用于堤坝水域的便携式水声定位系统及定位方法与流程

文档序号：11457851阅读：346来源：国知局

本发明涉及一种用于堤坝水域的便携式水声定位系统，尤其涉及一种针对水电站、水库等大型大型堤坝附近水域中水下目标进行声学定位的设备及定位方法。

背景技术：

目前，我国水利水电事业发展迅猛，在水电站、大坝等水下构筑物的附近水域中进行的水下作业也在不断增加。在这些作业的进行中，一个需要解决的重要问题是对堤坝附近水域中作业的水下目标(水下机器人或潜水员)进行准确而快速的定位。

现有的水下定位技术主要分为两种，一种是利用gps技术与水声系统的组合应用实现对水下目标定位的目的，但是由于我国地形地貌的特点，大部分大型水利工程，如三峡水电站、墨脱水电站、小浪底水利枢纽等重大水利水电工程的地理位置均在大山之中，林冠和山地地形对gps定位精度影响较为严重，因此不适宜将其大范围使用于堤坝附近水域的水下目标定位中；另一种是水声定位技术，这种技术目前较为成熟，能够获得较为理想的定位精度，但是这种方法需要在工作船底布置水下基线阵，较为费时，且堤坝附近水域不易完成基阵布置作业。

本发明以水声定位技术为基础，并在现有技术基础上加以改进，使系统拥有便携、高精度、易于使用的特点。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种用于堤坝水域的便携式水声定位系统及定位方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于堤坝水域的便携式水声定位系统，包括水下目标设备、水面设备以及操作中心；

所述水面设备包括设备载体一、按十字交叉排布的四个水听器以及密封在设备载体一内部的控制处理组件，所述设备载体一的侧壁上固定十字交叉排布的四个支架，四个水听器分别固定在四个支架上；所述控制处理组件包括数字处理控制中心、模拟信号调理模块、数据采集模块、模数转换器、通讯接口一和通讯接口二；所述模拟信号调理模块用于将水听器采集的换能器的声学信号转换为电信号，所述数据采集模块用于采集模拟信号调理模块的电信号和辅助传感器通过通讯接口二传输的定位信息数据，所述模数转换器用于将数据采集模块采集到的数据转换为数字信号并发送给数字处理控制中心进行数据融合处理，得到被测目标物的位置信息，所述数字处理控制中心通过通讯接口一和数据传输电缆一与操作中心相连；

所述水下目标设备包括用于设备载体二、作为声信标并将声学信号发送给水听器的换能器和用于采集定位信息的辅助传感器，所述换能器固定在所述设备载体的顶部，所述辅助传感器固定在所述设备载体的侧壁上，所述辅助传感器通过数据传输电缆二与通讯接口二相连；

所述操作中心为人机交互平台，通过数据传输电缆一和通讯接口一与数字处理控制中心进行通讯。

进一步，相邻两个支架中间位置处的设备载体一的侧壁上设有动力装置，四个动力装置分别与相互独立的四个驱动电路电相连，四个驱动电路分别与数字处理控制中心相连。

进一步，所述辅助传感器包括惯性测量元件、水压机和地磁计。

进一步，所述惯性测量元件包括陀螺仪和加速度计。

进一步，所述支架为伸缩式，包括支撑管、套管和锁紧部件，所述套管的一端套装在所述支撑管上、另一端固定在所述设备载体一的侧壁上，所述锁紧部件包括置于支撑管侧壁上的两个凸点和连接两个凸点的弹簧，所述套管对应凸点的侧壁上设有一排固定孔。

进一步，所述数字处理控制中心为dsp芯片或fpga芯片。

进一步，所述设备载体一上设有浮力结构，所述浮力结构为充有气体的密封箱。

进一步，所述模拟信号调理模块与所述数据采集电路之间设置有依次相连的前置放大器、带通滤波器、自动增益控制电路和后置放大器；从模拟信号调理模块出来的电信号依次经前置放大器、带通滤波器、自动增益控制电路和后置放大器处理后，传输给数据采集模块。

进一步，所述水听器和换能器均安装有恒温晶体构成的时钟系统。

本发明还提供一下采用上述水声定位系统的定位方法，包括以下步骤：

步骤一，数据采集；

1.1水声定位信息采集：由水听器采集换能器发送的声学信号，声学信号经模拟信号调理模块转换成电信号后传输给数据采集模块；

1.2数据采集模块通过通讯接口二采集由辅助传感器经由数据传输电缆二发送的目标物的水下定位数据，其中辅助传感器包括惯性测量元件、水压机和地磁计；

1.3数据采集模块采集到上述两种电信号后，经模数转换器转换为数字信号发送给数字处理控制中心进行数据融合处理；

步骤二，数据融合；

2.1目标物位置信息的估算：由惯性测量元件获得惯性导航测量信息，数字处理控制中心以捷联式惯性导航的方式实时计算目标物的运动速度，从而估算出位置信息，其中惯性测量元件包括陀螺仪和加速度计；

2.2目标物位置信息的一次修正：由地磁计获得目标物的方位角对步骤2.1估算的位置信息进行一次修正；地磁计包括呈x、y、z三维坐标分布的三个磁感式传感器，每个磁感式传感器负责测量其所在坐标轴上的磁场强度，结合步骤2.1捷联惯性导航输出的俯仰角α和滚转角β计算出地磁场在x轴和y轴方向上的分矢量xr和yr，计算公式如下：

xr＝xcosα+ysinαsinβ-zcosβsinα

yr＝xcosβ+zsinβ

式中，x、y、z分别为磁感式传感器测出的在x轴、y轴和z轴上的矢量模长；

由地磁场在x轴和y轴方向上的分矢量xr和yr获得水下目标物的方位角，利用方位角与目标物的估算位置信息计算出目标物的运动速度和方向，并将计算结果与步骤1.1获得的水声定位信息进行校对，若水声定位信息出现明显偏差，则采用上述计算结果计算当前时刻水下目标物的位置；

2.3目标物位置信息的二次修正：由水压计测得的水下目标物收到的压强值计算出目标物所在水下的深度值，将深度值和水声定位信息进行校对，若水声定位信息出现明显偏差，则采用由水压计测得的压强值计算出的深度值为当前水下目标物的深度；

2.4目标物位置信息的精确计算：建立误差状态向量作为公共参考系统，以步骤2.2和2.3获得的水下目标物的位置信息分别与电子罗盘的测量值、水压计计算出的深度值以及陀螺仪的测量值的差值作为观测量的输入，径向联邦卡尔曼滤波，从而获得目标物的精确位置信息。

本发明所达到的有益技术效果：

本发明提供的用于堤坝水域的便携式水声定位系统，水听器基阵无需固定在船底，可以通过浮力结构浮于水面，并通过数字处理控制中心控制四个动力装置的工作，来调整水面设备的位置；另外，水面设备可以快速拆卸，方便携带；本发明还提供了采用该水声定位系统的进行目标物的定位方法，该方法操作简单，对目标去的定位精确。

附图说明

图1本发明之水声定位系统组成框图；

图2本发明之水声定位系统结构示意图；

图3本发明之支架结构示意图；

图4本发明之锁紧部件结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

如图1-4所示，本发明提供一种用于堤坝水域的便携式水声定位系统，包括水下目标设备、水面设备以及操作中心；

所述水面设备包括设备载体一s003、按十字交叉排布的四个水听器s007以及密封在设备载体一s003内部的控制处理组件，所述设备载体一s003的侧壁上固定十字交叉排布的四个支架s008，四个水听器s007分别固定在四个支架s008上；所述支架s008为伸缩式，包括支撑管s012、套管s013和锁紧部件，所述套管s013的一端套装在所述支撑管s012上、另一端固定在所述设备载体一s003的侧壁上，所述锁紧部件包括置于支撑管s012侧壁上的两个凸点s014和连接两个凸点s014的弹簧s015，所述套管s013对应凸点s014的侧壁上设有一排固定孔。伸缩式支架s008方便组装和拆卸，工作结束后，便于携带。所述设备载体一s003上设有浮力结构s004，浮力结构为充有气体密封箱。

所述控制处理组件包括数字处理控制中心、模拟信号调理模块、数据采集模块、模数转换器、通讯接口一和通讯接口二；所述模拟信号调理模块用于将水听器采集的换能器的声学信号转换为电信号，所述数据采集模块用于采集模拟信号调理模块的电信号和辅助传感器通过通讯接口二传输的定位信息数据，所述模数转换器用于将数据采集模块采集到的数据转换为数字信号并发送给数字处理控制中心进行数据融合处理，得到被测目标物的位置信息，所述数字处理控制中心通过通讯接口一和数据传输电缆一s002与操作中心相连；所述数字处理控制中心为dsp芯片或fpga芯片，但并不局限于此。

所述模拟信号调理模块与所述数据采集电路之间设置有依次相连的前置放大器、带通滤波器、自动增益控制电路和后置放大器；从模拟信号调理模块出来的电信号依次经前置放大器、带通滤波器、自动增益控制电路和后置放大器处理后，传输给数据采集模块。

相邻两个支架s008中间位置处的设备载体一s003的侧壁上设有动力装置s005，动力装置s005例如但不限于推进器，四个动力装置s005分别与相互独立的四个驱动电路电相连，四个驱动电路分别与数字处理控制中心相连；利用其改变水面设备在水面上的位置时，由操作中心向数字处理控制中心发送指令，数字处理控制中心接到指令后通过驱动电路控制动力装置工作。

所述水下目标设备包括用于设备载体二s009、作为声信标并将声学信号发送给水听器s007的换能器s010和用于采集定位信息的辅助传感器s011，所述换能器s010固定在所述设备载体二s009的顶部，所述辅助传感器s011固定在所述设备载体二s009的侧壁上，所述辅助传感器s011通过数据传输电缆二s006与通讯接口二相连，数据传输电缆二s006包括供电电缆和有线通信接口，有线通信接口将水下目标设备的辅助传感器s011所采集的信息传送至水面设备以进行实时处理，有线通信接口例如但不限于rs-485接口。

所述辅助传感器s011包括惯性测量元件、水压机和地磁计，所述惯性测量元件包括陀螺仪和加速度计。

所述水听器s007和换能器s010均安装有恒温晶体构成的时钟系统，以保证水面装置和水下目标装置的时钟同步性能。系统可包括多个水下目标设备，因此包括多个换能器s010，由于各换能器s010之间的带宽没有重叠的形式，所以不同换能器之s010间可通过发射不同频率范围的声波，使水听器基阵对其进行区分。

所述操作中心为具有处理能力和处理速度的计算机平台s001，以软件的形式实现人机交互界面的作用。操作中心例如但不限于pc机或者具有完整输入输出功能的嵌入式设备，输出设备例如但不限于液晶显示器，输入设备例如但不限于触屏或鼠标、键盘。操作中心通过数据传输电缆一和通讯接口一与数字处理控制中心进行通讯，数据传输电缆一包括动力电缆和高速通讯接口，高速通讯接口例如但不限于千兆以太网数据接口，电缆的收放方法例如但不限于绞车方式。