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[摘 要]根据计程仪的技术指标，结合任务要求，整理成一套适合实际操作的计程仪数据处理方法，并编写了相应的Matlab程序。通过该处理方法，极大的提高了数据分析处理的工作效率。
[关键词]计程仪 数据处理 水下导航
中图分类号：TV113 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）16-0283-01
0.引言
计程仪在UUV（无人水下航行器）领域有着广泛的应用。较常用的计程仪有多普勒计程仪和声相关计程仪[1]，多普勒计程仪是根据声波在水中的多普勒效应而研制成的一种测速仪器，其最大优点是从工作机理上自动消除了水中声速变化这一影响速度测量的因素，不再需要进行声速补偿。声相关计程仪的基本原理是“波形不变”原理，通過对同平面多个宽波束接收阵元采集的回波信号进行时频相关分析，估算UUV相对于水底或水层的三维运动速度，同时通过反向散射回波进行跟踪确定设备距海底的高度。
在实际使用过程中，计程仪传送UUV的实时航行速度、离底高度等信息，并进行存储。另外，计程仪与惯导组合使用可为UUV的水下航行提供精确的导航信息。对于高精度要求的UUV来说，计程仪的性能起着决定性的作用，而一套能够快速并有效的处理计程仪数据的方法则可使后期分析工作效率得到极大的提高。
1.处理方法
1.1 流程图
首先读出内存中的存储数据，数据按时间顺序以列向量的形式给出，其中，需要用到的参数有：V_GPS：当UUV在水面航行时，由GPS测得的速度，该速度在计程仪标定过程中作为标准速度，用来计算计程仪速度测量精度；V_LOG：计程仪测得的速度，由水平面上的横向速度和纵向速度合成，也即是UUV的实际航行速度；Depth：对底模式时计程仪测得的离底高度，若航行水域太深，发射声波无法正常达到水底，这时计程仪会自动切换到对流模式，此时的离底高度为UUV相对于某一水层的高度，而计程仪测得的速度则是相对于该层水流的相对速度，而不是对底的绝对速度。
当计程仪无法正常测得离底高度，也不能得到对流深度时，计程仪会输出无效数据，若无效数据量过大时，会影响到UUV的导航精度，所以需要计算数据的有效率。若数据有效率满足指标要求，则以GPS速度为标准速度，计算计程仪的导航误差，并作出相关图形。
1.2 计程仪的合速度
计程仪测量UUV的横向、纵向和天向速度，由UUV的尾部向首部的方向为纵向的正方向（oy），垂直于纵向向右的方向为横向的正方向（ox），垂直于横向和纵向所在的平面向上的方向为天向的正方向（oz），满足右手准则，如图2（a）所示。
在忽略天向速度的影响下，UUV的实际航行速度由横向速度和纵向速度矢量合成，如图2（b）所示
Matlab处理程序[2]为：，式中；L1：横向速度所在的列数； L2：纵向速度所在的列数。
1.3 数据有效率
当计程仪输出数据有效时，数据有效标志位置“1”；若输出数据无效，则数据有效标志位置“0”。根据数据有效标志位可计算计程仪的输出数据有效率。
Flag=ans（：，L3）；
Index0=Start_point：End_point；
Index1=find（Flag（index0）==1）；
Total=size（index0，2）；
Valid=size（index1，1）；
Eff_rate=（ Total - Valid）/ Total；
其中L3：数据有效标志位所在的列数，Index0：选中的数据段，Index1：剔除无效点后的数据段，Total：数据量总个数，Valid：有效数据量个数，Eff_rate：数据有效率。
1.4 测速精度
计程仪的测速精度是重要的验收指标，只有当误差满足任务要求时，计程仪才能继续使用。其思路为：在相同时间内，同时记录GPS的速度和计程仪的速度，经累积相加，得到各自测得的航程，以GPS为标准，计算计程仪相对于GPS的测速精度[3]。计算公式如下所示：
式中；和为计程仪和GPS的平均航速，速度单位为m/s；和为计程仪和GPS的瞬时航速，速度单位为m/s；T为起始点到终点的时间。
设、分别为计程仪和GPS的航程，则测速精度为：。
2.结果分析
本文以相控阵多普勒计程仪（DVL）和声相关计程仪（ACL）为研究对象，数据处理按UUV航行时的状态分两种情况讨论：
2.1 水下航行
UUV在水下航行时，无法接收GPS信号，因此只对计程仪的速度、离底高度和数据有效率进行处理。处理结果如图3所示。
图3（a）为相控阵多普勒计程仪记录的速度与离底高度；图3（b）为声相关计程仪记录的速度与离底高度。经过该处理方法，能够准确而直观的获取UUV在水下航行时的计程仪测得的航行速度以及相对于水底的离底高度。
2.2 水面航行
UUV在水面航行时，不仅可以获得计程仪的相关数据，还可以通过GPS接收机得到搭载在UUV上的GPS的速度。经过速度对比和误差解算，能够计算出计程仪相对于GPS的测速精度，以验证计程仪的测速精度是否满足任务要求。
3.结论
本文在研究水下无人潜器实际应用的基础上，结合计程仪的相关数据分析，进行归纳整理，编写出相应的Matlab程序，通过多次湖上试验和海上试验，该处理方法能准确的解算出计程仪的速度、离底高度及导航误差信息，为验证计程仪的任务要求和技术指标提供了一种简便的手段，极大的提高了工作效率。
参考文献
[1] 田坦，刘国枝，孙大军.声纳技术[M].哈尔滨工程大学，2000.
[2] 陈杰.MATLAB宝典[M].电子工业出版社，2013.
[3] 邹洪，向大威等.多普勒计程仪测速精度的测定[J].声学技术，2002.
[关键词]计程仪 数据处理 水下导航
中图分类号：TV113 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）16-0283-01
0.引言
计程仪在UUV（无人水下航行器）领域有着广泛的应用。较常用的计程仪有多普勒计程仪和声相关计程仪[1]，多普勒计程仪是根据声波在水中的多普勒效应而研制成的一种测速仪器，其最大优点是从工作机理上自动消除了水中声速变化这一影响速度测量的因素，不再需要进行声速补偿。声相关计程仪的基本原理是“波形不变”原理，通過对同平面多个宽波束接收阵元采集的回波信号进行时频相关分析，估算UUV相对于水底或水层的三维运动速度，同时通过反向散射回波进行跟踪确定设备距海底的高度。
在实际使用过程中，计程仪传送UUV的实时航行速度、离底高度等信息，并进行存储。另外，计程仪与惯导组合使用可为UUV的水下航行提供精确的导航信息。对于高精度要求的UUV来说，计程仪的性能起着决定性的作用，而一套能够快速并有效的处理计程仪数据的方法则可使后期分析工作效率得到极大的提高。
1.处理方法
1.1 流程图
首先读出内存中的存储数据，数据按时间顺序以列向量的形式给出，其中，需要用到的参数有：V_GPS：当UUV在水面航行时，由GPS测得的速度，该速度在计程仪标定过程中作为标准速度，用来计算计程仪速度测量精度；V_LOG：计程仪测得的速度，由水平面上的横向速度和纵向速度合成，也即是UUV的实际航行速度；Depth：对底模式时计程仪测得的离底高度，若航行水域太深，发射声波无法正常达到水底，这时计程仪会自动切换到对流模式，此时的离底高度为UUV相对于某一水层的高度，而计程仪测得的速度则是相对于该层水流的相对速度，而不是对底的绝对速度。
当计程仪无法正常测得离底高度，也不能得到对流深度时，计程仪会输出无效数据，若无效数据量过大时，会影响到UUV的导航精度，所以需要计算数据的有效率。若数据有效率满足指标要求，则以GPS速度为标准速度，计算计程仪的导航误差，并作出相关图形。
1.2 计程仪的合速度
计程仪测量UUV的横向、纵向和天向速度，由UUV的尾部向首部的方向为纵向的正方向（oy），垂直于纵向向右的方向为横向的正方向（ox），垂直于横向和纵向所在的平面向上的方向为天向的正方向（oz），满足右手准则，如图2（a）所示。
在忽略天向速度的影响下，UUV的实际航行速度由横向速度和纵向速度矢量合成，如图2（b）所示
Matlab处理程序[2]为：，式中；L1：横向速度所在的列数； L2：纵向速度所在的列数。
1.3 数据有效率
当计程仪输出数据有效时，数据有效标志位置“1”；若输出数据无效，则数据有效标志位置“0”。根据数据有效标志位可计算计程仪的输出数据有效率。
Flag=ans（：，L3）；
Index0=Start_point：End_point；
Index1=find（Flag（index0）==1）；
Total=size（index0，2）；
Valid=size（index1，1）；
Eff_rate=（ Total - Valid）/ Total；
其中L3：数据有效标志位所在的列数，Index0：选中的数据段，Index1：剔除无效点后的数据段，Total：数据量总个数，Valid：有效数据量个数，Eff_rate：数据有效率。
1.4 测速精度
计程仪的测速精度是重要的验收指标，只有当误差满足任务要求时，计程仪才能继续使用。其思路为：在相同时间内，同时记录GPS的速度和计程仪的速度，经累积相加，得到各自测得的航程，以GPS为标准，计算计程仪相对于GPS的测速精度[3]。计算公式如下所示：
式中；和为计程仪和GPS的平均航速，速度单位为m/s；和为计程仪和GPS的瞬时航速，速度单位为m/s；T为起始点到终点的时间。
设、分别为计程仪和GPS的航程，则测速精度为：。
2.结果分析
本文以相控阵多普勒计程仪（DVL）和声相关计程仪（ACL）为研究对象，数据处理按UUV航行时的状态分两种情况讨论：
2.1 水下航行
UUV在水下航行时，无法接收GPS信号，因此只对计程仪的速度、离底高度和数据有效率进行处理。处理结果如图3所示。
图3（a）为相控阵多普勒计程仪记录的速度与离底高度；图3（b）为声相关计程仪记录的速度与离底高度。经过该处理方法，能够准确而直观的获取UUV在水下航行时的计程仪测得的航行速度以及相对于水底的离底高度。
2.2 水面航行
UUV在水面航行时，不仅可以获得计程仪的相关数据，还可以通过GPS接收机得到搭载在UUV上的GPS的速度。经过速度对比和误差解算，能够计算出计程仪相对于GPS的测速精度，以验证计程仪的测速精度是否满足任务要求。
3.结论
本文在研究水下无人潜器实际应用的基础上，结合计程仪的相关数据分析，进行归纳整理，编写出相应的Matlab程序，通过多次湖上试验和海上试验，该处理方法能准确的解算出计程仪的速度、离底高度及导航误差信息，为验证计程仪的任务要求和技术指标提供了一种简便的手段，极大的提高了工作效率。
参考文献
[1] 田坦，刘国枝，孙大军.声纳技术[M].哈尔滨工程大学，2000.
[2] 陈杰.MATLAB宝典[M].电子工业出版社，2013.
[3] 邹洪，向大威等.多普勒计程仪测速精度的测定[J].声学技术，2002.