توصيفگر ها :
سرعتسنج همبستگي فضايي , تخمين طيف , همدوسي مجذور دامنه , طول همدوسي
چكيده فارسي :
سرعتسنجي يا تخمين سرعت به عنوان يكي از فرآيندهاي مهم در ناوبري وسايل آبي، همواره با چالشهايي همراه بوده است. به دليل عدم دسترسي به سيگنال سامانهي موقعيتياب جهاني در زير آب، استفاده از اين سامانهها در كاربردهاي زير سطحي امكانپذير نيست. ناوبري اينرسي از جمله روشهاي سنتي سرعتسنجي در كاربردهاي آبي به حساب مي آيد. اما، ايجاد خطاي افزاينده با زمان در اين سامانه كاربرد آن را با محدوديت جدي مواجه ساخته است. از اين رو، به يك سامانهي سرعتسنج جايگزين يا كمكي براي اصلاح دورهاي سرعت تخمين زده شده توسط سامانهي ناوبري اينرسي نياز است. براي اين منظور، سرعتسنج صوتي دوپلر پيشنهاد شده است؛ اما وابستگي سرعتسنجي به سرعت انتشار صوت در لايههاي مختلف آب، محدود بودن عمق عملياتي به دليل مايل بودن پرتو انتشار و نياز به پرتو باريك و غيره از جمله محدوديتهاي اين روش به شمار مي روند. از اين رو به عنوان يك روش جايگزين، سرعتسنج همبستگي پيشنهاد شده است. اين روش مانند روش سرعتسنج دوپلر مبتني بر انتشار امواج صوتي است كه از شباهت سيگنالهاي هيدروفونها براي تخمين سرعت وسيلهي آبي استفاده ميكند.
در اين پايان نامه، بر روي بررسي چالشها، پيادهسازي و ارتقاي عملكرد روش سرعتسنج همبستگي فضايي متمركز شده ايم. در حالت كلي، نحوهي تنظيم زمانبندي پالسهاي ارسالي، ابعاد آرايه (شامل قطر پروژكتور و هيدروفونها و فاصلهي بين آنها) و روش پردازشي، سه مؤلفهي تاثيرگذار بر عملكرد سامانههاي سرعتسنج همبستگي فضايي به شمار ميروند. از اين رو سعي نمودهايم تا با طراحي مناسب اين اجزا، دقت اين روش سرعتسنجي را بهبود ببخشيم.
نتايج شبيهسازي ما نشان ميدهند كه ابعاد فرستنده ارتباط مستقيمي با طول همدوسي دارد؛ به گونهاي كه بزرگ شدن قطر پروژكتور باعث زياد شدن طول همدوسي ميشود. در نتيجه، ابعاد پروژكتور بايد به گونهاي طراحي شود كه طول همدوسي مطلوب بدست آمده و همزمان ميبايست محدوديتهاي فضايي در دسترس براي نصب آرايه نيز در نظر گرفته شود. از طرف ديگر، بررسيهاي ما نشان ميدهند كه كاهش فاصلهي بين هيدروفونها باعث كاهش خطاي درونيابي و تأخير بين سيگنالهاي دريافت شده توسط هيدروفونها ميشود. بايد توجه داشت كه اگرچه كاهش فاصلهي بين هيدروفونها باعث كاهش خطا و افزايش دقت سرعتسنجي ميشود، اما اين كار همزمان كاهش حداكثر سرعت قابل اندازهگيري توسط سامانه را نيز به همراه دارد. همچنين، رابطهاي تحليلي را براي تعيين بازهي سرعتهاي قابل اندازهگيري توسط سامانه بر اساس ابعاد آرايه، ارتفاع وسيلهي آبي از كف دريا و نحوهي زمانبندي پالسها ارائه ميدهيم.
در رابطه با روش پردازشي، با توجه به اينكه عمدهي خطاي اين سامانه ناشي از عملياتهاي شباهتيابي و بيشينهيابي است، با ارائهي دو ايده سعي در كاهش اين دو خطا داريم. براي كاهش خطاي شباهتيابي بين دو سيگنال، به جاي استفاده از روش مرسوم تابع همبستگي، استفاده از همدوسي مجذور دامنه را پيشنهاد دادهايم. براي پيادهسازي همدوسي مجذور دامنه، دو روش تخمين طيف ولچ و بلكمن-توكي را بررسي و تحليل نمودهايم كه نتايج نشان ميدهند روش بلكمن-توكي كه از پنجرهي بلكمن-هريس با طول حدود يك هشتم طول سيگنال استفاده ميكند از سرعت و دقت بالاتري نسبت به روش ولچ و از دقت بالاتري نسبت به روش تابع همبستگي در تخمين سرعت برخوردار است. براي عمليات بيشينهيابي نيز با تكيه بر فرض داشتن تخمين پيشين از سرعت وسيله ي آبي، روش محدودسازي تعداد هيدروفونها در عمليات بيشينهيابي را پيشنهاد دادهايم كه در شرايط مناسب منجر به بهبود قابل توجه دقت سرعتسنجي ميشود.
در نهايت، با جمعبندي نتايج بدست آمده، يك سامانهي سرعتسنج همبستگي فضايي را پيشنهاد دادهايم كه قابليت تخمين سرعت در بازهي 0/37 تا 4 متر بر ثانيه را داشته و شبيهسازيهاي عددي، دقت قابل قبول سامانهي طراحي شده را تاييد ميكند.
چكيده انگليسي :
Velocity logging or velocity estimation as one the most important processes in underwater vehicles has always been faced to various challenges. Due to the lack of access to GPS signal underwater, using it is not possible. Innertial navigation system is considered as a traditional method in marine application. But generation of time-increasing error in this system has subjected its application to serious limitations. Thus an alternative or auxiliary method is required to periodically correct the estimated velocity of intertial navigation system. For this purpose, Doppler velocity log has been proposed. But the dependance of velocity estimation to sound propagation in different layers of water, the limitation of operational range as a result of the inclination of the angle of propagated beam, the need for having a narrow beam and so on are cosidered as the limitations of this method. Therefore as an alternative method, correlation velocity log has been proposed. This method, like the Doppler velocity log method, is based on propagation of sound waves and uses the similarity of hydrophonesʹ signals to estimate velocity.
In this dissertation, we have focused on examining the challenges, implementing, and enhancing the performance of the correlation velocity log method. In general, the manner of adjusting the transmitted pulseʹs timing, the array dimension (including projectorʹs and hydrophoneʹs diameter and their spacing) and the processing method are regarded as three elements impacting the performance of spatial correlation velocity logs. Therefore, we have attempted to improve the accuracy of this velocity measurement method by appropriately designing these elements.
Our simulation results indicate that projector diameter is directly related to coherence length; such that an increase in projector diameter leads to an increase in coherence length. On the other hand, our investigations show that reducing the hydrophonesʹ spacing decreases the interpolation error and the delay between the received signals by hydrophones. It should be noted that although reducing the hydrophonesʹ spacing decreases error and increases the accuracy of velocity measurement, it simultaneously results in a reduction of the maximum measurable velocity by the system. Additionally, we provide an analytical relationship to determine the measurable velocity range of the system based on the array dimensions, altitude of the vehicle from the seabed, and the manner of adjusting the transmitted pulseʹs timing.
Regarding the processing method, given that the majority of the system’s error stems from the similarity finding and the peak finding operations, by presenting two ideas, we aim to reduce these two errors. To reduce the similarity finding error, instead of using the conventional correlation function method, we have proposed employing magnitude-squared coherence. For the implementation of magnitude-squared coherence, we have examined and analyzed two spectral estimation methods, Blackman-Tukey and Welch, and the results indicate that the Blackman-Tukey method, which uses Blackman-Harris window with a length of approximately one-eighth of the signalʹs length, exhibits higher speed and accuracy compared to the Welch method and greater accuracy than the correlation function method in velocity estimation. For the peak finding operation as well, relying on the assumption of a prior velocity estimate, we have proposed the limiting number of hydrophones in peak finding operation method, which, under suitable conditions, leads to a significant improvement in velocity measurement accuracy.
Finally, by summarizing the obtained results, we have proposed a spatial correlation velocity log system capable of estimating velocity in the range of 0.37 to 4 m/s, and numerical simulations confirm the acceptable accuracy of the designed system.