CN107748352A - 适用于浅水定位的超短基线装置及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于浅水定位的超短基线装置及定位方法。所述适用于浅水定位的超短基线装置包括定位基阵、甲板单元和辅助设备，同时通过主控软件进行控制。所述接收基阵具有若干个阵元，各个阵元处于同一平面，各个阵元同时接收声学信号。所述发射换能器用于在应答方式下发射询问信号，其设置在接收基阵的阵元的中间。所述信号处理板设有处理器，上述处理器采用FPGA和DSP组合架构。本发明公开的适用于浅水定位的超短基线装置及定位方法，采用脉冲挑选技术和时延差相位修正技术对目标轨迹进行精确跟踪定位，定位轨迹光滑稳定，野点少，定位精度高。

Description

适用于浅水定位的超短基线装置及定位方法

技术领域

本发明属于水下实时定位技术领域，具体涉及一种适用于浅水定位的超短基线装置和一种适用于浅水定位的超短基线装置定位方法，适合用于海洋石油勘探开发、水下打捞、搜救等海洋工程，可对水下航行体(ROV、AUV、UUV等)、拖鱼、潜标、潜水员及其它水下目标进行精确定位和跟踪。

背景技术

随着海洋事业的发展，在海洋探测研究、海洋工程、海洋矿产资源、水下考古、海洋国防建设等方面，都离不开水下定位***为其提供高精度、高质量的定位数据。

超短基线定位是一种水下声学定位技术，其基线长度一般在几厘米到几十厘米，由于其安装简单、使用方便而得到了广泛应用。超短基线定位***利用各个阵元之间的相位差(或者时延差)来测量运动目标或固定目标的方位，通过发射与接收之间的时间差来测量两者之间的距离，再融合GPS数据等实现目标的三维定位。

然而，水声信道复杂，尤其浅水环境下，由于其边界及介质起伏效应，造成多径时延扩展，信道衰落严重，即使利用了宽带信号检测技术，但由于多途效应会导致对信号真正到达时刻的时延获取仍然存在一定难度。因此，如何在这种复杂的水声环境下，获取高质量的超短基线定位数据，是水下定位的一个难点。

发明内容

本发明针对现有技术的状况，针对上述缺陷，提供一种适用于浅水定位的超短基线装置和一种适用于浅水定位的超短基线装置定位方法。

本发明采用以下技术方案，所述适用于浅水定位的超短基线装置包括定位基阵、甲板单元和辅助设备，同时通过主控软件进行控制，其中：

所述辅助设备包括GPS设备和信标；

所述定位基阵包括接收基阵、发射换能器、水密壳体、水密电缆、信号处理板以及电子罗盘；所述接收基阵具有若干个阵元，各个阵元处于同一平面，各个阵元同时接收声学信号，并且把声电转换后的数据送给信号处理板；所述发射换能器用于在应答方式下发射询问信号，其设置在接收基阵的阵元的中间；所述水密电缆用于连接定位基阵和甲板单元；所述信号处理板设有处理器，上述处理器采用FPGA和DSP组合架构；所述电子罗盘实时测量定位基阵的三轴信息，并把数据送给信号处理板进行解算。

根据上述技术方案，所述甲板单元包括机箱、电源和接口处理板；所述机箱包括前面板和后面板，前面板用于显示状态，后面板为开关控制区并且设置有可插拔的接插件；所述电源包括输入电源处理模块、开关电源模块和线性稳压模块。

根据上述技术方案，所述机箱采用标准1U上架机箱结构。

根据上述技术方案，所述接口处理板用于接收和转发数据、指令、同步信号，所述甲板单元具有标准网络输出接口。

根据上述技术方案，所述定位基阵采用一体化基阵，所述接收基阵采用4元十字交叉接收基阵。

根据上述技术方案，所述水密壳体采用圆筒形结构，并且采用钛合金材料制成。

根据上述技术方案，所述电子罗盘安装在水密壳体内，并且通过4个螺钉与水密壳体的内壳壁固定连接。

本发明还公开适用于浅水定位的超短基线装置定位方法包括脉冲挑选步骤和时延差相位修正步骤。

根据上述技术方案，所述脉冲挑选步骤包括以下步骤：

步骤S1，低幅值脉冲剔除：剔除最大幅值脉冲的0.4倍以下幅值的脉冲；

步骤S2，周期间脉冲剔除：根据最大工作周期和最大航速所能产生的最大时延变化，每个脉冲与本阵元历史脉冲进行比较，剔除周期间变化大于此限制的脉冲；

步骤S3，阵元间脉冲剔除：根据基线长度引起的阵元间最大时延差，计算两两阵元间的时延差，剔除阵元间变化大于此限制的脉冲；

步骤S4，时延差脉冲选取：求取与历史两两阵元间时延差最小所对应的脉冲。

根据上述技术方案，所述时延差相位修正步骤包括以下步骤：

求取两两阵元间的时延差为时延差的初测值，再进行相位修正，即相位差值反映到时延差的修正值，时延差初测值和相位修正值的差值，即为时延差相位修正值：

Δτ_修正值＝Δρ/2πf₀

Δτ_{相位修正值}＝Δτ_初测值-Δτ_修正值

其中，Δρ为两两阵元间的相位差；f₀为宽带信号的中心频率。

本发明公开的适用于浅水定位的超短基线装置及定位方法，其有益效果在于，采用脉冲挑选技术和时延差相位修正技术对目标轨迹进行精确跟踪定位，定位轨迹光滑稳定，野点少，定位精度高。

附图说明

图1是本发明优选实施例的***框图。

图2是本发明优选实施例的时延求解方法示意图。

图3是本发明优选实施例的脉冲挑选方法示意图。

图4是本发明优选实施例的时延差相位修正示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种适用于浅水定位的超短基线装置和一种适用于浅水定位的超短基线装置定位方法，下面结合优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。

参见附图的图1，图1示出了所述适用于浅水定位的超短基线装置(以下说明以及说明书附图中可简称为超短基线装置)的模块结构。优选地，所述适用于浅水定位的超短基线装置包括定位基阵和甲板单元，同时通过主控软件进行控制。其中，所述适用于浅水定位的超短基线装置在使用时还需配备辅助设备，上述辅助设备包括GPS设备和信标。

其中，所述定位基阵优选采用一体化基阵，所述定位基阵包括接收基阵、发射换能器、水密壳体、水密电缆、信号处理板以及电子罗盘(航向、姿态测量设备)。

其中，所述接收基阵优选采用4元十字交叉接收基阵，上述4元十字交叉接收基阵构成超短基线装置的超短基线阵。其中，上述4元十字交叉接收基阵具有若干个阵元，各个阵元处于同一平面，各个阵元同时接收声学信号，并且把声电转换后的数据送给信号处理板。其中，基阵的间距很小，以便于携带布放。

其中，所述发射换能器用于在应答方式下发射询问信号，其设置在4元十字交叉接收基阵的阵元的中间。

其中，所述水密壳体是定位基阵的载体，采用圆筒形结构，并且采用钛合金材料制成，以便满足对设备重量和耐海水腐蚀的要求。

其中，所述水密电缆用于连接定位基阵和甲板单元。

其中，所述信号处理板是整个定位基阵的核心，负责声学信号的调理、采集、发射、处理和传输。所述信号处理板设有处理器，上述处理器采用FPGA和DSP组合架构，以便充分发挥各自优势。FPGA完成数据采集、信号处理、信号检测等任务，而DSP完成脉冲挑选和数据通信等任务。

其中，所述电子罗盘实时测量定位基阵的三轴信息，并把数据送给信号处理板进行解算。所述电子罗盘安装在水密壳体内，并且通过4个螺钉与水密壳体的内壳壁固定连接。在试验过程中，电子罗盘不能松动，否则需重新按照角度偏差进行校准。

其中，所述甲板单元包括机箱、电源和接口处理板。所述机箱是甲板单元的载体，所述机箱优选采用标准1U上架机箱结构。其中，所述机箱包括前面板和后面板，前面板用于显示状态，后面板为开关控制区并且设置有可插拔的接插件。其中，所述电源向甲板单元、定位基阵等设备提供直流电源，其包括输入电源处理模块、开关电源模块和线性稳压模块。

其中，所述接口处理板是甲板单元的中继，用于接收和转发数据、指令、同步信号。甲板单元具有标准网络输出接口，可融合航姿，DSP等信息进行更精确定位。

其中，所述主控软件用于显示水下目标的实时位置和运动轨迹，可显示多个目标信息，包含相对定位基阵的位置信息以及绝对的大地坐标信息。同时也可显示舰船的位置轨迹和航姿变化，并能进行快速的声学性能分析。其界面为全中文界面，简单易用。

其中，所述GPS设备支持NMEA 0183格式的GPRMC、GPGGA等多种格式协议输出。所述信标支持同步和应答两种工作模式。

根据上述优选实施例，本发明专利申请还公开了一种适用于浅水定位的超短基线装置定位方法，该适用于浅水定位的超短基线装置定位方法主要涉及脉冲挑选步骤和时延差相位修正步骤。在超短基线装置中，需要估计各个通道的时延。所述适用于浅水定位的超短基线装置定位方法包括以下步骤。

步骤1、采用宽带信号***常采用的拷贝相关来估计时延。

设声源发出的信号为s(t)，其信号持续时间T。阵元接收到的信号x(t)表示为：

x(t)＝ks(t-τ)+n(t)

式中，k表示信号的幅度，τ是信号传输的时延，n(t)是加性噪声。

接收到的信号x(t)与参考信号s(t)进行相关运算，得到相关函数：

式中，R_SS(τ)是s(t)的自相关函数，P(τ)是参考信号s(t)分别与n(t)相关得到的结果。由于自相关函数R_SS(τ)满足

|R_SS(τ)|≤R_SS(0)

若选择合适的信号形式s(t)，其自相关函数峰值尖锐，使得R(τ)在τ时刻受P(τ)的影响较小，那么则可以用检测R(τ)峰值位置的方法来获得确定时延τ和幅度a，取出峰值点处的相位ρ，进而确定信号到达的时延和相位和幅度。

定位基阵通过上述方法解算出接收信号的时延和相位以及幅度信息后，通过水密电缆传输到岸上的甲板单元，并由甲板单元融合其他信息后再传输到主控软件内进行下一步的定位解算。

步骤2、脉冲挑选步骤。

由于浅水环境的多径效应，上述方法求出的每个阵元满足条件的峰值脉冲可能有多个，在主控软件内需再进一步筛选满足条件脉冲。主要包含以下步骤：

步骤S1：低幅值脉冲剔除：剔除最大幅值脉冲的0.4倍以下幅值的脉冲，避免能量小的脉冲参与到定位中。即满足条件的脉冲幅值需满足如下条件：

a≥a_max*0.4

其中，a_max表示最大幅值脉冲的幅度值；选取0.4的系数是基于多途模型下多途的脉冲幅值不会大于真正的信号脉冲的0.4倍的假设。

步骤S2：周期间脉冲剔除：根据最大工作周期和最大航速所能产生的最大时延变化，每个脉冲与本阵元历史脉冲进行比较，剔除周期间变化大于此限制的脉冲。即与历史脉冲相比，本周期的脉冲时延变化满足如下条件：

Δτ≤T_工作周期*V_航速*1852/3600/C_声速

其中，T_工作周期为***定位工作周期，单位S；V_航速为目标运动航速，单位Knot；C_声速表示声速值，单位m/s。

步骤S3：阵元间脉冲剔除：根据基线长度引起的阵元间最大时延差，计算两两阵元间的时延差，剔除阵元间变化大于此限制的脉冲。即两两阵元间的脉冲时延差满足如下条件：

Δτ≤L_基线长度/C_声速

其中，L_基线长度表示两两阵元间的基线长度，单位m；C_声速表示声速值，单位m/s。

步骤S4：时延差脉冲选取：求取与历史两两阵元间时延差最小所对应的脉冲。根据以上剔除后，所剩脉冲均满足幅值要求、工作周期、工作航速、基线长度所能容许的最大误差。假设4个接收阵元分别用1#、2#、3#、4#阵元表示，1#和3#阵元用于X轴(北)定位，2#和4#阵元用于Y轴(东)定位，计算1#和3#阵元之间的时延差，求取与历史的1#和3#阵元间时延差变化最小所对应的脉冲。

Δτ₁₃＝min(Δτ-Δτ₁₃')

其中，Δτ为当前周期的1#和3#脉冲之间的时延差，Δτ₁₃’为历史周期的1#和3#阵元间的时延差。

同理，可求得与历史的2#和4#阵元间的时延差变化最小所对应的脉冲。

Δτ₂₄＝min(Δτ-Δτ₂₄')

步骤3、时延差相位修正步骤。

通过上述脉冲挑选步骤获取到的目标脉冲求取两两阵元间的时延差为时延差的初测值，为进一步提高超短基线的定位精度，还需再进行相位修正，即相位差值反映到时延差的修正值，时延差初测值和时延差修正值的差值，即为时延差相位修正值。

Δτ_修正值＝Δρ/2πf₀

Δτ_{相位修正值}＝Δτ_初测值-Δτ_修正值

其中，Δρ为两两阵元间的相位差；f₀为宽带信号的中心频率；

具体实施时，需要对接收信号进行采样再进行相关运算。接收到的信号x₁(t)和x₂(t)以采样率F_S＝1/T_S进行采样，得到x₁(nT_S)和x₂(nT_S)，分别与参考信号s(nT_S)和它的希尔伯特变换H[S(nTs)]进行相关运算得R₁(mT_S)、RH₁(mT_S)、R₂(mT_S)、RH₂(mT_S)：

其中，R₁(mT_S)、RH₁(mT_S)构成一组复信号，R₂(mT_S)、RH₂(mT_S)构成另一组复信号。对包络进行峰值挑选，求得时延τ₁、τ₂，取出峰值点处的相位ρ₁、ρ₂，其中ρ₁、ρ₂的计算如下：

其中，Im[·]表示取表达式的虚部，Re[·]表示取表达式的虚部。

则时延差相位修正值为：

Δτ＝(τ₁-τ₂)-(ρ₁-ρ₂)/(2πf₀)。

对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于浅水定位的超短基线装置，其特征在于，包括定位基阵、甲板单元和辅助设备，同时通过主控软件进行控制，其中：

所述辅助设备包括GPS设备和信标；

所述定位基阵包括接收基阵、发射换能器、水密壳体、水密电缆、信号处理板以及电子罗盘；所述接收基阵具有若干个阵元，各个阵元处于同一平面，各个阵元同时接收声学信号，并且把声电转换后的数据送给信号处理板；所述发射换能器用于在应答方式下发射询问信号，其设置在接收基阵的阵元的中间；所述水密电缆用于连接定位基阵和甲板单元；所述信号处理板设有处理器，上述处理器采用FPGA和DSP组合架构；所述电子罗盘实时测量定位基阵的三轴信息，并把数据送给信号处理板进行解算。

2.根据权利要求1所述的适用于浅水定位的超短基线装置，其特征在于，所述甲板单元包括机箱、电源和接口处理板；所述机箱包括前面板和后面板，前面板用于显示状态，后面板为开关控制区并且设置有可插拔的接插件；所述电源包括输入电源处理模块、开关电源模块和线性稳压模块。

3.根据权利要求2所述的适用于浅水定位的超短基线装置，其特征在于，所述机箱采用标准1U上架机箱结构。

4.根据权利要求2所述的适用于浅水定位的超短基线装置，其特征在于，所述接口处理板用于接收和转发数据、指令、同步信号，所述甲板单元具有标准网络输出接口。

5.根据权利要求1所述的适用于浅水定位的超短基线装置，其特征在于，所述定位基阵采用一体化基阵，所述接收基阵采用4元十字交叉接收基阵。

6.根据权利要求1所述的适用于浅水定位的超短基线装置，其特征在于，所述水密壳体采用圆筒形结构，并且采用钛合金材料制成。

7.根据权利要求1所述的适用于浅水定位的超短基线装置，其特征在于，所述电子罗盘安装在水密壳体内，并且通过4个螺钉与水密壳体的内壳壁固定连接。

8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的适用于浅水定位的超短基线装置的适用于浅水定位的超短基线装置定位方法，其特征在于，包括脉冲挑选步骤和时延差相位修正步骤。

9.根据权利要求8所述的适用于浅水定位的超短基线装置定位方法，其特征在于，所述脉冲挑选步骤包括以下步骤：

步骤S1，低幅值脉冲剔除：剔除最大幅值脉冲的0.4倍以下幅值的脉冲；

步骤S2，周期间脉冲剔除：根据最大工作周期和最大航速所能产生的最大时延变化，每个脉冲与本阵元历史脉冲进行比较，剔除周期间变化大于此限制的脉冲；

步骤S3，阵元间脉冲剔除：根据基线长度引起的阵元间最大时延差，计算两两阵元间的时延差，剔除阵元间变化大于此限制的脉冲；

步骤S4，时延差脉冲选取：求取与历史两两阵元间时延差最小所对应的脉冲。

10.根据权利要求8所述的适用于浅水定位的超短基线装置定位方法，其特征在于，所述时延差相位修正步骤包括以下步骤：

求取两两阵元间的时延差为时延差的初测值，再进行相位修正，即相位差值反映到时延差的修正值，时延差初测值和相位修正值的差值，即为时延差相位修正值：

Δτ_修正值＝Δρ/2πf₀

Δτ_{相位修正值}＝Δτ_初测值-Δτ_修正值

其中，Δρ为两两阵元间的相位差；f₀为宽带信号的中心频率。