رفع چالش‌ها و بهبود عملكرد يك سرعت‌سنج همبستگي فضايي در شرايط زيرسطحي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي برق

كارشناسي ارشد

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.

236096

مخابرات سيستم

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان