一种基于声学暗室的声学相位中心校准方法及系统

本发明涉及一种声学基元的声学相位中心校准技术。

背景技术：

海洋覆盖地球表面积为71％左右，蕴藏着许多丰富的自然资源，为了开发海洋资源，需要用到水下定位技术；常用的水下定位手段包括惯性测量、光学测量和水声测量；但是惯性测量由于积分容易出现累计误差，光学测量的作用距离较小，因此水声定位技术应用最为广泛；而在水声定位技术中声学基阵最为常用；根据基阵上各个基元的声学相位中心相对位置和声传播时延差来定位，所以声学基阵的各个基元的声学相位中心精确校准尤为重要；现有的声学基阵上各基元的声学相位中心测量方法是通过机械加工得到几何中心作为声学相位中心，而在实际的应用过程中发现：声学基阵上的各个基元的等效声学中心与它的几何中心不重合，所以现有的声学基阵上各基元声学相位中心校准方法校准的精度较差。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的声学基阵上各基元声学相位中心校准方法校准的精度差的问题，提出了一种基于声学暗室的声学相位中心校准方法及系统。

本发明所述的一种基于声学暗室的声学相位中心校准方法包括以下步骤：

步骤一、控制装载有声学换能器的行车围绕声学基阵航行，并获得声学相位中心校准数据；所述声学基阵放置在声学暗室底部；

步骤二、根据步骤一获得的声学相位中心校准数据建立声学基阵的各基元声学相位中心标校模型，计算行车坐标系下声学基阵的各基元声学相位中心的坐标；

步骤三、根据步骤二中的行车坐标系下声学基阵的各基元声学相位中心的坐标，计算声学基阵的各基元之间的基线长度；

步骤四、根据步骤三中的声学基阵的各基元之间的基线长度，计算基阵坐标系下的声学基阵的各基元声学相位中心坐标，完成声学相位中心校准。

本发明所述的一种基于声学暗室的声学相位中心校准系统，该校准系统用于校准声学基阵上各阵元的声学相位中心；该校准系统包括声学暗室、数据采集模块、第一位置解算模块、基线长度计算模块和第二位置解算模块；

所述声学暗室为六面体水池，并且六面体水池的每个面上分别设有吸声尖劈，用于模拟无边界深海；

所述声学基阵放置在声学暗室底部；

所述数据采集模块，用于采集声学相位中心校准数据；

第一位置解算模块，用于根据数据采集模块采集的声学相位中心校准数据，解算声学基阵上各个基元在行车坐标系下的坐标；

基线长度计算模块，用于计算声学基阵的各基元之间的基线长度；

第二位置解算模块，用于解算声学基阵上各个基元在基阵坐标系下的坐标。

本发明的有益效果是：采用了建立声学基阵的各基元声学相位中心标校模型方式，获取行车坐标系下声学基阵的各基元声学相位中心的坐标，并以先计算声学基阵的各基元之间的基线长度，最后再计算基阵坐标系下的声学基阵的各基元声学相位中心坐标的方法，实现对声学基阵上基元的声学相位中心的校准，并且克服了声学基阵上各基元的几何中心与声学相位中心不重合问题，进而校准精度高，同时利用声学暗室模拟无边界深海，为声学相位中心校准提供了一个高精度、低干扰的校准环境，进一步提高了校准精度。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种基于声学暗室的声学相位中心校准方法流程图；

图2为具体实施方式六中数据采集模块的结构框图；

图3为具体实施方式六中一种基于声学暗室的声学相位中心校准系统的立体图；

图4为具体实施方式九中俯视声学暗室看到的行车运动轨迹示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于声学暗室的声学相位中心校准方法，该校准方法包括以下步骤：

步骤一、控制装载有声学换能器的行车围绕声学基阵航行，并获得声学相位中心校准数据；所述声学基阵放置在声学暗室底部；

步骤二、根据步骤一获得的声学相位中心校准数据建立声学基阵的各基元声学相位中心标校模型，计算行车坐标系下声学基阵的各基元声学相位中心的坐标；

步骤三、根据步骤二中的行车坐标系下声学基阵的各基元声学相位中心的坐标，计算声学基阵的各基元之间的基线长度；

步骤四、根据步骤三中的声学基阵的各基元之间的基线长度，计算基阵坐标系下的声学基阵的各基元声学相位中心坐标，完成对声学基阵上基元的声学相位中心的校准。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于声学暗室的声学相位中心校准方法进一步限定，在本实施方式中，步骤一中获得声学相位中心校准数据包括声学换能器在行车坐标系下的坐标、声速、信号从声学换能器到声学基阵上各基元的传播时间和声学基阵的各基元通道的固定时间延迟；其中，声学换能器在行车坐标系下的坐标由行车的运动轨迹获得；声速由声速剖面仪测得；信号从声学换能器到声学基阵上各个基元的传播时间由声学基阵各基元收到信号和声学换能器发送的参考信号进行拷贝相关处理获得，声学基阵的各基元通道的固定时间延迟为信号在仪器内部电路的传播时间。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于声学暗室的声学相位中心校准方法进一步限定，在本实施方式中，步骤二中建立的声学基阵的各基元声学相位中心标校模型为：

||xi-xn||＝cin·(tin-τn)，i＝1,2,3，…,m；

其中，m为取声学换能器在行车坐标系下的坐标个数，并为m个观测点，i为观测点的序号，xi为第i个观测点在行车坐标系下的具体坐标值，n为声学基阵中基元的序号，xn为第n个基元在行车坐标系下的具体坐标值，cin为第i个观测点与第n个基元之间的声速；tin为第i个观测点与第n个基元之间的传播时间；τn为第n个基元接收通道对应的固定时间延迟。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种基于声学暗室的声学相位中心校准方法进一步限定，在本实施方式中，步骤三中计算声学基阵的各基元之间的基线长度的具体方法为：

||xni-xnj||＝lni,nj

其中，ni和nj为声学基阵上两个不同的基元；xni为基元ni在行车坐标系下的具体坐标值；xnj为基元nj在行车坐标系下的具体坐标值，lni,nj为基元ni和基元nj之间的基线长度。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一或四所述的一种基于声学暗室的声学相位中心校准方法进一步限定，在本实施方式中，步骤四中计算基阵坐标系下的声学基阵的各基元声学相位中心坐标的具体流程为：

步骤四一、任意选择声学基阵上的三个基元构建一个平面，建立基阵坐标系；

步骤四二、确定出步骤四一中任意选择的声学基阵上三个基元在基阵坐标系下的声学相位中心坐标；

步骤四三、通过基线长度交汇求解出声学基阵上的其他基元在基阵坐标系下的声学相位中心坐标，所述声学基阵上的其他基元是指除去步骤四一中任意选择的声学基阵上的三个基元。

具体实施方式六：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于声学暗室的声学相位中心校准系统，该校准系统用于校准声学基阵4上各阵元的声学相位中心；该校准系统包括声学暗室1、数据采集模块、第一位置解算模块、基线长度计算模块和第二位置解算模块；

所述声学暗室1为六面体水池，并且六面体水池的每个面上分别设有吸声尖劈5，用于模拟无边界深海；

所述声学基阵4放置在声学暗室1底部；

所述数据采集模块，用于采集声学相位中心校准数据；

第一位置解算模块，用于根据数据采集模块采集的声学相位中心校准数据，解算声学基阵4上各个基元在行车坐标系下的坐标；

基线长度计算模块，用于计算声学基阵的各基元之间的基线长度；

第二位置解算模块，用于计算基阵坐标系下的声学基阵的各基元声学相位中心坐标。

在本实施方式中，声学基阵4上刚性安装多个声学基元，各个基元的几何中心与相位中心不重合。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的一种基于声学暗室的声学相位中心校准系统进一步限定，在本实施方式中，数据采集模块包括信号发射单元和信号接收单元；

信号发射单元包括行车2、声学换能器3、信号源6和功放器7；

行车2用于围绕声学基阵4在声学暗室1内部航行；

信号源6用于发射电信号，信号源6的电信号输出端与功放器7电信号输入端相连，功放器7的放大电信号输出端与声学换能器3的放大电信号输入端相连，

声学换能器3固定在行车2底部，声学换能器3用于将电信号转换为声信号，并发射；

信号接收单元包括信号处理器8、数据转换器9、声速剖面仪10和电源11；

电源11用于为信号处理器8供电；

声速剖面仪10，用于通过声学基阵4测量声学换能器3传播声信号的速度，并以声速信号的形式输出至数据转换器9；

信号处理器8，用于对声学基阵4的各基元接收的声信号进行处理，生成处理信号；

数据转换器9，用于接收信号源6发射的电信号，并获取信号源6发射电信号的时刻信息；还用于接收处理信号，并获取声学基阵4的各基元接收声信号的各个时刻信息；还用于接收声速信号，并获取声学换能器3传播声信号的速度；还用于将信号源6发射电信号的时刻信息、声学基阵4的各基元接收声信号的各个时刻信息以及声学换能器3传播声信号的速度转换为声学相位中心校准数据。

在本实施方式中，行车2的初始位置为声学暗室1的上方。

在本实施方式中，信号处理器8在开始进入工作状态时，发出同步触发信号，该同步触发信号触使信号源发射电信号。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七所述的一种基于声学暗室的声学相位中心校准系统进一步限定，在本实施方式中，该校准系统还包括主机箱；

所述信号源6、功放器7、信号处理器8、数据转换器9、电源10、第一位置解算模块、基线长度计算模块和第二位置解算模块均设置在主机箱内部。

在本实施方式中，主机箱设置在声学暗室1外部。

具体实施方式九：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述的一种基于声学暗室的声学相位中心校准系统进一步限定，在本实施方式中，行车2围绕声学基阵4在声学暗室1内部航行具有三个运动自由度；

所述三个运动自由度为水平面相互垂直的两个方向以及垂直于水平面的竖直方向。

在本实施方式中，行车2在水平运动方向的速度不超过500mm/min；同时为了便于测量行车2的轨迹，控制行车2采用正方形轨迹进行航行。