專利名稱：超聲多普勒演示儀及其定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種定位方法，尤其是指一種超聲多普勒定位演示儀及其定位方 法。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星多普勒定位一直作為一種軍事技術(shù)，被認(rèn)為是一種封鎖的技術(shù)，學(xué)生在課 堂中更不會(huì)接觸有關(guān)衛(wèi)星多普勒定位的知識(shí)，本作品簡(jiǎn)化了衛(wèi)星多普勒定位的模型，通 過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)全面展示了發(fā)射機(jī)繞特定區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)中的多普勒效應(yīng)，并根據(jù)此提出一種新 的定位算法，是學(xué)生們用之認(rèn)識(shí)并研究衛(wèi)星多普勒定位中的多普勒效應(yīng)以及其定位算法 的新型教學(xué)試驗(yàn)儀。
目前，同類的單站定位技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法主要有測(cè)向定位法、多普勒頻率 定位法和測(cè)相位差變化率定位法。下面逐一評(píng)述現(xiàn)有的各種單站定位方法。
1、測(cè)向定位法
測(cè)向定位法，即僅利用方向測(cè)量信息來確定未知目標(biāo)的位置的定位方法，是研 究得最多，最經(jīng)典的單站定位技術(shù)。側(cè)向定位技術(shù)定位依據(jù)的基本原理是三角測(cè)量法。
測(cè)向定位法的優(yōu)點(diǎn)是只需要方向測(cè)量數(shù)據(jù)和觀測(cè)站自身位置數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量小， 數(shù)據(jù)處理手段也相對(duì)比較簡(jiǎn)單。但是定位精度對(duì)方向測(cè)量誤差非常敏感，這就在客觀上 對(duì)測(cè)量設(shè)備提出了很高的要求；而且定位精度直接決定于觀測(cè)站運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)量；另外， 該定位法從開始測(cè)量到完成定位所需的時(shí)間較長(zhǎng)，很難滿足瞬息萬變的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)需求。
2、到達(dá)時(shí)間定位法
該種定位方法是實(shí)驗(yàn)室里常用的定位方法。對(duì)于不是徑向的、勻速直線運(yùn)動(dòng)的 脈沖探頭目標(biāo)，若其所發(fā)射脈沖的重復(fù)周期恒定，則對(duì)到達(dá)時(shí)間(TOA)的精確測(cè)量，利 用波速與距離的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理基本關(guān)系，能夠反映目標(biāo)徑向距離的變化。
與測(cè)向定位法一樣，該方法也存在著速度慢、精度低的弊端。同時(shí)，該方法的 應(yīng)用還受到雷達(dá)頻率漂移、跳變的影響。
3、測(cè)相位差變化率定位法
依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，在目標(biāo)與觀測(cè)平臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件下，利用觀測(cè)平臺(tái)上攜載 的任意寬開的二單元天線陣(干涉儀)，可以獲得位置未知的探頭輻射電磁波的相位差變 化率信息，此信息中含有威脅目標(biāo)的位置信息。再利用測(cè)角系統(tǒng)測(cè)得的目標(biāo)方位角和俯 仰角及其時(shí)間變化率信息，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)交叉定位。
該定位算法在滿足一定條件的前提下，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離探頭目標(biāo)的快速定 位，也能完成對(duì)近距離低空目標(biāo)的快速精確定位，定位速度和定位精度比傳統(tǒng)的只測(cè)角 定位法高很多，性能十分優(yōu)良。但是，相位差變化率定位法的“快速性、準(zhǔn)確性”是以 增加測(cè)量的復(fù)雜性和難度為代價(jià)的，測(cè)試和實(shí)現(xiàn)難度高。
4、多普勒頻移定位法
對(duì)于連續(xù)波或者有較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的信號(hào)探頭，到達(dá)信號(hào)的頻率包含了目標(biāo)觀測(cè)器相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒成分，實(shí)質(zhì)上包含了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，在一定條件下可以將其 解算出來。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用多普勒頻移作為測(cè)量，是一種快速高精度的單站定位技 術(shù)，多普勒頻移定位法無論從定位速度、定位精度，還是簡(jiǎn)便性上，均優(yōu)于上述兩種定 位方法。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于多普勒定位一般為采取發(fā)射機(jī)沿特定軌跡或直線平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的定 位算法，發(fā)射機(jī)沿特定軌跡采用的是微分法，通過測(cè)量出發(fā)射機(jī)在不同的位置時(shí)瞬間 (限定時(shí)間)的位移，記錄接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率變化，再通過多普勒效應(yīng)方程的微分 形式，由發(fā)射機(jī)位置反演出接收機(jī)的位置，這種算法具有一般性，但是計(jì)算極為復(fù)雜。
沿直線平臺(tái)的定位通常采用是多站的定位算法，通過2個(gè)或兩個(gè)以上接收機(jī)接 收到的信號(hào)頻率不同，通過幾何關(guān)系，由接收機(jī)之間的相對(duì)位置和他們的絕對(duì)位置，反 演出波源的位置。這種算法較為復(fù)雜，并且直線平臺(tái)在測(cè)量區(qū)域比較大時(shí)，誤差非常 大。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種超聲多普勒演示儀及其定位方法，其根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性， 記錄接收模塊接收到的頻率最大值、最小值以及不變值的相應(yīng)位置，連結(jié)兩線，便得到 了接收機(jī)的位置，算法非常簡(jiǎn)單，減少了大量運(yùn)算和計(jì)算帶來的傳遞誤差，并且算法的 簡(jiǎn)化和直觀能夠讓學(xué)生容易理解和研究。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種超聲多普勒演示儀，其包括有轉(zhuǎn)軸、電機(jī)、發(fā)射探頭、信號(hào)發(fā)射模塊、 信號(hào)接收模塊、信號(hào)處理電路、及與所述信號(hào)處理電路連接的計(jì)算機(jī)，所述發(fā)射探頭固 定于所述轉(zhuǎn)軸的一端，所述電機(jī)與所述轉(zhuǎn)軸連接，帶動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸做圓周運(yùn)動(dòng)，所述信號(hào) 發(fā)射模塊驅(qū)動(dòng)所述發(fā)射探頭發(fā)射信號(hào)，所述信號(hào)接收模塊與所述信號(hào)處理電路連接。
優(yōu)選的是，其還包括有支架及中間圓盤，所述中間圓盤設(shè)于所述信號(hào)發(fā)射模塊 的上方，所述支架吊起所述中間圓盤，所述信號(hào)接收模塊位于所述中間圓盤上。
優(yōu)選的是，其還包括托盤，其與所述電機(jī)連接，所述超聲波發(fā)射模塊設(shè)于所述 托盤上。
優(yōu)選的是，其還包括有暗箱及底座，所述暗箱固定于所述底座上，所述電機(jī)及 所述信號(hào)處理設(shè)于所述暗箱內(nèi)。
優(yōu)選的是，所述暗箱上設(shè)有光電門，所述轉(zhuǎn)軸的下方固定有與所述光電門配合 的遮光板。
本發(fā)明還提供一種如以上任一項(xiàng)所述的超聲多普勒演示儀的定位方法，電機(jī)帶 動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)帶動(dòng)信號(hào)發(fā)射模塊繞中間圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)射頭相對(duì)于接收 頭的運(yùn)動(dòng)速度隨著轉(zhuǎn)動(dòng)不斷改變，產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。所述發(fā)射模塊驅(qū)動(dòng)發(fā)射探頭發(fā)射信 號(hào)，信號(hào)接收模塊接收信號(hào)，接收到的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后傳輸給計(jì)算機(jī)，在轉(zhuǎn) 軸上的遮光板將光電門遮擋時(shí)，經(jīng)光電門觸發(fā)，計(jì)算機(jī)開始計(jì)時(shí)，分別記錄信號(hào)頻率不 變點(diǎn)A點(diǎn)、B點(diǎn)，信號(hào)頻率最大C點(diǎn)，及信號(hào)頻率最小D點(diǎn)，直線AB與直線CD的交 點(diǎn)O為信號(hào)接收模塊的位置。以中間圓盤的中心為極點(diǎn)，根據(jù)θ = coXt，確定O點(diǎn)的 極角，再通過測(cè)距測(cè)出O點(diǎn)的到極點(diǎn)的距離，確定O點(diǎn)坐標(biāo)。4
為了測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，優(yōu)選電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，在轉(zhuǎn)軸經(jīng)過光電門時(shí)，經(jīng)光電門觸 發(fā)，計(jì)算機(jī)開始計(jì)時(shí)。
優(yōu)選的是，所述信號(hào)接收模塊由用三個(gè)超聲接收頭并聯(lián)接成。
優(yōu)選的是，所述信號(hào)處理電路將信號(hào)接收模塊接收到的信號(hào)經(jīng)放大、濾波及整 形處理電路轉(zhuǎn)化為適合電路處理的方波。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下有益效果
本發(fā)明超聲多普勒演示儀及其定位方法，其可操作性強(qiáng)，能夠直管全面的展示 超聲多普勒效應(yīng)定位，且算法簡(jiǎn)單，減少了大量運(yùn)算和計(jì)算帶來的傳遞誤差。


圖1為本發(fā)明超聲多普勒演示儀的主視圖2為本發(fā)明超聲多普勒演示儀的左視圖3為本發(fā)明超聲多普勒演示儀的俯視圖4為本發(fā)明超聲多普勒演示儀的定位方法原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明
如圖1及圖3所示，本發(fā)明超聲多普勒演示儀包括底座1、暗箱2、電機(jī)4、 托盤5、轉(zhuǎn)軸6、發(fā)射探頭7、支架8、中間托盤9、固定于暗箱2上的光電門10、及與所 述光電門10配合的設(shè)置于所述轉(zhuǎn)軸6下方的遮光板11、信號(hào)發(fā)射模塊12、信號(hào)接收模 塊13、信號(hào)處理電路(圖中未示出)、及與所述信號(hào)處理電路連接的計(jì)算機(jī)(圖中未示 出)。其中，所述信號(hào)處理電路及所述電機(jī)4位于所述暗箱2內(nèi)，所述暗箱2及所述支架 8位于所述底座1上；所述轉(zhuǎn)軸6與所述電機(jī)2連接，受電機(jī)2驅(qū)動(dòng)，且所述轉(zhuǎn)軸6的一 端固定發(fā)射探頭7;所述中間托盤9位于所述轉(zhuǎn)軸6的上方，所述信號(hào)接收模塊13位于 所述中間圓盤9上，所述信號(hào)接收模塊13通過信號(hào)線與所述信號(hào)處理電路連接；所述托 盤5位于所述轉(zhuǎn)軸6的下方，所述信號(hào)發(fā)射模塊12位于所述托盤5上，所述托盤5與所 述轉(zhuǎn)軸6同受所述電機(jī)4驅(qū)動(dòng)。
在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，所述支架8從所述底座1兩邊架起，將所述中間圓盤9 吊起，中間圓盤9與支架8采用長(zhǎng)螺絲及螺帽固定，所述支架8的材質(zhì)優(yōu)選為不銹鋼。
優(yōu)選的是，本實(shí)施例優(yōu)選所述信號(hào)發(fā)射模塊12為超聲波發(fā)射模塊，所述信號(hào)接 收模塊13為超聲波接收模塊，其采用三個(gè)超聲接收頭并聯(lián)接成，所述反射探頭7為超聲 波發(fā)射探頭。
實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，位于中間圓盤9下方電機(jī)4驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸6開始以恒角速度旋轉(zhuǎn)，并帶 動(dòng)超聲波發(fā)射模塊12圍繞中間圓盤9旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸上的超聲波發(fā)射模塊12驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射 探頭7開始發(fā)出超聲波，位于中間圓盤9上的信號(hào)接收模塊13，接收超聲波信號(hào)，并經(jīng)過 信號(hào)處理電路經(jīng)放大、濾波以及整形電路轉(zhuǎn)化為適合信號(hào)處理電路處理的方波。由于超 聲波接收模塊13與超聲波發(fā)射模塊12的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其之間產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。待電機(jī)4轉(zhuǎn) 速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)軸經(jīng)過光電門10時(shí)受光電門10觸發(fā)，信號(hào)處理電路開始工作，信號(hào)的頻率由 CPLD模塊測(cè)量后傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)實(shí)時(shí)記錄收到信號(hào)的頻率與其相對(duì)應(yīng)的時(shí)間，并權(quán)利要求
1.一種超聲多普勒演示儀，其特征在于，其包括有轉(zhuǎn)軸、電機(jī)、發(fā)射探頭、信 號(hào)發(fā)射模塊、信號(hào)接收模塊、信號(hào)處理電路、及與所述信號(hào)處理電路連接的計(jì)算機(jī)，所 述發(fā)射探頭固定于所述轉(zhuǎn)軸的一端，所述電機(jī)與所述轉(zhuǎn)軸連接，帶動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸做圓周運(yùn) 動(dòng)，所述信號(hào)發(fā)射模塊驅(qū)動(dòng)所述發(fā)射探頭發(fā)射信號(hào)，所述信號(hào)接收模塊與所述信號(hào)處理 電路連接。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲多普勒演示儀，其特征在于，其還包括有支架及中間圓 盤，所述中間圓盤設(shè)于所述信號(hào)發(fā)射模塊的上方，所述支架吊起所述中間圓盤，所述信 號(hào)接收模塊位于所述中間圓盤上。
3.如權(quán)利要求1所述的超聲多普勒演示儀，其特征在于，其還包括托盤，其與所述電 機(jī)連接，所述超聲波發(fā)射模塊設(shè)于所述托盤上。
4.如權(quán)利要求1所述的超聲多普勒演示儀，其特征在于，其還包括有暗箱及底座，所 述暗箱固定于所述底座上，所述電機(jī)及所述信號(hào)處理設(shè)于所述暗箱內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的超聲多普勒演示儀，其特征在于，所述暗箱上設(shè)有光電門，所 述轉(zhuǎn)軸的下方固定有與所述光電門配合的遮光板。
6.—種如權(quán)利要求1至5所所述的超聲多普勒演示儀的定位方法，其特征在于，電機(jī) 帶動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)帶動(dòng)信號(hào)發(fā)射模塊繞中間圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，所述發(fā)射模塊驅(qū) 動(dòng)發(fā)射探頭發(fā)射信號(hào)，信號(hào)接收模塊接收信號(hào)，接收到的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后傳 輸給計(jì)算機(jī)，在轉(zhuǎn)軸上的遮光板將光電門遮擋時(shí)，經(jīng)光電門觸發(fā)，計(jì)算機(jī)開始計(jì)時(shí)，分 別記錄信號(hào)頻率不變點(diǎn)A點(diǎn)、B點(diǎn)，信號(hào)頻率最大點(diǎn)C點(diǎn)，及信號(hào)頻率最小D點(diǎn)，直線 AB與直線CD的交點(diǎn)O為信號(hào)接收模塊的位置。
7.如權(quán)利要求6所述的超聲多普勒演示儀的定位方法，其特征在于，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定 后，在轉(zhuǎn)軸經(jīng)過光電門時(shí)，經(jīng)光電門觸發(fā)，計(jì)算機(jī)開始計(jì)時(shí)。
8.如權(quán)利要求6所述的超聲多普勒演示儀的定位方法，其特征在于，所述信號(hào)接收模 塊由用三個(gè)超聲接收頭并聯(lián)接成。
9.如權(quán)利要求6所述的超聲多普勒演示儀的定位方法，其特征在于，所述信號(hào)處理電 路將信號(hào)接收模塊接收到的信號(hào)經(jīng)放大、濾波及整形處理電路轉(zhuǎn)化為適合電路處理的方 波。
全文摘要
本發(fā)明公開一種超聲多普勒演示儀及其定位方法，其包括有轉(zhuǎn)軸、電機(jī)、發(fā)射探頭、信號(hào)發(fā)射模塊、信號(hào)接收模塊、信號(hào)處理電路、及與所述信號(hào)處理電路連接的計(jì)算機(jī)，所述發(fā)射探頭固定與所述轉(zhuǎn)軸的一端，所述電機(jī)與所述轉(zhuǎn)軸連接，帶動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸相對(duì)于所述發(fā)射探頭做圓周運(yùn)動(dòng)，所述信號(hào)發(fā)射模塊驅(qū)動(dòng)所述發(fā)射探頭發(fā)射信號(hào)，所述信號(hào)接收模塊與所述信號(hào)處理電路連接。本發(fā)明超聲多普勒演示儀及其定位方法，其可操作性強(qiáng)，能夠直管全面的展示多普勒效應(yīng)，且算法簡(jiǎn)單，減少了大量運(yùn)算和計(jì)算帶來的傳遞誤差。
文檔編號(hào)G09B23/18GK102024365SQ20101062008
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者劉朝輝, 吳先球, 唐志根, 張楠, 林怡鴻, 高遠(yuǎn)靜, 黃敏強(qiáng) 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)