專利名稱：一種水聲信號(hào)渡越時(shí)間的測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有限空間液態(tài)場環(huán)境中的測距及定位，特別涉及一種水聲信號(hào)渡越時(shí)間的測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
有限空間液態(tài)場環(huán)境中水聲局部定位系統(tǒng)在污水處理、液態(tài)環(huán)境檢測和水下目標(biāo)跟蹤等場合具有較多的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)液態(tài)環(huán)境中的信息探測提供位置信息，近年來受到較多研究與關(guān)注。有限空間液態(tài)場是指空間有限的、充有液態(tài)物質(zhì)的環(huán)境，在這種環(huán)境中，往往需要對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行了解，一般采用的方法是將不同功能的探測傳感器放入液態(tài)場內(nèi)進(jìn)行參數(shù)檢測，而對(duì)于惡劣環(huán)境如具有腐蝕性、有毒或密閉空間中，要實(shí)現(xiàn)測量非常困難，所以水下機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，其可以搭載探測傳感器，自主在需要探測的空間中游動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的檢測。目前水下機(jī)器人還處于研究過程中，而且對(duì)于水體以外的液態(tài)場環(huán)境還沒有特定的探測器搭載設(shè)備。在搭載設(shè)備探測液態(tài)場環(huán)境信息的過程中，需要對(duì)搭載設(shè)備的位置信息進(jìn)行記錄或控制，即水下定位系統(tǒng)。水下定位系統(tǒng)都是采用水聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)的， 常見的有長基線、短基線和超短基線定位系統(tǒng)，這些系統(tǒng)均在海洋環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用，在有限空間液態(tài)場環(huán)境中并不能直接應(yīng)用，因?yàn)橛邢蘅臻g液態(tài)場環(huán)境不同于大范圍的水域環(huán)境，面臨著不同的問題。有限空間液態(tài)場環(huán)境中的水聲局部定位系統(tǒng)一般借助于水聲換能器，采用多個(gè)聲換能器與定位目標(biāo)之間的距離，通過定位方程即可獲得定位目標(biāo)的三維位置。基本原理在定位空間安裝4個(gè)水聲換能器，作為定位基點(diǎn)，被定位目標(biāo)上安裝一個(gè)水聲換能器。定位基點(diǎn)發(fā)射水聲信號(hào)，被定位目標(biāo)上的水聲換能器接收水聲信號(hào)，通過測量水聲信號(hào)的渡越時(shí)間，可以確定定位基點(diǎn)與被定位目標(biāo)之間的距離，通過4個(gè)距離可以求得被定位目標(biāo)的位置。定位方程為Pl-= Ctr+ V(X1 ■- )2 +(^l .+ (Λ -ZRY
P2= Ctr-XrY +(y 2-yRy2+( .- )2
(1)
P3= Ctr+ V(X3- )2 +O3-yRY- )2 P4 = Ctr + ^X4-XrY +(y4-yRf +(Z4-ZrY 其中Pi (i = 1,2,3,4)為四個(gè)定位基點(diǎn)與被定位目標(biāo)之間的距離，(Xi5YijZi) (i = 1,2,3,4)為四個(gè)定位基點(diǎn)的位置坐標(biāo)，(xE,yE,zE)為被定位目標(biāo)的位置坐標(biāo)，c為水聲傳播速度，、為四個(gè)定位基點(diǎn)之間的同步誤差。該方程= 1,2,3,4)為距離值，( ，yE, ζκ)、、為未知，通過上面定位方程可以求出定位目標(biāo)的位置坐標(biāo)。從該方程中可以看出，定位的關(guān)鍵是距離信息。故水聲測距的精確性對(duì)定位精度影響很大。在液態(tài)場中，水聲信號(hào)傳播速度較快，在局部、近距離定位時(shí)，水聲信號(hào)會(huì)產(chǎn)生大量的多徑反射回波，同時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的混響現(xiàn)象，這些因素對(duì)測距精度都有非常大的影響，導(dǎo)致測距結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，甚至造成測量結(jié)果錯(cuò)誤。如何在有限空間的液態(tài)場環(huán)境中實(shí)現(xiàn)水聲多徑及混響的抑制，提高測距精度具有重要意義。距離等于水聲信號(hào)從發(fā)射到接收所用的時(shí)間(渡越時(shí)間)與液體中聲速之積。因?yàn)樵谟邢蘅臻g均勻液態(tài)環(huán)境中，聲速可以看作常量，所以測距的準(zhǔn)確性就由測量到的渡越時(shí)間的準(zhǔn)確性決定。目前，還沒有專門用于有限空間液態(tài)場環(huán)境下的水聲信號(hào)渡越時(shí)間測量的有效方法。對(duì)于液體場中聲信號(hào)的渡越時(shí)間的測量，傳統(tǒng)方法一般采用連續(xù)正弦波信號(hào)、有限周期的正弦波信號(hào)、連續(xù)方波信號(hào)、有限周期的方波信號(hào)或者脈沖信號(hào)，常用的計(jì)算方法有閾值方法、曲線擬合方法和互相關(guān)方法。閾值方法是指發(fā)射換能器發(fā)出信號(hào)后，接收換能器開始計(jì)時(shí)并開始接收信號(hào)，當(dāng)接收換能器接收的信號(hào)超出某個(gè)事先設(shè)定的閾值后，判定收到發(fā)射換能器發(fā)出的信號(hào)，此時(shí)作為接收時(shí)刻，該時(shí)刻與開始計(jì)時(shí)的時(shí)刻的差，即為發(fā)射換能器發(fā)出的信號(hào)的渡越時(shí)間。曲線擬合法是對(duì)接收換能器收到的信號(hào)的起始部分采用非線性最小二乘方法進(jìn)行擬合，例如，發(fā)射方波信號(hào)時(shí)，接收換能器收到的方波信號(hào)的擬合公式為％α-、)2。假設(shè) ^和12是兩個(gè)事先設(shè)定的閾值(τι> 12)，、和、是兩個(gè)閾值滿足的時(shí)刻，渡越時(shí)間可以滿足下列公式
權(quán)利要求
一種水聲信號(hào)渡越時(shí)間的測量裝置，其特征在于，所述測量裝置包括設(shè)置在液態(tài)場中的發(fā)射端水聲換能器、接收端水聲換能器、信號(hào)發(fā)生模塊和信號(hào)接收處理模塊，其中， 所述發(fā)射端水聲換能器和所述接收端水聲換能器相同；所述信號(hào)發(fā)生模塊包括受編程計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的第一 m序列發(fā)生器、第一信號(hào)發(fā)生器；所述信號(hào)接收處理模塊包括受編程計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的第二 m序列發(fā)生器、第二信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)采集電路和計(jì)算機(jī)；受編程計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的所述第一 m序列發(fā)生器產(chǎn)生m序列；所述第一信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生第一載波信號(hào)，將所述m序列對(duì)所述第一載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到第一調(diào)制信號(hào)，對(duì)所述第一調(diào)制信號(hào)進(jìn)行放大，輸出放大后的調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述發(fā)射端水聲換能器發(fā)出水聲信號(hào)，同時(shí)所述第一信號(hào)發(fā)生器發(fā)出一個(gè)同步信號(hào)觸發(fā)所述信號(hào)采集電路開始工作；受編程計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的所述第二 m序列發(fā)生器產(chǎn)生相同的所述m序列；所述第二信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生和所述第一載波信號(hào)相同的第二載波信號(hào)，將所述m序列對(duì)所述第二載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到第二調(diào)制信號(hào)；所述接收端水聲換能器接收液態(tài)場環(huán)境中傳播的所述水聲信號(hào)；所述信號(hào)采集電路對(duì)所述水聲信號(hào)進(jìn)行處理，獲取處理后的信號(hào)；所述計(jì)算機(jī)對(duì)所述第二調(diào)制信號(hào)和所述處理后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，獲取水聲信號(hào)渡越時(shí)間。
1.一種水聲信號(hào)渡越時(shí)間的測量方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)通過軟件編程，利用第一m序列發(fā)生器生成一個(gè)預(yù)設(shè)階數(shù)的m序列，第一信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生第一載波信號(hào)，根據(jù)所用的發(fā)射端水聲換能器的工作頻率，確定第一載波信號(hào)頻率；(2)采用BPSK調(diào)制方式，將m序列對(duì)所述第一載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，獲取第一調(diào)制信號(hào)Ml ；(3)將所述第一調(diào)制信號(hào)Ml通過所述第一信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行放大，通過阻抗匹配電路驅(qū)動(dòng)所述發(fā)射端水聲發(fā)生器，發(fā)出水聲信號(hào)M2 ；(4)所述第一信號(hào)發(fā)生器發(fā)出一個(gè)同步信號(hào)M3，觸發(fā)信號(hào)采集電路開始工作；(5)接收端水聲換能器接收液態(tài)場環(huán)境中傳播的所述水聲信號(hào)M2，所述信號(hào)采集電路對(duì)所述水聲信號(hào)M2進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換和濾波處理，獲取處理后的信號(hào)M4 ；(6)通過軟件編程，利用第二m序列發(fā)生器生成同樣的所述m序列，第二信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生與所述第一載波信號(hào)相同的第二載波信號(hào)，采用BPSK調(diào)制方式，獲取與所述水聲信號(hào)M2 完全相同的信號(hào)M5 ；(7)計(jì)算機(jī)對(duì)所述信號(hào)M5和所述處理后的信號(hào)M4進(jìn)行廣義互相關(guān)運(yùn)算，獲取廣義互相關(guān)結(jié)果；(8)對(duì)所述廣義互相關(guān)結(jié)果進(jìn)行搜索，獲取峰值點(diǎn)，所述峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為水聲信號(hào)渡越時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水聲信號(hào)渡越時(shí)間的測量裝置及其測量方法，涉及有限空間液態(tài)場環(huán)境中的測距及定位，第一m序列發(fā)生器產(chǎn)生m序列；第一信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生第一載波信號(hào)，將m序列對(duì)第一載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到第一調(diào)制信號(hào)，輸出放大后的調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射端水聲換能器發(fā)出水聲信號(hào)，同時(shí)發(fā)出同步信號(hào)觸發(fā)信號(hào)采集電路開始工作；第二m序列發(fā)生器產(chǎn)生相同的m序列；第二信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生和第一載波信號(hào)相同的第二載波信號(hào)，將m序列對(duì)第二載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到第二調(diào)制信號(hào)；接收端水聲換能器接收水聲信號(hào)；信號(hào)采集電路對(duì)水聲信號(hào)進(jìn)行處理；計(jì)算機(jī)對(duì)第二調(diào)制信號(hào)和處理后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，獲取水聲信號(hào)渡越時(shí)間。本發(fā)明提高了渡越時(shí)間測量的準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)G01H7/00GK102252745SQ201110087089
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者徐耀松, 李一博, 靳世久 申請人:天津大學(xué)