一致，水層厚度越大，測(cè)速精度越高，與理論相符。

圖4 航速相同、分層厚度不同時(shí)對(duì)水測(cè)速考核結(jié)果

3.2.2 編碼長(zhǎng)度對(duì)水測(cè)速精度的影響分析

為了驗(yàn)證編碼長(zhǎng)度對(duì)水測(cè)速精度的影響，進(jìn)行了4個(gè)航次的試驗(yàn)，水層厚度均選擇2 m，試驗(yàn)船勻速直航，針對(duì)63階m序列碼、31階m序列碼、15階m序列碼進(jìn)行了試驗(yàn)研究。測(cè)速標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果見表3。由表3可見，在相同航速下，編碼長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)水測(cè)速的精度越高；相同編碼時(shí)，航速越低，對(duì)水測(cè)速的精度越高。

表2 水層厚度不同時(shí)的對(duì)水測(cè)速標(biāo)準(zhǔn)差

表3 編碼長(zhǎng)度不同時(shí)的對(duì)水測(cè)速標(biāo)準(zhǔn)差

3.3 變速精度考核

上述考核中試驗(yàn)船均采用勻速直航，本節(jié)分析變速考核精度。

3.3.1 對(duì)底變速精度考核

發(fā)射信號(hào)采用31階m碼，信號(hào)脈寬為20 ms，試驗(yàn)船速度從10 kn減速到3 kn后再增速至10 kn，主要考核在船速變化過程中DVL對(duì)底的測(cè)速精度和航程誤差。

圖5是用DVL速度精度分析處理軟件實(shí)時(shí)處理的GPS與DVL測(cè)速對(duì)比情況，兩者均采用8點(diǎn)平滑。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，縱向速度標(biāo)準(zhǔn)差是0.046 kn，橫向速度標(biāo)準(zhǔn)差是0.029 kn，航程相對(duì)誤差累計(jì)0.02%。與相同編碼勻速測(cè)速精度相比，誤差稍有增加。

3.3.2 對(duì)水變速精度考核

發(fā)射信號(hào)采用31階m碼，水層厚度為4 m，試驗(yàn)船速?gòu)?0 kn減速到5 kn后再增速至10 kn，主要考核在船速變化過程中DVL對(duì)水的測(cè)速精度和航程誤差。圖6是由DVL速度精度分析處理軟件實(shí)時(shí)處理的GPS與DVL測(cè)速對(duì)比情況，兩者均采用8點(diǎn)平滑。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，橫向速度誤差是0.023 3 kn，縱向速度誤差是0.068 9 kn，與相同編碼勻速測(cè)速精度相比(表3)，誤差略有增加。

圖5 變速航行時(shí)對(duì)底測(cè)速考核結(jié)果

圖6 變速航行時(shí)對(duì)水測(cè)速考核結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)600 kHz DVL的寬帶信號(hào)形式對(duì)測(cè)速精度的影響進(jìn)行了詳盡的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 相同條件下，編碼長(zhǎng)度越長(zhǎng)，精度越高。受模糊速度的影響，編碼長(zhǎng)度越長(zhǎng)，可測(cè)量載體航行速度范圍越小，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)載體的航行速度，選擇最優(yōu)編碼。

(2) 選擇31階m碼8點(diǎn)平滑處理時(shí)，對(duì)底工作勻速直航速度標(biāo)準(zhǔn)差≤0.0332 kn；變速航行測(cè)速標(biāo)準(zhǔn)差≤0.046 kn。對(duì)水工作勻速直航測(cè)速標(biāo)準(zhǔn)差≤0.045 2 kn；變速航行測(cè)速標(biāo)準(zhǔn)差≤0.068 9 kn。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)的寬帶信號(hào)編碼具有穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn)。本文的試驗(yàn)為DVL在實(shí)際工程應(yīng)用中的參數(shù)選擇提供了重要試驗(yàn)依據(jù)。

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Performance test and analysis of broadband acoustic Doppler velocity log

LIN Yi-fan1, CHEN Meng-ying2, JING Yong-gang2, LIU Yu2

(1. Seventh Military Representative Office of Naval Equipment Department in Shanghai, PLA, Shanghai 201108, China;2. Shanghai Acoustic Laboratory, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201815, China)

Compared with narrow-band acoustic Doppler velocity log, broadband acoustic Doppler velocity log (DVL) has higher time resolution and velocity measurement accuracy, and so has wider application value. The broadband coding form is especially important for the performance of DVL. In this paper, the factors affecting the velocity accuracy are studied theoretically, and a test method using GPS and Octans combined reference system for evaluating the velocity accuracy of DVL is proposed. Under the condition of high speed and low speed, the tests and data analyses of the velocity measurements in both water and bottom modes are carried out with the m coding sequences of 63, 31 and 15 units respectively. The experimental results show that DVL has the characteristics of high accuracy and good stability, and this study provides an important experimental basis for the parameter selection of DVL in practical applications.

Doppler velocity measurement; broadband coding;examination of Doppler velocity log

TB556

A

1000-3630(2019)-03-0348-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.03.019

2019-03-04;

2019-04-13

林伊凡(1975－), 女, 浙江溫州人, 工程師, 研究方向?yàn)樾盘?hào)處理算法與研究。

陳夢(mèng)英, E-mail: chen03051302@126.com