專利名稱：一種水聲信號渡越時間的測量裝置及其測量方法
技術領域：
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渡越時間的測量裝置及其測量方法。
背景技術：
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)境檢測和水下目標跟蹤等場合具有較多的應用，為實現(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，往往需要對環(huán)境信息進行了解，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)進行參數(shù)檢測，而對于惡劣環(huán)境如具有腐蝕性、有毒或密閉空間中，要實現(xiàn)測量非常困難，所以水下機器人應運而生，其可以搭載探測傳感器，自主在需要探測的空間中游動，從而實現(xiàn)對環(huán)境信息的檢測。目前水下機器人還處于研究過程中，而且對于水體以外的液態(tài)場環(huán)境還沒有特定的探測器搭載設備。在搭載設備探測液態(tài)場環(huán)境信息的過程中，需要對搭載設備的位置信息進行記錄或控制，即水下定位系統(tǒng)。水下定位系統(tǒng)都是采用水聲信號實現(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)境中得到廣泛應用，在有限空間液態(tài)場環(huán)境中并不能直接應用，因為有限空間液態(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，采用多個聲換能器與定位目標之間的距離，通過定位方程即可獲得定位目標的三維位置?；驹碓诙ㄎ豢臻g安裝4個水聲換能器，作為定位基點，被定位目標上安裝一個水聲換能器。定位基點發(fā)射水聲信號，被定位目標上的水聲換能器接收水聲信號，通過測量水聲信號的渡越時間，可以確定定位基點與被定位目標之間的距離，通過4個距離可以求得被定位目標的位置。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)為四個定位基點與被定位目標之間的距離，(Xi5YijZi) (i = 1,2,3,4)為四個定位基點的位置坐標，(xE,yE,zE)為被定位目標的位置坐標，c為水聲傳播速度，、為四個定位基點之間的同步誤差。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的位置坐標。從該方程中可以看出，定位的關鍵是距離信息。故水聲測距的精確性對定位精度影響很大。在液態(tài)場中，水聲信號傳播速度較快，在局部、近距離定位時，水聲信號會產(chǎn)生大量的多徑反射回波，同時產(chǎn)生嚴重的混響現(xiàn)象，這些因素對測距精度都有非常大的影響，導致測距結果產(chǎn)生較大誤差，甚至造成測量結果錯誤。如何在有限空間的液態(tài)場環(huán)境中實現(xiàn)水聲多徑及混響的抑制，提高測距精度具有重要意義。距離等于水聲信號從發(fā)射到接收所用的時間(渡越時間)與液體中聲速之積。因為在有限空間均勻液態(tài)環(huán)境中，聲速可以看作常量，所以測距的準確性就由測量到的渡越時間的準確性決定。目前，還沒有專門用于有限空間液態(tài)場環(huán)境下的水聲信號渡越時間測量的有效方法。對于液體場中聲信號的渡越時間的測量，傳統(tǒng)方法一般采用連續(xù)正弦波信號、有限周期的正弦波信號、連續(xù)方波信號、有限周期的方波信號或者脈沖信號，常用的計算方法有閾值方法、曲線擬合方法和互相關方法。閾值方法是指發(fā)射換能器發(fā)出信號后，接收換能器開始計時并開始接收信號，當接收換能器接收的信號超出某個事先設定的閾值后，判定收到發(fā)射換能器發(fā)出的信號，此時作為接收時刻，該時刻與開始計時的時刻的差，即為發(fā)射換能器發(fā)出的信號的渡越時間。曲線擬合法是對接收換能器收到的信號的起始部分采用非線性最小二乘方法進行擬合，例如，發(fā)射方波信號時，接收換能器收到的方波信號的擬合公式為％α-、)2。假設 ^和12是兩個事先設定的閾值(τι> 12)，、和、是兩個閾值滿足的時刻，渡越時間可以滿足下列公式
權利要求
一種水聲信號渡越時間的測量裝置，其特征在于，所述測量裝置包括設置在液態(tài)場中的發(fā)射端水聲換能器、接收端水聲換能器、信號發(fā)生模塊和信號接收處理模塊，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；所述信號發(fā)生模塊包括受編程計算機驅動的第一 m序列發(fā)生器、第一信號發(fā)生器；所述信號接收處理模塊包括受編程計算機驅動的第二 m序列發(fā)生器、第二信號發(fā)生器、信號采集電路和計算機；受編程計算機驅動的所述第一 m序列發(fā)生器產(chǎn)生m序列；所述第一信號發(fā)生器產(chǎn)生第一載波信號，將所述m序列對所述第一載波信號進行調(diào)制，得到第一調(diào)制信號，對所述第一調(diào)制信號進行放大，輸出放大后的調(diào)制信號驅動所述發(fā)射端水聲換能器發(fā)出水聲信號，同時所述第一信號發(fā)生器發(fā)出一個同步信號觸發(fā)所述信號采集電路開始工作；受編程計算機驅動的所述第二 m序列發(fā)生器產(chǎn)生相同的所述m序列；所述第二信號發(fā)生器產(chǎn)生和所述第一載波信號相同的第二載波信號，將所述m序列對所述第二載波信號進行調(diào)制，得到第二調(diào)制信號；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；所述信號采集電路對所述水聲信號進行處理，獲取處理后的信號；所述計算機對所述第二調(diào)制信號和所述處理后的信號進行計算，獲取水聲信號渡越時間。
1.一種水聲信號渡越時間的測量方法，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)生器生成一個預設階數(shù)的m序列，第一信號發(fā)生器產(chǎn)生第一載波信號，根據(jù)所用的發(fā)射端水聲換能器的工作頻率，確定第一載波信號頻率；(2)采用BPSK調(diào)制方式，將m序列對所述第一載波信號進行調(diào)制，獲取第一調(diào)制信號Ml ；(3)將所述第一調(diào)制信號Ml通過所述第一信號發(fā)生器進行放大，通過阻抗匹配電路驅動所述發(fā)射端水聲發(fā)生器，發(fā)出水聲信號M2 ；(4)所述第一信號發(fā)生器發(fā)出一個同步信號M3，觸發(fā)信號采集電路開始工作；(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M2，所述信號采集電路對所述水聲信號M2進行放大、轉換和濾波處理，獲取處理后的信號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，第二信號發(fā)生器產(chǎn)生與所述第一載波信號相同的第二載波信號，采用BPSK調(diào)制方式，獲取與所述水聲信號M2 完全相同的信號M5 ；(7)計算機對所述信號M5和所述處理后的信號M4進行廣義互相關運算，獲取廣義互相關結果；(8)對所述廣義互相關結果進行搜索，獲取峰值點，所述峰值點對應的時刻為水聲信號渡越時間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水聲信號渡越時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；第一信號發(fā)生器產(chǎn)生第一載波信號，將m序列對第一載波信號進行調(diào)制，得到第一調(diào)制信號，輸出放大后的調(diào)制信號驅動發(fā)射端水聲換能器發(fā)出水聲信號，同時發(fā)出同步信號觸發(fā)信號采集電路開始工作；第二m序列發(fā)生器產(chǎn)生相同的m序列；第二信號發(fā)生器產(chǎn)生和第一載波信號相同的第二載波信號，將m序列對第二載波信號進行調(diào)制，得到第二調(diào)制信號；接收端水聲換能器接收水聲信號；信號采集電路對水聲信號進行處理；計算機對第二調(diào)制信號和處理后的信號進行計算，獲取水聲信號渡越時間。本發(fā)明提高了渡越時間測量的準確性。
文檔編號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