CN107064943B - 一种海底缆线定位声纳***及定位方法 - Google Patents

一种海底缆线定位声纳***及定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海底缆线定位声纳***及定位方法，声纳***包括安装在移动测量平台上的发射端，嵌入海底缆线中的水听器和安装在岸上的接收端。本发明在海底缆线中嵌入水听器，在移动测量平台上安装若干个刚性连接的发射声源，各发射声源同时发射不同的正交信号，水听器接收声源发出的声波信号，计算水听器与不同发射声源之间的距离差，综合移动平台自身位置信息和姿态信息，可解算出海底缆线的位置。与现有技术相比，本发明建立了一种海底缆线定位声纳***及定位方法，实现了海底缆线的精确定位，为海底缆线的铺设维护提供数据支撑，弥补了现有技术中测量掩埋在海底沉积物的缆线的埋深的空白。

Description

一种海底缆线定位声纳***及定位方法
技术领域
本发明属于声纳技术领域，涉及海底缆线的探测技术，具体地指一种海底缆线定位声纳***及定位方法。
背景技术
随着通信技术的发展，海底缆线运用越来越广泛，而由于海底缆线外径很小，布设后很难获得其在海底的具***置，特别是掩埋在海底沉积物下的海底缆线。
目前常用的方法是通过磁探测法来获取海底缆线的位置。但这种只能初略的探测其位置范围，无法进行精确定位。同时，磁探测法无法测量掩埋在海底沉积物的缆线的埋深。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种海底缆线定位声纳***及定位方法，能精确测量海底缆线在大地坐标下的位置信息。
为实现上述目的，本发明所设计的一种海底缆线定位声纳***，其特殊之处在于，包括安装在移动测量平台上的发射端、嵌入海底缆线中的水听器和安装在岸上的接收端；
所述发射端用于同时发射若干个相互正交的声源信号、并向所述接收端发送发射时刻的UTC时间以及发射端位置信息；
所述水听器用于分别接收若干个声源信号，并转换为光或电信号输出至接收端；
所述接收端用于接收所述水听器发出的光或电信号以及发射端发出的发射时刻的UTC时间、发射端位置信息根据接收信号接收时刻的UTC时间计算所述水听器的位置信息。
进一步地，所述发射端包括信号源、若干个发射机、与所述发射机数量相等的发射换能器、发射端卫星导航设备、无线电通信设备；所述信号源用于产生编码信号；所述若干个发射机用于将编码信号进行功率放大；所述发射换能器用于将功率放大后的编码信号转换成声学信号发射至水中；所述发射端卫星导航设备用于提供发射时刻的UTC时间和发射端位置信息；所述无线电通信设备用于发送发射时刻的UTC时间以及发射端位置信息至接收端。若干个刚性连接的发射端安装在移动测量平台上。
更进一步地，相互正交的声源信号为若干个信号的互相关为0或互相关远低于各信号自相关峰值的若干个信号集合。
更进一步地，所述接收端包括声纳接收和数据采集设备、无线电通***、接收端卫星导航设备、信号处理设备；所述声纳接收和数据采集设备用于对水听器输出的光或电信号进行调理，并输出至信号处理设备；所述无线电通***用于通过无线电通信接收所述发射端发出的发射时刻的UTC时间、发射端位置信息；所述接收端卫星导航设备用于获取接收时刻的UTC时间；所述信号处理设备用于计算所述水听器的位置信息。信号处理设备对声纳接收和数据采集设备输出的信号进行处理，计算水听器与不同发射声源之间的距离差，综合测量载船自身位置信息和姿态信息，解算出海底缆线中水听器的位置，从而确定海缆的位置。
更进一步地，所述发射端还包括发射端姿态测量设备，所述发射端姿态测量设备用于提供所述发射换能器的姿态信息。
更进一步地，所述发射机和发射换能器的数量为四个，所述四个发射换能器在同一平面上呈正交等距离分布。
更进一步地，所述水听器为光纤水听器或者压电水听器。
一种应用于上述海底缆线定位声纳***的定位方法，其特殊之处于，包括如下步骤：
1)所述发射端的四个发射换能器同时向水听器发射四个正交的声源信号，并记录发射时刻的UTC时间t发、发射端位置信息(X发、Y发、Z发)、发射端姿态信息发送至接收端；
2)所述水听器将接收到的四个声源信号转换为光或电信号发送至接收端。
3)所述接收端通过脉冲压缩处理将混叠的光或电信号分离成四个接收信号；
4)所述接收端记录四个接收信号接收时刻的UTC时间，取平均值为接收时间t收，计算所述发射端至水听器的距离R，R＝(t收-t发)*C，C为声速；
5)所述接收端根据四个接收信号接收时刻的UTC时间，计算X轴方向时延差信息Δtx、Y轴方向时延差信息Δty，然后计算所述水听器相对于发射端的相对位置(X收’、Y收’、Z收’)：
d为X轴或者Y轴方向上两个所述发射换能器之间的距离；
6)所述接收端计算水听器在大地坐标系下的绝对位置：
T(α,β,γ)为发射端姿态信息的坐标变换矩阵。
优选地，所述X轴方向时延差信息Δtx为X轴方向上的X1发射换能器和X2发射换能器发射的声波信号到达水听器的传播时间差值；所述Y轴方向时延差信息Δty为Y轴方向上的Y1发射换能器和Y2发射换能器发射的声波信号到达水听器的传播时间差值。
优选地，所述发射端位置信息(X发、Y发、Z发)为所述四个换能器中点位置在大地坐标系下的绝对位置。所述发射端姿态信息为换能器的航向α、横摇β、纵摇γ的姿态信息。
本发明在海底缆线中嵌入水听器，在移动测量平台上安装若干个刚性连接的发射声源，各发射声源同时发射不同的正交信号，水听器接收声源发出的声波信号，计算水听器与不同发射声源之间的距离差，综合移动平台自身位置信息和姿态信息，可解算出海底缆线的位置。
与现有技术相比，本发明建立了一种海底缆线定位声纳***及定位方法，实现了海底缆线的精确定位。本发明提出的海底缆线定位声纳***结构简单、易于实现，为海底缆线的铺设维护提供数据支撑，弥补了现有技术中测量掩埋在海底沉积物中缆线埋深的空白。
附图说明
图1为本发明一种海底缆线定位声纳***的结构示意图；
图2为图1中发射端的结构示意图。
图3为图2中发射换能器的安装示意图。
图中：发射端1，信号源101，发射机102，发射换能器103，X1发射换能器1031，Y1发射换能器1032，X2发射换能器1033，Y2发射换能器1034，发射端卫星导航设备104，发射端姿态测量设备105，无线电通信设备106，海底缆线2，水听器201，接收端3，无线电通***301，接收端卫星导航设备302，信号处理设备303，声纳接收和数据采集设备304。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1和图2所示，本发明提出的一种海底缆线定位声纳***，该***包括移动测量平台上安装的发射端1，嵌入海底缆线2中的水听器201和安装在岸上的接收端3。
发射端1包括信号源101、四个发射机102、四个发射换能器103、发射端卫星导航设备104、发射端姿态测量设备105和无线电通信设备106。四个发射换能器103在同一平面上呈正交等距离分布，X1发射换能器1031和X2发射换能器1033位于X轴上，Y1发射换能器1032和Y2发射换能器1034位于Y轴上。信号源101产生四个不同信号s1、s2、s3和s4，经过四个发射机102进行功率放大，分别驱动位于X轴上的X1发射换能器1031、X2发射换能器1033，位于Y轴上的Y1发射换能器1032和Y2发射换能器1034发射四个声学信号。发射端卫星导航设备104向信号源101输入UTC时钟信息和位置信息，发射端姿态测量设备105向信号源101输入发射换能器阵的姿态信息，信号源101记录发射时刻的UTC时间、发射端位置、发射换能器103的姿态信息，并将发射时刻的UTC时间t发、位置信息(X发,Y发,Z发)、发射换能器103的航向α、横摇β、纵摇γ等姿态信息通过无线电通信设备106发送至位于接收端3的无线电通***301。声学信号s1、s2、s3和s4为不同的正交信号，正交信号为各信号的互相关为0或其互相关远低于各信号自相关峰值的多个信号集合，本实施例采用四个不同编码的相位编码信号或频率编码信号。
水听器201以已知间隔嵌入海底缆线2中，水听器201接收四个声学信号s1、s2、s3和s4，并转换为光或电信号传输至接收端3。水听器201为光纤水听器或者压电水听器。
接收端3包括无线电通***301、接收端卫星导航设备302、信号处理设备303、声纳接收和数据采集设备304。声纳接收和数据采集设备304对水听器201输出的接收信号进行调理，并输出至信号处理设备303。信号处理设备303采用接收信号中s1、s2、s3和s4信号为副本进行脉冲压缩，分离成四个接收信号，对应X1发射换能器1031、X2发射换能器1033、Y1发射换能器1032、Y2发射换能器1034的发射信号，并获得X轴方向时延差信息Δtx、Y轴方向时延差信息Δty。接收端卫星导航设备302向信号处理设备303输入UTC时钟信息，信号处理设备303记录发射信号到达时刻的UTC时间t收。
无线电通***301将接收到的发射时刻的UTC时间t发和位置信息(X发,Y发,Z发)，输出至接收和信号处理设备303。信号处理设备303综合时X轴方向时延差信息Δtx、Y轴方向时延差信息Δty、发射时刻的UTC时间t发、发射时刻的发射端位置信息(X发,Y发,Z发)、发射换能器103的航向α横摇β纵摇γ等姿态信息以及发射信号到达水听器201时刻的UTC时间t收，即可解算出水听器201的位置X收、Y收和Z收。
具体步骤如下：
1)发射端1的四个发射换能器3同时向水听器201发射四个声源信号，并记录发射时刻的UTC时间t发、发射端位置信息(X发、Y发、Z发)、发射端姿态信息发送至接收端3。发射端位置信息(X发、Y发、Z发)为四个发射换能器103中点位置在大地坐标系下的绝对位置。发射端姿态信息为发射换能器103的航向α、横摇β、纵摇γ的姿态信息。
2)水听器201将接收到的四个声源信号转换为光或电信号发送至接收端3。
3)接收端3通过脉冲压缩处理将混叠的信号分离成四个接收信号；
4)接收端3记录四个接收信号接收时刻的UTC时间，取平均值为接收时间t收，计算发射端1至水听器201的距离R，R＝(t发-t收)*C，C为声速。
5)接收端3根据四个接收信号接收时刻的UTC时间，计算X轴方向时延差信息Δtx、Y轴方向时延差信息Δty。X轴方向时延差信息Δtx为X轴方向上的X1发射换能器1031和X2发射换能器1033发射的声波信号到达水听器201的传播时间差；Y轴方向时延差信息Δty为Y轴方向上的Y1发射换能器1032和Y2发射换能器1034发射的声波信号到达水听器201的传播时间差。
然后计算水听器201相对于发射端的相对位置(X收’、Y收’、Z收’)：
d为X轴或者Y轴方向上两个发射换能器103之间的距离。
6)接收端3计算水听器201在大地坐标系下的绝对位置：
T(α,β,γ)为发射端姿态信息的坐标变换矩阵。
依次计算海底缆线2上所有水听器201的绝对位置，得到海底缆线2的精确定位。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡任何背离本专利的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种海底缆线定位声纳***的定位方法，其特征在于，所述***包括安装在移动测量平台上的发射端(1)、嵌入海底缆线(2)中的水听器(201)和安装在岸上的接收端(3)；
所述发射端(1)用于同时发射若干个相互正交的声源信号、并向所述接收端(3)发送发射时刻的UTC时间以及发射端位置信息；所述发射端(1)包括信号源(101)、若干个发射机(102)、与所述发射机(102)数量相等的发射换能器(103)、发射端卫星导航设备(104)、无线电通信设备(106)；所述信号源(101)用于产生编码信号；所述若干个发射机(102)用于将编码信号进行功率放大；所述发射换能器(103)用于将功率放大后的编码信号转换成声学信号发射至水中；所述发射端卫星导航设备(104)用于提供发射时刻的UTC时间和发射端位置信息；所述无线电通信设备(106)用于发送发射时刻的UTC时间以及发射端位置信息至接收端(3)；所述发射端(1)还包括发射端姿态测量设备(105)，所述发射端姿态测量设备(105)用于提供所述发射换能器(103)的姿态信息；
所述发射机(102)和发射换能器(103)的数量为四个，所述四个发射换能器(103)在同一平面上呈正交等距离分布；
所述水听器(201)用于分别接收若干个声源信号，并转换为光或电信号输出至接收端(3)；
所述接收端(3)用于接收所述水听器(201)发出的光或电信号以及发射端(1)发出的发射时刻的UTC时间、发射端位置信息根据接收信号接收时刻的UTC时间计算所述水听器(201)的位置信息；
所述方法包括如下步骤：
1)所述发射端(1)的四个发射换能器(3)同时向水听器(201)发射四个正交的声源信号，并记录发射时刻的UTC时间t发、发射端位置信息(X发、Y发、Z发)、发射端姿态信息发送至接收端(3)；
2)所述水听器(201)将接收到的四个声源信号转换为光或电信号发送至接收端(3)；
3)所述接收端(3)通过脉冲压缩处理将混叠的光或电信号分离成四个接收信号；
4)所述接收端(3)记录四个接收信号接收时刻的UTC时间，取平均值为接收时间t收，计算所述发射端(1)至水听器(201)的距离R，R＝(t发-t收)*C，C为声速；
5)所述接收端(3)根据四个接收信号接收时刻的UTC时间，计算X轴方向时延差信息Δtx、Y轴方向时延差信息Δty，然后计算所述水听器(201)相对于发射端的相对位置(X收’、Y收’、Z收’)：
d为Y轴或者Y轴方向上两个所述发射换能器(103)之间的距离；
6)所述接收端(3)计算水听器(201)在大地坐标系下的绝对位置：
T(α,β,γ)为发射端姿态信息的坐标变换矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种海底缆线定位声纳***的定位方法，其特征在于：所述X轴方向时延差信息Δtx为X轴方向上的X1发射换能器(1031)和X2发射换能器(1033)发射的声波信号到达水听器(201)的传播时间差值；所述Y轴方向时延差信息Δty为Y轴方向上的Y1发射换能器(1032)和Y2发射换能器(1034)发射的声波信号到达水听器(201)的传播时间差值。
3.根据权利要求1所述的一种海底缆线定位声纳***的定位方法，其特征在于：所述发射端位置信息(X发、Y发、Z发)为所述四个发射换能器(103)中点位置在大地坐标系下的绝对位置；所述发射端姿态信息为发射换能器(103)的航向α、横摇β、纵摇γ的姿态信息。
4.根据权利要求1所述的一种海底缆线定位声纳***的定位方法，其特征在于：所述相互正交的声源信号为若干个信号的互相关为0或互相关远低于各信号自相关峰值的若干个信号集合。
5.根据权利要求1所述的一种海底缆线定位声纳***的定位方法，其特征在于：所述接收端(3)包括声纳接收和数据采集设备(304)、无线电通***(301)、接收端卫星导航设备(302)、信号处理设备(303)；所述声纳接收和数据采集设备(304)用于对水听器(201)输出的光或电信号进行调理，并输出至信号处理设备(303)；所述无线电通***(301)用于通过无线电通信接收所述发射端(1)发出的发射时刻的UTC时间、发射端位置信息；所述接收端卫星导航设备(302)用于获取接收时刻的UTC时间；所述信号处理设备(303)用于计算所述水听器(201)的位置信息。
6.根据权利要求1所述的一种海底缆线定位声纳***的定位方法，其特征在于：所述水听器(201)为光纤水听器或者压电水听器。
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