一种超短基线接收基阵基元位置的精确标定方法与流程

本发明涉及水下定位技术领域，更具体地说，涉及一种超短基线接收基阵基元位置的精确标定方法。

背景技术：

超短基线定位系统的定位技术是一种在海洋工程领域广泛应用的技术。超短基线定位系统根据基元之间的基线长度以及相位差或时延差对目标位置进行解算，其定位精度由时延差或相位差的估计精度以及基线长度的测量精度共同决定，这里的基线长度指的是基元声学中心之间的距离。

传统超短基线定位系统中基线长度根据机械加工的几何尺寸获得。这种方法的前提是基元声学中心与其几何中心重合，并且机械加工误差可忽略不计。实际使用中，受制作工艺的限制，接收基阵基元的声中心与其几何中心存在偏差，且机械加工带来的误差也不能忽略不计。这种接收基阵基元声学中心的位置误差会导致超短基线定位系统的安装误差校准结果变差，进一步影响整个超短基线定位系统的工作性能。

然而，到目前为止，尚未出现一套能够对超短基线定位系统接收基阵基元位置进行精确标定的方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，为了解决超短基线定位系统中接收基阵基元声学中心位置无法精确标定的问题，提供一种能够精确标定超短基线接收基阵基元位置的精确标定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种超短基线接收基阵基元位置的精确标定方法，所述方法包括以下步骤：

S10、声源在发射时刻向水中发射声信号，并将所述发射时刻传输至数据采集器；

S20、超短基线接收基阵的各个基元在接收时刻接收所述声信号，并将所述接收刻传输至所述数据采集器；

S30、所述数据采集器将所述发射时刻和所述接收时刻传输至处理器，由所述发射时刻和所述接收时刻的差值得到所述声信号的时延；记录下所述声源的坐标；

S40、所述声源移动到预设测量轨道的下一个测量点，重复步骤S10-S30的操作过程，直到所述预设测量轨道上的测量点全部测量完毕，得到声信号在所有所述测量点到所述各个基元的时延；

S50、根据声信号在所有所述测量点到所述各个基元的时延和声源在所有所述测量点的坐标，得到每个所述基元的声学中心在所述声源所在坐标系中的坐标；

S60、根据任意两个基元的声学中心的坐标，得到所述任意两个基元的基线长度。

在本发明所述的方法中，进行所述S40时，应保证所有测量点不在同一平面。

在本发明所述的方法中，所述S50包括：根据声信号在所有所述测量点到所述各个基元的时延和声源在所有所述测量点的坐标，通过球面交汇理论进行解算，得到每个所述基元在所述声源所在坐标系中的坐标。

在本发明所述的方法中，所述S50包括：根据声信号在所有所述测量点到所述各个基元的时延和声源在所有所述测量点的坐标，通过距离方程

ctmn＝|Xm-Xn|

得到每个所述基元在所述声源所在坐标系中的坐标，其中，m为基元的编号，m≥1；n为测量点的编号，n＝1，2，···N，N为测量点的个数，N＞3，Xn表示声源在第n个测量点的坐标；Xm表示编号m的基元的坐标；tmn表示声信号在第n个测量点到编号m基元的传播时延。

在本发明所述的方法中，所述S60包括：根据任意两个基元的声学中心的坐标，通过第一公式

rpq＝|Xp-Xq|

得到所述任意两个基元的基线长度，其中，rpq表示编号p与编号q基元之间的基线长度，Xp表示编号p基元的坐标，Xq表示编号q基元的坐标。

在本发明所述的方法中，所述声源包括：

用于产生线性调频信号的信号源；

与所述信号源连接、用于将所述线性调频信号转换为声信号并将所述声信号发射出去的发射换能器。

在本发明所述的方法中，所述声源还包括用于放大所述线性调频信号的功率放大器，所述功率放大器的输入端连接所述信号源，所述功率放大器的输出端连接所述发射换能器。

在本发明所述的方法中，所述发射换能器刚性安装在移动装置上，并由所述移动装置带动着沿所述预设测量轨道移动。

在本发明所述的方法中，所述移动装置内部设有控制单元，所述控制单元控制所述移动装置按照所述预设测量轨道移动；

所述移动装置内部还设有记录单元，所述记录单元记录所述发射换能器在所述移动装置所在坐标系中的坐标。

在本发明所述的方法中，所述超短基线接收基阵在整个测量过程中一直处于静止状态，同时保证在整个测量过程中所述各个基元都能有效接收到所述声信号。

实施本发明的超短基线接收基阵基元位置的精确标定方法，具有以下有益效果：本发明通过声学测量手段对超短基线接收基阵基元声学中心的位置进行精确标定，获得各基元声学中心之间的相对位置关系，从而提高基线长度的测量精度，既克服了基元几何中心与声学中心不重合带来的误差，又克服了机械加工产生的误差，使超短基线定位系统能够获得准确的安装误差校准结果，进一步提高整个超短基线定位系统的工作性能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明超短基线接收基阵基元位置的精确标定方法的流程图；

图2是超短基线接收基阵基元位置测量系统的组成框图；

图3是超短基线接收基阵基元位置测量过程的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明公开了一种超短基线接收基阵基元位置的精确标定方法，可应用于标定超短基线定位系统中的超短基线接收基阵的基元位置，该方法通过声学测量手段对超短基线接收基阵基元声学中心的位置进行精确标定，获得各基元声学中心之间的相对位置关系，从而提高基线长度的测量精度，既克服了基元几何中心与声学中心不重合带来的误差，又克服了机械加工产生的误差，使超短基线定位系统能够获得准确的安装误差校准结果，进一步提高整个超短基线定位系统的工作性能。

参阅图1，为本发明的超短基线接收基阵基元位置的精确标定方法的流程图，该方法包括以下步骤S10-S60：

S10、声源在发射时刻向水中发射声信号，并将发射时刻传输至数据采集器600。

S20、超短基线接收基阵500的各个基元在接收时刻接收声信号，并将接收刻传输至数据采集器600。

S30、数据采集器600将发射时刻和接收时刻传输至处理器700，由发射时刻和接收时刻的差值得到声信号的时延；记录下声源的坐标。

S40、声源移动到预设测量轨道的下一个测量点，重复步骤S10-S30的操作过程，直到预设测量轨道上的测量点全部测量完毕，得到声信号在所有测量点到各个基元的时延。应注意，在进行步骤S40时，应保证所有测量点不在同一平面。测量点不在同一平面可以获得深度方向上的差异，以便更好地计算基元间深度方向的相对位置。

S50、根据声信号在所有测量点到各个基元的时延和声源在所有测量点的坐标，得到每个基元的声学中心在声源所在坐标系中的坐标。

具体的，S50包括：根据声信号在所有测量点到各个基元的时延和声源在所有测量点的坐标，通过球面交汇理论进行解算，得到每个基元在声源所在坐标系中的坐标。

在本发明所述的方法中，S50还包括：根据声信号在所有测量点到各个基元的时延和声源在所有测量点的坐标，通过距离方程

ctmn＝|Xm-Xn|

得到每个基元在声源所在坐标系中的坐标，其中，m为基元的编号，m≥1；n为测量点的编号，n＝1，2，···N，N为测量点的个数，N＞3，Xn表示声源在第n个测量点的坐标；Xm表示编号m的基元的坐标；tmn表示声信号在第n个测量点到编号m基元的传播时延。

S60、根据任意两个基元的声学中心的坐标，得到任意两个基元的基线长度。

在本发明的方法中，S60包括：根据任意两个基元的声学中心的坐标，通过第一公式

rpq＝|Xp-Xq|

得到任意两个基元的基线长度，其中，rpq表示编号p与编号q基元之间的基线长度，Xp表示编号p基元的坐标，Xq表示编号q基元的坐标。

在本发明所述的方法中，声源包括信号源100和发射换能器300，其中，信号源100用于产生线性调频信号；发射换能器300与信号源100连接，用于将线性调频信号转换为声信号并将声信号发射出去。

在本实施例中，声源还包括用于放大线性调频信号的功率放大器200，功率放大器200的输入端连接信号源100，功率放大器200的输出端连接发射换能器300。在本发明的一些实施例中，也可以根据需要省略功率放大器。

进一步地，发射换能器300刚性安装在移动装置400上，并由移动装置400带动着沿预设测量轨道移动。移动装置400内部设有控制单元和记录单元，控制单元用于控制移动装置400按照预设测量轨道移动；记录单元用于记录发射换能器300在移动装置400所在坐标系中的坐标。

在本发明所述的方法中，超短基线接收基阵500在整个测量过程中一直处于静止状态，同时保证在整个测量过程中各个基元都能有效接收到声信号。因此要将超短基线接收基阵500以合适的姿态置于水中，以保证其在整个测量过程中一直处于静止状态，同时保证在整个测量过程中各个基元都能有效接收到声信号。

参阅图2，实施本发明时所用的测量系统主要由信号源100、功率放大器200、发射换能器300、超短基线定位系统接收基阵、数据采集器600和处理器700(如计算机)构成，同时借助测量水池自带的移动装置400完成整个测量工作。其中，信号源100、功率放大器200、发射换能器300共同组成声源，其特点是通过移动装置400控制软件可以获得发射换能器300在每一个测量点的三维坐标(该坐标由移动装置400坐标系定义)；数据采集器600和处理器700是测量设备。其中信号源100、功率放大器200、发射换能器300依次通过电信号连接，发射换能器300与移动装置400刚性机械安装，并由移动装置400带动着移动；超短基线接收基阵500、数据采集器600、处理器700之间依次通过电信号连接。同时，信号源100与数据采集器600之间电信号连接，提供同步采集信号。

本发明所采用的仪器均为市场上可以购买到的常规仪器：其中信号源100可以是一般实验用仪器，可以产生周期可调、幅度可调的线性调频信号；发射换能器300为与发射信号频带宽度相匹配的换能器；移动装置400(如行车)为测量水池专用设备，可以在三维空间平移。

下面以四元超短基线接收基阵为例，结合图3，对本发明进行说明。在标定之前，先进行标定前的准备工作：将待测的超短基线接收基阵500与数据采集器600连接，并将超短基线接收基阵500选择合适的姿态置于测量水池中，保证基阵在整个测量过程中一直处于静止状态，同时保证在整个测量过程中接收基阵各基元都能有效接收到发射换能器300发射的声信号；将发射换能器300、功率放大器200、信号源100依次连接，并将发射换能器300刚性安装到测量水池内的移动装置400上。

准备工作完成后，开始进行标定，标定过程如下：

第一步、用信号源100产生幅度200mV、脉宽不少于10ms、带宽不少于10kHz的线性调频信号，经功率放大器200放大所述线性调频信号后，由发射换能器300将放大后的线性调频信号转换为声信号并向测量水池中发射所述声信号，超短基线接收基阵500接收发射换能器300发射的声信号，将接收到声信号的接收时刻发送到数据采集器600的输入端；同时，通过信号源100产生同步信号使数据采集器600同步采集信号源100发射线性调频信号的发射时刻，存储在计算机中，由所述发射时刻和所述接收时刻的差值得到所述声信号的时延，并通过移动装置400中的记录单元记录发射换能器300在当前测量点的精确坐标；

第二步、控制移动装置400移动，使发射换能器300移动到下一个测量点，重复第一步的操作过程，直到整个测量轨迹上的测量点全部测量完毕，所有测量点应保证不在同一平面，如图3所示，其中的H1和H2代表两个方向上的移动装置行走距离；

第三步、通过球面交汇理论进行位置解算，根据声信号在所有所述测量点到各个基元的时延和声源在所有测量点的坐标，得到每个基元的声学中心在声源所在坐标系中的三维坐标，从而获得各基元声学中心相互之间的相对坐标，进而获得各基元相互之间的基线长度。

下面以其中一个基元为例，给出具体的解算过程。对于四元超短基线接收基阵，设每个基元的编号为m，m＝1、2、3、4。整个测量过程中包括N个测量点，N>3。距离方程

ctmn＝|Xm-Xn|

其中，Xn表示发射换能器在第n个测量点的坐标，可以通过移动装置的控制软件直接获得；Xm表示编号m的基元的坐标，是待测量；tmn表示发射换能器在第n个测量点到编号m基元之间的声信号传播时延，可以通过宽带信号处理技术获得；c表示测量水池中的平均声速。通过N个测量点的距离方程，即可求得编号m的基元的坐标。

获得每个基元的坐标后，各基元之间的基线长度可以通过以下公式获得

rpq＝|Xp-Xq|

其中，rpq表示编号p与编号q基元之间的基线长度，Xp表示编号p基元的坐标，Xq表示编号q基元的坐标。

综上所述，本发明采用了宽带信号时延估计技术，能够实现高精度对时延估计，能够实现精确测距，在此基础上，采用球面交汇理论求解目标坐标，使该标定方法能够实现高精度定位，具有操作方便、高效率、高精度的特点。本发明能够用于标定任意阵型的超短基线定位系统接收基阵基元声学中心位置，是超短基线定位系统获得准确的安装偏差校准结果的前提，大大提高超短基线定位系统的工作性能。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。