一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制方法及抑制系统
阅读说明：本技术 一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制方法及抑制系统 (Speed error suppression method and suppression system of multi-channel electromagnetic log ) 是由 宋厦 兰仪凤 于 2020-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及到一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统,该系统包括有主机、电磁传感器和显示应用端,多个电磁传感器分别设置于船体的两舷侧,该多个电磁传感器分别连接并输入数据至所述的主机,该主机处理数据并将处理后数据输出至显示应用端；主机内设有电路板,电路板上布置有采样板卡、信号预处理板卡、数字信号处理板卡、输出接口板卡、主控制板卡和电源板卡,所述的数字信号处理板卡内设有原始信号评估模块、数字滤波模块、原始速度获取模块、原始速度交织模块和误差抑制校准模块；本发明还涉及到速度误差抑制方法。本发明的方法和系统大大降低设备随机误差,提高了整个电磁计程仪运算结果的鲁棒性,从而得到更稳定的航速。(The invention relates to a speed error suppression system of a multi-channel electromagnetic log, which comprises a host, electromagnetic sensors and a display application end, wherein the electromagnetic sensors are respectively arranged on two side sides of a ship body, the electromagnetic sensors are respectively connected with and input data to the host, and the host processes the data and outputs the processed data to the display application end; the host is internally provided with a circuit board, a sampling board card, a signal preprocessing board card, a digital signal processing board card, an output interface board card, a main control board card and a power supply board card are arranged on the circuit board, and an original signal evaluation module, a digital filtering module, an original speed acquisition module, an original speed interweaving module and an error suppression calibration module are arranged in the digital signal processing board card; the invention also relates to a speed error suppression method. The method and the system greatly reduce the random error of the equipment and improve the robustness of the operation result of the whole electromagnetic log, thereby obtaining more stable navigational speed.)
技术领域
本发明涉及到航海导航领域，特别涉及到一种基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制方法以及抑制系统。
背景技术
电磁计程仪是利用法拉第电磁感应原理，即长度为L的导体在磁感应强度为B的磁场中以速度V运动时，导体上就会产生感应电动势E，其大小与导体相对磁场运动速度的大小成正比。磁场由测量杆(或平面传感器)中的铁芯上缠绕的激磁线圈产生，导体由传感器中的二个电极与水连成，由于船以速度V相对水在运动。如果把船作为静止考虑，即水相对船在运动，也就是导体相对于磁场运动，从而在传感器两电极间产生感应电势，通过两电极引线和比较变压器转变成速度电压信号，送至速度解算系统，解算出速度值。通常所用的速度处理方式为航速标校，通过顺逆顺抵消流速影响后计算系数校准速度固有偏差。
现有技术中的电磁计程仪所使用的是单一的传感器，平面传感器或杆式传感器，平面传感器结构简单，但由于其测量的是船体与接近船体的水所发生相对运动的相对航速，故其受边界层影响较大，波动较大且高速情况下空化现象明显；杆式传感器结构较为复杂，通过将杆式传感器伸出至船下一定深度从而避免边界层的影响，从而可以得到更稳定的航速。实际使用电磁计程仪过程中，由于电磁传感器在实船中安装位置的不同，会遇到不同的测速状况，实船高速运动中，由于伯努利现象的产生，会导致海水中的空气被压力差所释放从而阻挡住部分传感器电极，此时，单一的传感器会发生测速掉速现象，我们称这种现象为电磁计程仪空化现象导致的测速异常。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制方法以及抑制系统。本发明的方法和系统要能够大大降低设备随机误差，提高整个电磁计程仪运算结果的鲁棒性，得到更稳定的航速。
为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：
一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统，其特征在于，该系统包括有主机、电磁传感器和显示应用端，多个电磁传感器分别设置于船体的两舷侧，该多个电磁传感器分别连接并输入数据至所述的主机，该主机处理数据并将处理后数据输出至显示应用端，该显示应用端为船员观察屏或为导航设备；
所述的主机内设有电路板，电路板上布置有采样板卡、信号预处理板卡、数字信号处理板卡、输出接口板卡、主控制板卡和电源板卡，所述电磁传感器分别连接至采样板卡进行AD数据采样，所述的信号预处理板卡进行模拟信号处理并转换为数字信号，所述数字信号处理板卡中进行速度误差抑制处理，所述的输出接口板卡连接至显示终端或导航设备；
所述的数字信号处理板卡内设有原始信号评估模块、数字滤波模块、原始速度获取模块、原始速度交织模块和误差抑制校准模块；
所述的原始信号评估模块接收原始波形信号，分析电极信号高低频分量及信噪比；
所述的数字滤波模块对原始信号进行低通滤波；
所述的原始速度获取模块是将原始波形输入后计算获得原始瞬时速度；
所述的原始速度交织模块是将获得的多通道原始瞬时速度进行交织，获得原始瞬时速度数组；
所述的误差抑制校准模块是将交织后获得的原始瞬时速度数组计算，获得融合后的速度，该速度即为所输出的船舶航速值。
在本发明一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中，每一个所述的电磁传感器对应于一路通道，每路通道获得的信号依次经过原始信号评估模块、数字滤波模块和原始速度获取模块，多路通道在对应的原始速度获取模块后均汇总至同一个原始速度交织模块中，交织后数组再输入至误差抑制校准模块内计算后输出。
在本发明一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中，所述电磁传感器采集的测速正弦电极电压信号，信号幅度300MV。
在本发明一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中，所述的原始信号评估模块对原始采样波形进行快速傅里叶变换，对50HZ的谱线的信号幅度谱进行分析。
在本发明一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中，所述的数字滤波模块采用巴特沃兹3阶低通数字滤波，截止频率50HZ，通带起伏3DB，得到滤除高频分量后的原始信号。
在本发明一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中，所述的原始速度交织模块交织多通道原始测速值，确保交织速度为同一时刻速度；在每1时间点，得到对应的两通道电磁测速数据分别为VC1n与VC2n；其中C1代表通道1，C2代表通道2，n代表这一时刻点的第n个测速瞬间值；交织两组测速数据，得到将两组速度交织成1组速度瞬间值，同样，若有多组也可进行类推,其中i代表某一时刻单个通道的测速值点数。
在本发明一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中，在所述的误差抑制校准模块中，设定窗口大小W，将排序好的交织速度VC3取中间窗口大小的速度值求平均值Vavr；
计算VC3中每一个速度点对于Vavr的残差ri＝VC3n-Vavr n＝1，2，…2i；计算中间值un，
其中s＝max([0.15 0.015Vavr])
根据中间值进行速度权重计算：
对交织的速度数组VC3n进行加权平均其中，为最终输出的融合速度。
本发明还涉及到一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制方法，其特征在于，该方法包括有如下步骤：
第一步，同时打开设置于船上的两个或多个通道的航速传感器，该航速传感器均连接至电磁计程仪上，同时获得的多个通道的航速测速瞬时数据；
第二步，将通过第一步多个测速通道得到的多个通道航速测速值输入到电磁计程仪中，并存储到存储器中；
第三步，将同一时刻下的多个通道瞬时航速值进行交织，得到新的一维数组，并对该交织后的一维速度数组进行排序；
第四步，取航速序列的中间N个值，求得序列中的平均航速，作为参考航速；
第五步，计算序列中每个值与平均航速之间的残差，从而得到多组残差数列，对多组残差数列进行运算，每个残差值与0.015相乘，得到残差中间值序列，若得到的数大于0.15则中间值Bi为3/中间值Ai，若得到的值小于0.15则中间值Bi为3/0.15，从而得到多组中间值序列；
第六步，计算多组速度权重值Ci，将所得的中间值Bi的模与1相比，若B的模大于1，则Ci＝(1-Bi 2)2,反之，则C＝0；
第七步，将所测得的航速与权重进行加权平均，求得最终输出航速值，经过多个通道速度进行融合的电磁式计程仪输出速度，该速度输出至船员进行观测或者给导航系统设备使用。
基于上述技术方案，本发明基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制方法以及抑制系统经过实践使用取得了如下技术效果：
1.通过本发明基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制方法以及抑制系统的应用，该系统通过多个电磁传感器的配置，可以将速度进行融合，从而消除测速奇异值，可以将电磁计程仪的设备随机误差大大减少，至少能够降低一个数量级；
2.通过本发明基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制方法以及抑制系统的应用，可提高整个电磁计程仪运算结果鲁棒性，将航行过程中不确定因素所产生的野点排除，提高设备整体精度。
3.通过本发明基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制方法以及抑制系统的应用，可将误差正态分布曲线变陡，使90％置信区间误差分布在±0.1Kn航速误差内，提高设备总体精度等级。
4.本发明基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统还能起到低频增强的作用，其稳定后的航速可对实际航行人员的观察起到帮助。
附图说明
图1是本发明一种基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统的系统组成示意图。
图2是本发明一种基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中硬件和软件组成示意图。
图3是本发明一种基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制方法流程示意图。
图4是本发明实施例中电磁测速原始单通道原始速度示意图。
图5是采用本发明的方法和系统融合后的速度示意图。
图6本发明实施例中在存在测量野点情况下单通道原始速度示意图。
图7本发明是存在野点情况下采用本发明的方法和系统融合后的速度示意图。
具体实施方式
下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制方法以及抑制系统做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解其结构组成和工作过程，但不能以此来限制本发明的保护范围。
请看图1和图2，图1是本发明一种基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统的系统组成示意图。本发明的一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统包括有主机、电磁传感器和显示应用端，多个电磁传感器分别设置于船体的两舷侧，该多个电磁传感器分别连接并输入数据至所述的主机，该主机处理数据并将处理后数据输出至显示应用端，该显示应用端为船员观察屏或为导航设备。
图2是本发明一种基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中硬件和软件组成示意图。所述的主机内设有电路板，电路板上布置有采样板卡、信号预处理板卡、数字信号处理板卡、输出接口板卡、主控制板卡和电源板卡，所述电磁传感器分别连接至采样板卡进行AD数据采样，所述的信号预处理板卡进行模拟信号处理并转换为数字信号，所述数字信号处理板卡中进行速度误差抑制处理，所述的输出接口板卡连接至显示终端或导航设备。
所述的数字信号处理板卡内设有原始信号评估模块、数字滤波模块、原始速度获取模块、原始速度交织模块和误差抑制校准模块。
所述的原始信号评估模块接收原始波形信号，分析电极信号高低频分量及信噪比。
所述的数字滤波模块对原始信号进行低通滤波。
所述的原始速度获取模块是将原始波形输入后计算获得原始瞬时速度。
所述的原始速度交织模块是将获得的多通道原始瞬时速度进行交织，获得原始瞬时速度数组。
所述的误差抑制校准模块是将交织后获得的原始瞬时速度数组计算，获得融合后的速度，该速度即为所输出的船舶航速值。
在本发明一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中，每一个所述的电磁传感器对应于一路通道，每路通道获得的信号依次经过原始信号评估模块、数字滤波模块和原始速度获取模块，多路通道在对应的原始速度获取模块后均汇总至同一个原始速度交织模块中，交织后数组再输入至误差抑制校准模块内计算后输出。
在本发明一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中，所述电磁传感器采集的测速正弦电极电压信号，信号幅度300MV。
在本发明一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中，所述的原始信号评估模块对原始采样波形进行快速傅里叶变换，对50HZ的谱线的信号幅度谱进行分析。
在本发明一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中，所述的数字滤波模块采用巴特沃兹3阶低通数字滤波，截止频率50HZ，通带起伏3DB，得到滤除高频分量后的原始信号。
在本发明一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中，所述的原始速度交织模块交织多通道原始测速值，确保交织速度为同一时刻速度；在每1时间点，得到对应的两通道电磁测速数据分别为VC1n与VC2n；其中C1代表通道1，C2代表通道2，n代表这一时刻点的第n个测速瞬间值；交织两组测速数据，得到将两组速度交织成1组速度瞬间值，同样，若有多组也可进行类推,其中i代表某一时刻单个通道的测速值点数。
在本发明一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制系统中，在所述的误差抑制校准模块中，设定窗口大小W，将排序好的交织速度VC3取中间窗口大小的速度值求平均值Vavr；
计算VC3中每一个速度点对于Vavr的残差ri＝VC3n-Vavr n＝1，2，…2i；计算中间值un，
其中s＝max([0.15 0.015Vavr])
根据中间值进行速度权重计算：
对交织的速度数组VC3n进行加权平均其中，为最终输出的融合速度。
如图3所示，图3是本发明一种基于多通道电磁计程仪的速度误差抑制方法流程示意图。本发明还涉及到一种多通道电磁计程仪的速度误差抑制方法，该方法包括有如下步骤：
第一步，同时打开设置于船上的两个或多个通道的航速传感器，该航速传感器均连接至电磁计程仪上，同时获得的多个通道的航速测速瞬时数据；
第二步，将通过第一步多个测速通道得到的多个通道航速测速值输入到电磁计程仪中，并存储到存储器中；
第三步，将同一时刻下的多个通道瞬时航速值进行交织，得到新的一维数组，并对该交织后的一维速度数组进行排序；
第四步，取航速序列的中间N个值，求得序列中的平均航速，作为参考航速；
第五步，计算序列中每个值与平均航速之间的残差，从而得到多组残差数列，对多组残差数列进行运算，每个残差值与0.015相乘，得到残差中间值序列，若得到的数大于0.15则中间值Bi为3/中间值Ai，若得到的值小于0.15则中间值Bi为3/0.15，从而得到多组中间值序列；
第六步，计算多组速度权重值Ci，将所得的中间值Bi的模与1相比，若B的模大于1，则Ci＝(1-Bi 2)2,反之，则C＝0；
第七步，将所测得的航速与权重进行加权平均，求得最终输出航速值，经过多个通道速度进行融合的电磁式计程仪输出速度，该速度输出至船员进行观测或者给导航系统设备使用。
根据图4和图5可以看出，图4是融合前速度图，图5为实测的两个电磁传感器测速通道所测得的航速原始速度信息，从图中可以看出，电磁测速通道NO1原始与电磁测速通道NO2原始速度幅度波动大约在30.7节到29.4节，上下波动超过1节航速，通过本发明的方法和系统融合后，得到双电磁测速通道融合后速度值波动减小，速度波动范围为30.1节至29.9节航速之间，实际测速标准值为30节，可以看出通过该算法提升了测速精度，改善了测速离散性。也就是说本发明的方法和系统在融合后的速度减小了单个传感器所测得速度的离散性，并使得测速均方差得到了一个数量级的减小，经实际测出，未经该误差抑制算法运算所得的速度均方误差为0.26，该算法处理后的航速均方误差为0.08。
根据图6和图7是存在野点的情况下融合前后示意图，有时候船在左转或者右转或者海况恶劣时会出现测速野点，给测速野点也就是测速异常点。图7则是实测的两个电磁传感器测速通道所测得的航速原始速度信息，从图中可以看出，电磁测速通道NO1原始速度在开始阶段存在较大野点，在该几个野点处，测速由于客观海况等原因降低至15节航速左右，通过融合后的算法，得到双电磁测速通道融合后速度值波动减小，野点被滤除，速度波动范围为30.2节至29.9节航速之间，实际测速标准值为30节，可以看出通过该算法提升了测速精度，屏蔽了测速野点，改善了测速离散性，提高了测速鲁棒性。在单一通道具有测速异常点的情况下，经该算法所处理的速度可以有效解决异常点，得到平稳的测速结果，且测速精度得到了提高，离散性得到了很大的减小。经本发明专利方法系统处理后的数据适合电磁计程仪的原本设计要求，具有较高的经济价值。
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