CN105891781B - 基于锥形阵的超短基线定位装置及阵元位置误差修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于锥形阵的超短基线定位装置及阵元位置误差修正方法，包括四个阵元，所述的四个阵元间呈锥形阵结构，其中三个阵元在同一平面内并按等边三角形布置，在该三个阵元中心的正上方布置有一个针元；所述的针元采用球形结构，该阵元的半径小于中心频率对应的波长；该阵元位置误差修正方法为：通过数学方法推导出目标俯仰角表达式，采用抵消方法并根据各阵元时延关系求得目标水平方位角；利用声学方法并采用曲线拟合方式计算出修正后的水平方位角和俯仰角；本发明巧妙的解决了由于超短基线阵元位置误差而引起的测向偏差问题。

Description

基于锥形阵的超短基线定位装置及阵元位置误差修正方法

技术领域

本发明属于水下声学定位技术领域，尤其涉及一种对水下目标进行三维精确定位的超短基线定位装置及阵元位置误差修正方法。

背景技术

随着对海洋资源的开发和利用，越来越多的海洋仪器被研制出来执行水下探测或侦查任务，例如ROV、AUV、潜标等等，在执行任务时(例如水下接驳)，需要知道它们在水下的精确位置，从而完成对它们的引导操作，于是超短基线定位***便很好地派上了用场。超短基线定位***具有定位精度高、体积小、携带和安装都很方便，因此蕴藏着巨大的应用潜力和前景。

传统的超短基线基阵大多采用十字交叉阵(四阵元)，如图1所示，有的为了提高精度，会增加一些额外的阵元，但这本质上都属于一种平面阵，由于其结构限制，这种基阵并不能对所有三维空间方向进行精确定位，使用起来具有一定的局限性。因此，为了克服这一弊端，本发明使用“锥形阵”这一具有立体结构的基阵，由于它是立体阵，不会产生空间方位模糊，因而可以对全空间进行定位。

另外由于加工工艺限制，基阵阵元位置不可避免存在安装误差，而超短基线***是精密的测量***，阵元位置误差的存在可能会导致较大的测向偏差，因此实际使用过程中需要对阵元位置误差引起的方位角测量偏差进行校正。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于锥形阵的超短基线定位装置及阵元位置误差修正方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，包括四个阵元，所述的四个阵元间呈锥形阵结构，其中三个阵元在同一平面内并按等边三角形布置，在该三个阵元中心的正上方布置有一个针元；所述的针元采用球形结构，该阵元的半径小于中心频率对应的波长。

作为优选，所述的位于同一平面内的三个阵元分别为1#阵元、2#阵元、3#阵元，在位于该三个阵元中心正上方的阵元为4#阵元；该修正方法步骤如下：

1)、1#阵元，2#阵元，3#阵元均匀分布在半径为r₀的圆周上，4#阵元在圆心正上方h₀处，以2#阵元为原点，2#阵元和1#阵元连线为x轴，建立右手坐标系，2#阵元和3#阵元连线与2#阵元和1#阵元连线的夹角为φ＝π/3；设目标声源s位于远场，它和坐标原点的连线与xy平面的夹角为γ，声源在xy平面的投影为s′，2#阵元和s′的连线与x轴的夹角为θ；

2)、设2#阵元和1#阵元、3#阵元、4#阵元间的声程差分别为δ₂₁、δ₂₃、δ₂₄，延时分别为τ₂₁、τ₂₃、τ₂₄，通过数学方法推导出目标俯仰角表达式采用抵消方法并根据各阵元时延关系求得目标水平方位角

3)、将超短基线定位装置固定在转台上，将超短基线定位装置和发射换能器放在消声水池的同一深度，且两者相距间的距离为大于2M，将发射换能器每隔一段时间发射一次信号，同时将超短基线定位装置缓慢匀速旋转一圈，得到2#阵元和1#阵元、3#阵元、4#阵元间的实际声程差分别为同理利用声学方法并采用曲线拟合方式计算出修正后的水平方位角和俯仰角，即：

该水平方位角为该俯仰角为(其中，Δx_i，Δy_i(i＝1,3,4)是阵元实际位置与理想位置的偏差，是实际情形与理想情形的相位偏差，公式详细推导参见说明书内容)

本发明的有益效果为：该超短基线定位装置为锥形阵结构，巧妙利用数学原理，推导出了目标的水平方位角和俯仰角，具有思路清晰、计算简便的特点；然后利用声学方法，采取合理的曲线拟合方式，巧妙的解决了由于超短基线阵元位置误差而引起的测向偏差问题。

附图说明

图1传统十字交叉阵超短基线测量范围示意图。

图2是本发明的超短基线阵元位置结构示意图。

图3是本发明的基阵阵元坐标位置示意图。

图4是本发明的超短基线阵元位置校准过程示意图。

附图中的标号分别为：1、超短基线定位装置；2、发射换能器；3、转台。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

(1)“锥形阵”超短基线基阵设计

如附图2所示，超短基线定位装置1共有4个接收阵元(水听器)，其中三个阵元在同一平面内按等边三角形布置，定义为1#、2#、3#阵元，三个阵元均匀分布在直径为76mm的圆周上，在三个阵元中心的正上方布置一个4#阵元，垂直孔径(高度)为36mm。

为了提高基阵的深水耐压能力，阵元(水听器)采用球形结构；为了降低声阻挡现象，阵元体积很小，其半径远小于中心频率对应的波长；定位脉冲信号为编码脉冲。

(2)目标水平方位角和俯仰角的理论推导

1#，2#，3#阵元均匀分布在半径为r₀的圆周上，4#阵元在圆心正上方h₀处，为了方便说明，以2#阵元为原点，2#和1#阵元连线为x轴，建立右手坐标系，2#和3#阵元连线与2#和1#阵元连线的夹角为φ＝π/3。设目标声源s位于远场，它和坐标原点的连线与xy平面的夹角为γ，声源在xy平面的投影为s′，2#和s′的连线与x轴的夹角为θ，如图3所示。

从图3中可以看出，各阵元的坐标为：

1#阵元：

3#阵元：

4#阵元：

从而可得各阵元矢量如下：

目标声源方向的单位矢量为

设2#与1#、3#、4#阵元间的声程差分别为δ₂₁、δ₂₃、δ₂₄，延时分别为τ₂₁、τ₂₃、τ₂₄，则：

化简后得到：

计算得到：

算出cosγ后，得到cosθ和sinθ：

根据(6)式，理论上可以唯一确定目标的水平方位角θ，但由于距离估计误差、俯仰角估计误差会增大水平方位角估计误差，消除上述两种误差源的一种方法是计算出tanθ，并结合δ₂₁的极性(或者是τ₂₁的极性)确定θ象限，从而得出唯一确定的水平方位角θ。

(3)阵元位置误差引起的测向偏差修正

将超短基线定位装置1固定在转台3上，放入消声水池中一定深度，另将一发射换能器2也放入同一深度，两者相距一定的距离，如图4所示。

3.1目标水平方位角修正

实际情形下，阵元位置可能存在误差，主要是阵元的水平位置安装误差，设实际情况下各阵元的位置如下：

1#水听器：

3#水听器：

4#水听器：

其中，Δx_i，Δy_i(i＝1,3,4)是阵元实际位置与理想位置的偏差。

同前面一样，可得到实际情形下，2#和1#、3#、4#阵元间的实际声程差分别为 则：

按照前面设计好的实验方案，将超短基线定位装置1和发射换能器2放在消声水池的同一深度，且两者相距一定的距离(为了保持远场条件，一般大于2m)，这样因为在同一深度，从而γ＝0，故(8)式可化为

以(9.1)式为例，按照三角函数关系，(9.1)式可进一步化为：

其中

将发射换能器2每隔一段时间发射一次信号，同时将超短基线定位装置1缓慢匀速旋转一圈，得到N个声程差i＝1,2,…N，根据(10)可得出实际声程差也应按正弦规律变化，从而可用一个正弦函数f(x)对进行拟合，此正弦函数的峰值f_max(x)对应着最大声程差，也就是2#和1#阵元间的实际距离，从而便得出2#和1#阵元的实际间距为

同理，可得出2#和3#阵元的实际间距1#和3#阵元的实际间距按照数学原理，当一个三角形的三条边长度确定后，那么这个三角形的形状也唯一确定，不失一般性，建立坐标系时，令Δx₂＝0，Δy₂＝0，Δy₁＝0，从而可算出Δx₁，Δx₃，Δy₃；再代入(8)式，便可得到类似于(6)式的表达式：

类似于(7)式，从而可以得到真实的水平方位角应满足：

3.2目标俯仰角修正

根据(4)式和(8)式，可得到实际情形和理想情形之间各阵元声程差的关系如下：

从而得到：

同样将超短基线定位装置1和发射换能器2放在消声水池的同一深度，即γ＝0，则

同样将超短基线定位装置1匀速旋转一圈，这样便能得到函数f(θ)在θ∈(0°,360°)内一系列离散点值f(θ_i)，再用正弦函数对这些散点值进行最小二乘拟合，从而得到(3Δx₄-Δx₃-Δx₁)和(3Δy₄-Δy₃-Δy₁)这两个系数的值，从而计算出Δx₄和Δy₄，同时可确定唯一的函数f(θ)；这样对于每一个给定的θ_k，都会有一个唯一的值f(θ_k)与之对应，而水平方位角θ_k可以通过(12)式求出，从而

其中

从而得出修正后的府仰角

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于锥形阵的超短基线定位装置的阵元位置误差修正方法，其特征在于：该基于锥形阵的超短基线定位装置，包括四个阵元，其特征在于：所述的四个阵元间呈锥形阵结构，其中三个阵元在同一平面内并按等边三角形布置，在该三个阵元中心的正上方布置有一个阵元；所述的阵元采用球形结构，该阵元的半径小于中心频率对应的波长；所述的位于同一平面内的三个阵元分别为1#阵元、2#阵元、3#阵元，在位于该三个阵元中心正上方的阵元为4#阵元；该修正方法步骤如下：

1)、1#阵元，2#阵元，3#阵元均匀分布在半径为r₀的圆周上，4#阵元在圆心正上方h₀处，以2#阵元为原点，2#阵元和1#阵元连线为x轴，建立右手坐标系，2#阵元和3#阵元连线与2#阵元和1#阵元连线的夹角为φ＝π/3；设目标声源s位于远场，它和坐标原点的连线与xy平面的夹角为γ，声源在xy平面的投影为s′，2#阵元和s′的连线与x轴的夹角为θ；

2)、设2#阵元和1#阵元、3#阵元、4#阵元间的声程差分别为δ₂₁、δ₂₃、δ₂₄，延时分别为τ₂₁、τ₂₃、τ₂₄，通过数学方法推导出目标俯仰角表达式采用抵消方法并根据各阵元时延关系求得目标水平方位角

3)、将超短基线定位装置(1)固定在转台(3)上，将超短基线定位装置(1)和发射换能器(2)放在消声水池的同一深度，且两者相距间的距离为大于2M，将发射换能器(2)每隔一段时间发射一次信号，同时将超短基线定位装置(1)缓慢匀速旋转一圈，得到2#阵元和1#阵元、3#阵元、4#阵元间的实际声程差分别为同理利用声学方法并采用曲线拟合方式计算出修正后的水平方位角和俯仰角，即：

该水平方位角为该俯仰角为其中，Δx₁、Δx₃和Δy₃是阵元实际位置与理想位置的偏差。