某水下发射系统水平运动机构速度校准

席勇辉 肖滢盈

(昆明船舶设备研究试验中心，云南昆明 650051)

1 引 言

某水下发射系统是为模拟载具在水下航行过程中进行发射任务而设计的，其包括水下试验平台和水上监控部分。试验进行时，整个试验平台潜入水下数十米水深，同时为模拟载具的水下航行状态，平台上的水平运动机构会以一定速度牵引前进。为确保发射系统各项指标参数满足预定要求，以保证试验数据准确及试验结果有效性，发射系统在使用周期内应保持计量受控状态，根据需要定期对系统进行校准。

根据发射系统的使用要求和功能特点，其各项指标参数的校准主要在水下进行现场校准。由于水下环境条件的特殊性，进行发射系统校准时需要面对设备安装、信号采集、数据读取等多方面困难。在各项参数的校准中，又以水平运动机构速度的校准最为困难。

根据发射系统水平运动机构的结构特征，分析不同的水下测速原理应用的可行性，采用了等距设置光电传感器和反光条进行行程测量的方案进行水下速度校准。由于保密要求，文中所有关于试验系统的具体参数，在不影响方案实施可行性基础上，都采用虚构方式。

2 水下速度的校准

2.1 水下发射系统介绍

水下发射系统包括水下试验平台和水上监控部分，其中水上监控部分采用通信缆线控制水下试验平台的运作，并接收水下试验平台的各项动态数据。水下试验平台总体尺寸为30m(虚构尺寸，下同)长、15m宽，平台上水平运动机构为2m长、5m高的轨道车。水平运动机构由缆绳牵引，可在平台上按照设定速度前进，如图1所示。

图1 水下发射系统的试验平台和水平运动机构原理图

当牵引机构接收到水上监控系统指令，会通过牵引缆绳拖曳水平运动机构在水平轨道上按照设定的速度横向运动。对水平运动机构的运动速度进行校准时，要求速度范围覆盖(1～20)m/s，并且行程大于20m。

2.2 水平运动机构自身测速

水平运动机构自身的速度测量采用测速轮方式[1]。如图2所示，其主要构件包括支架(1)、测速轮(2)、测速码盘(3)、脉冲传感器(4)和速度处理器(5)。测速轮通过弹性支架安装在水平运动机构底部，通过预紧弹簧(6)作用与轨道接触。测速轮与测速码盘同心安装，当小车向前运动时，测速码盘随测速轮仪器转动，激发脉冲传感器。最后由速度处理器根据测速轮的转速和轮径换算成运动速度。

图2 水平运动机构自身的速度系统原理图

这种水下测速方案优点是结构简单和集成化程度高，并且相对独立，安装后对其他系统影响小；缺点是速度测量准确度低。此测速方法将水平运动机构行进的位移，默认等效为测速轮在轨道上的轮面滚动行程。当水平运动机构在水下拖曳前进时，并不能保证测速轮与轨道保持完好贴合而产生相对滑移。因此上述等效关系不能严格成立，从而导致较大的速度测量误差。若将测速轮面设计为贴合抓地性能更好的橡胶材质，其接触面受压变形导致的轮径变化，又会对测量准确度产生影响。

目前，水下测速方法较多，包括滚轮转速、多普勒测速、惯性测速、电磁感应测速等。不同的水下测速方法根据使用情况，其线性、灵敏度、准确度等各有优缺点。作为文中某水下发射系统水平运动机构速度校准的实施方案，在成本、准确度、自适应性等方面都有一定要求。

2.3 多普勒测速

应用声波的多普勒效应测速，是水下常用的测速方法。相关的应用如多普勒计程仪，利用发射的声波和接收的水底反射波之间的多普勒频移测量船舶相对于水底的航速和累计里程[2-4]。

应用多普勒测速原理测量发射系统的水平运动机构速度，可将多普勒测速设备安装在水平运动机构上，随机构运动并接收固定物的回波；也可将多普勒测速设备安装在平台上，接收水平运动机构的回波。但两种安装方式都需要良好的反射层。

若将多普勒测速设备安装在平台低处，由于平台上各类设备和结构众多，包括缆绳和浮球这类非静止物，声波的反射信号会受到较大干扰。因此需要将多普勒测速设备安装位置提高。提高后的多普勒测速设备可安装在水平运动机构靠顶部位置。此时可选择将水质点作为反射层，或在平台上搭建反射板作为反射层。

将水质点作为反射层时，测得的速度实际为多普勒设备相对于水的速度，而非水平运动机构相对于平台的速度。在水流速达到(0.2～0.5)m/s的试验环境，水流对速度校准的影响较大，并不能做准确度要求。在水下平台上搭建发射板，需要与多普勒设备一样高出平台，并且需要保持一定刚性，能够抵抗水流作用不产生较大挠度。此时需要在平台上进行较大规模工程作业，对平台稳定性产生影响，有较高风险。

2.4 惯性测速

惯性测速采用惯性仪表作为主标准仪器[5]，安装在水平运动机构内部，随机构一同运动。惯性仪表通过测量水平运动机构的加速度，积分计算得到速度值。因此采用惯性测速方法，测得的速度为水平运动机构相对地面的速度，与水平运动机构本身所测与水下平台相对速度并不同。在水平运动机构质量相对水下平台质量不可忽略的情况下，这两项速度值会有一定差异。

水下发射系统在进行试验前，需进行长时间的准备和远端调试，根据惯性积分测速的原理，惯性仪表在长时间的运行过程中会累积测量误差。若选用稳定性高并满足要求的惯性仪表作为主标准仪器，则需要数十万采购成本。

2.5 电磁感应测速

电磁感应测速是应用水流导体切割磁力线运动产生感应电动势的原理进行水下测速，如船上的电磁式计程仪[6-9]，就是利用电磁感应测速原理。其优点是测速仪器结构简单，线性好。但其测得的速度为相对于水介质的速度，同多普勒测速一样，在水流速达到(0.2～0.5)m/s的试验环境，并不能满足校准的准确度要求。

3 光电感应校准方案

以上各类水下测速方法应用于水下发射平台水平运动机构测速都有一定局限性，需要将测速仪表安装在水平运动机构上或其内部，并且测量得到的数据不能够传输到岸上终端设备，也需将采集记录设备等集成安装在水平运动机构中。因此，校准的结果数据不能实时查看，须等待水下平台上浮并靠岸后提取数据查看。本文采用光电感应测速的校准方案，解决上述水下测速问题。

光电感应测速，是利用光电感应原理测量目标物经过固定点位的时间，通过位移和时间的关系计算目标物速度。如图3所示，在水平运动机构上一定高度等间距并排安置反光贴，并在平台上相同高度安置数个光电探头。光电探头发射集束光，也可以接受反射光信号，并将其转换为电脉冲信号。当水平运动机构经过某个光电探头时，每个反光贴依次反射光电探头的集束光并激发光电探头。

图3 光电感应测速校准方案布局图

并排安置的反光贴总宽度，大于每个光电探头之间的距离，以保证水平运动机构在运动的全程保持测速监控。每个光电探头通过信号线供电，并将电脉冲信号经由水下平台的通信脐带缆传输到岸上采集设备。

反光贴以间距S设置，将每段间距S内水平运动机构的运动等效为匀加速运动，如图4所示。当间距S足够小时，等效产生的测量误差可忽略不计。

图4 光电感应测速校准方案原理示意图

水平运动机构向前行进，第一个反光贴激发光电探头开始计时T0，此后每次激发探头记录时间Tn，则有

S=(Tn-Tn-1)·(Vn+Vn-1)/2

(1)

在Tn时间点，水平运动机构的行进速度Vn可按照前后两段间距的平均速度计算，如式(2)

(2)

4 测量不确定度评定

下面结合具体算例，对10m/s测量点校准时速度误差δ的测量不确定度进行评定。设置反光贴间距S为10cm，光电探头与反光贴平面的垂直距离为20cm。水下运动速度校准的数学计算模型如式(3)所示

δ=V′n-2S/(Tn+1-Tn-1)

(3)

水下速度校准示值误差测量结果不确定度的主要来源如下。

a)反光贴间距S(包括粘贴时的定位)测量误差引入的不确定度分量u1；

b)由光电探头安装不稳定等因素导致集束光角度偏差引入的不确定度分量u2；

c)集束光斑大小变化引起触发脉冲信号时间差引入的不确定度分量u3；

d)采集测量终端时间测量不准确引入的不确定度分量u4。

其他包括集束光和反射光在水介质中传播不稳定、脉冲信号上升时间、信号传输延迟等因素对测量结果影响小，不再详细计算。

对影响测量结果的不确定度来源进行汇总，见表1。

表1 不确定度分量信息Tab.1 Uncertainty component information不确定度分量不确定度来源影响量大小影响输入量k值计算值urelu1S测量误差0.1mmS36×10-3u2集束光角度偏差0.2°Tn+1,Tn-134×10-3u3集束光斑大小变化0.1mmTn+1,Tn-133×10-3u4时间测量不准确1×10-5Tn+1,Tn-133×10-6

由于u1，u2，u3，u4相互独立，由式(4)得到10m/s校准点速度测量误差，其测量结果的扩展不确定度U为2%(k=3)。

(4)

式中：U——测量结果扩展不确定度；k——置信因子。

5 结束语

本文介绍的采用光电感应测速的校准方法，所用仪器和传感器等组件成本低，结构简单，测量数据准确度较高。在完成前期设备安装和必要的调试测量后，校准时所需的准备工作少，操作简单，并且对水下发射系统干扰小。由于光电感应测速的原理，其测量值受水下环境的影响可忽略不计，因此整套校准系统可在实验室等水上环境进行数据验证和溯源。