CN112924934A - 一种水下定位***、方法、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种水下定位***、方法、电子设备及存储介质，该***包括：显控处理单元响应于针对待定位目标的水下定位请求，生成第一询问信号，并将生成的第一询问信号发送至信号处理单元；信号处理单元驱动多个水声换能器中的任意一个水声换能器发出第一询问信号；多个水声换能器接收待定位目标根据第一询问信号返回的回复信号，并将回复信号经由信号处理单元发送至显控处理单元；显控处理单元基于回复信号，确定待定位目标的位置。通过采用上述水下定位***、方法、电子设备及存储介质，能够有效提高对待定位目标的定位准确性及定位效率，同时还可以极大地降低待定位目标的打捞难度。

Description

一种水下定位***、方法、电子设备及存储介质

技术领域

本申请涉及水声定位技术领域，尤其是涉及一种水下定位***、方法、电子设备及存储介质。

背景技术

海底地震仪是海洋地球科学探测的一种重要设备，它不仅能够记录海底地震波动信号，还能够对海底地层进行地震波成像，这些都为认识海底地球的内部结构提供了重要依据。同时，在回收海底地震仪的过程中，如果能够对海底地震仪的位置以及上浮轨迹进行实时的显示，就可以即时指挥打捞船的航线，极大地降低打捞过程的难度，因此准确获取海底地震仪在海底的位置信息，对于地震数据的处理以及海底地震仪的打捞具有十分重要的意义。现有技术中，通常采用将多个不同位置的定位结果进行联合解算或者通过反演迭代计算的方式获取海底地震仪的位置信息。

上述水下定位方法中，定位过程较为复杂，定位所花费的时间也较长，更不适用于对海底地震仪进行实时定位。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种水下定位***、方法、电子设备及存储介质，其目的是在待定位目标(如海底地震仪)布放和回收上浮的过程中对其进行实时定位，能够有效提高对待定位目标的定位准确性及定位效率，同时还有助于提高打捞效率。

第一方面，本申请实施例提供了一种水下定位***，包括：多个水声换能器、信号处理单元和显控处理单元；

显控处理单元响应于针对待定位目标的水下定位请求，生成第一询问信号，并将生成的第一询问信号发送至信号处理单元；

信号处理单元驱动多个水声换能器中的任意一个水声换能器发出第一询问信号；

多个水声换能器接收待定位目标根据第一询问信号返回的回复信号，并将回复信号经由信号处理单元发送至显控处理单元；

显控处理单元基于回复信号，确定待定位目标的位置。

优选的，多个水声换能器可呈短基线阵列排布，其中，显控处理单元可通过以下方式确定待定位目标的位置：基于多个水声换能器的排布形式，构建基阵坐标系；确定处于基阵坐标系的第一坐标轴上的水声换能器接收回复信号的第一信号时延差；确定处于基阵坐标系的第二坐标轴上的水声换能器接收回复信号的第二信号时延差；根据所确定的第一信号时延差和第二信号时延差，确定待定位目标的位置。

优选的，显控处理单元可通过以下方式确定待定位目标的位置：确定短基线阵列的阵元间距，阵元间距为短基线阵列中处于同侧的相邻两个水声换能器之间的间隔距离；确定目标斜距，目标斜距为从待定位目标的位置到基阵坐标系的原点的直线距离；根据水中声速、所确定的阵元间距、目标斜距、第一信号时延差和第二信号时延差，确定待定位目标的位置。

优选的，多个水声换能器包括四个水声换能器，短基线阵列为正方形阵列；其中，基阵坐标系的第一坐标轴根据短基线阵列中的处于一条对角线上的两个水声换能器之间的连线来确定；基阵坐标系的第二坐标轴根据短基线阵列中的处于另一条对角线上的两个水声换能器之间的连线来确定。

优选的，所述显控处理单元可通过以下方式确定目标斜距：显控处理单元针对多个水声换能器中除任意一个水声换能器之外的每个其他水声换能器生成与各其他水声换能器对应的第二询问信号，并经由信号处理单元驱动每个其他水声换能器发出对应的第二询问信号；针对每个其他水声换能器，显控处理单元确定该其他水声换能器接收待定位目标根据该其他水声换能器所发出的第二询问信号返回的回复信号所用的双程时间；针对每个其他水声换能器，显控处理单元基于该其他水声换能器的双程时间以及水下声速，确定该其他水声换能器到待定位目标的距离；显控处理单元基于任意一个水声换能器接收待定位目标根据任意一个水声换能器所发出的第一询问信号返回的回复信号所用的双程时间以及水下声速，确定任意一个水声换能器到待定位目标的距离；基于每个水声换能器到待定位目标的距离的统计值，确定目标斜距。

优选的，水下定位***可还包括：安装支架，多个水声换能器通过安装支架固定到载体上，安装支架包括：支架主体、载体连接法兰、多个水声换能器固定法兰；其中，支架主体通过载体连接法兰固定到载体上；多个水声换能器通过多个水声换能器固定法兰固定到支架主体上，支架主体的长度大于载体的深度，多个水声换能器经由支架主体被下放至水中，且多个水声换能器在水中的深度大于载体的吃水深度。

第二方面，本申请实施例提供了一种水下定位方法，包括：

响应于针对待定位目标的水下定位请求，生成第一询问信号；

驱动多个水声换能器中的任意一个水声换能器发出第一询问信号；

接收待定位目标根据第一询问信号返回的回复信号；

基于回复信号，确定待定位目标的位置。

优选的，多个水声换能器呈短基线阵列排布，其中，基于回复信号，确定待定位目标的位置，可包括：基于多个水声换能器的排布形式，构建基阵坐标系；确定处于基阵坐标系的第一坐标轴上的水声换能器接收回复信号的第一信号时延差；确定处于基阵坐标系的第二坐标轴上的水声换能器接收回复信号的第二信号时延差；根据所确定的第一信号时延差和第二信号时延差，确定待定位目标的位置。

第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括：处理器、存储器和总线，存储器存储有处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，处理器与存储器之间通过总线通信，机器可读指令被处理器执行时执行上述的水下定位方法的步骤。

第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述的水下定位方法的步骤。

本申请实施例带来了以下有益效果：

本申请实施例提供了一种水下定位***，包括：多个水声换能器、信号处理单元和显控处理单元；显控处理单元响应于针对待定位目标的水下定位请求，生成第一询问信号，并将生成的第一询问信号发送至信号处理单元；信号处理单元驱动多个水声换能器中的任意一个水声换能器发出第一询问信号；多个水声换能器接收待定位目标根据第一询问信号返回的回复信号，并将回复信号经由信号处理单元发送至显控处理单元；显控处理单元基于回复信号，确定待定位目标的位置。通过本申请的水下定位***，能够在待定位目标布放和回收上浮的过程中对其进行实时定位，以提高定位的准确性和打捞的效率。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，以下附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的水下定位***的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的多个水声换能器的排布示意图；

图3为本申请实施例提供的显控处理单元确定目标斜距的处理过程示意图；

图4为本申请实施例提供的基阵坐标系的示意图；

图5为本申请实施例提供的安装支架的第一结构示意图；

图6为本申请实施例提供的安装支架的第二结构示意图；

图7为本申请实施例提供的水下定位方法的流程示意图；

图8为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供一种水下定位***、方法、电子设备及存储介质，能够在待定位目标布放和回收上浮的过程中对其进行实时定位，以提高定位的准确性和打捞的效率。

值得注意的是，在本申请提出申请之前，现有技术中通常采用以下几种定位方式：

第一种，当前的海底地震仪均自带声学换能器，可通过在船上配套的甲板单元对海底地震仪进行测距，但当前的甲板单元只有一个换能器，只能测量出船与海底地震仪的距离，无法计算出海底地震仪的方位角。

第二种，海底地震仪的询问信号和应答信号与船载的超短基线等声学定位***的信号格式不一致，因此无法通过超短基线等高精度的定位***对其在海底的位置或者上浮过程中的轨迹进行定位。

第三种，在海底地震仪的询问信号和应答信号与船载的超短基线等声学定位***的信号格式不一致的情况下，如果要准确定位，则需要将额外的声学定位信标与海底地震仪绑在一起，利用船载的超短基线***在上浮过程中对海底地震仪进行定位。但这样做，首先需要在船上装有超短基线定位***，同时每个海底地震仪都需要配备一个声学定位信标，不仅成本高，而且还需要考虑信标电池续航等问题，这将导致***可靠性的下降。

第四种，基于船在不同位置的定位结果进行联合解算，用以获取海底地震仪的准确位置。这种方法需要船按十字交叉路径进行运动，在采集了多个不同位置的声学信息后，才能解算出海底地震仪的位置，这种方法耗时长，且仅适用于海底地震仪不运动的情况。

第五种，需要先知道海底地震仪的大致布放位置，通过反演迭代计算从而获得精确的位置，同时还需要用地震仪接收N个不同位置的炮点的三角分量地震波信号。此方法测试过程复杂，而且其迭代计算的收敛过程需要一定的时间，不适合在海底地震仪上浮回收过程中对其进行定位。

然而，本申请提供的水下定位***、方法、电子设备及存储介质，可以根据多个水声换能器与待定位目标之间的询问信号和回复信号，来对待定位目标进行定位，无需在待定位目标上增设额外的器件，也无需安装水下定位***的载体在水上进行反复移动，有效提高了对待定位目标的定位准确性及定位效率。

为便于对本实施例进行理解，首先对本申请实施例所公开的一种水下定位***进行详细介绍，图1为本申请实施例提供的水下定位***的结构示意图，如图1所示，该水下定位***100包括：显控处理单元101、信号处理单元102、多个水声换能器103。

显控处理单元101响应于针对待定位目标的水下定位请求，生成第一询问信号，并将生成的第一询问信号发送至信号处理单元；

具体的，显控处理单元101由数据处理器和显示器组成。其中，数据处理器可通过网络及串口与其他设备进行通信，获取GPS、航向姿态等参数。同时，数据处理器还可以融合外部GPS、航向姿态、声学参数等信息，计算出待定位目标的真实位置(例如，在大地坐标系下的位置)。显示器带有显控接口，可以接收数据处理器传来的位置信息并进行显示。同时，显示器还可以为人机交互提供相应的接口，例如，用户可以通过显示器的操作界面发送相应的操作指令。

在一示例中，显控处理单元101可显示水下定位***的操作界面，在该操作界面上呈现用于获取待定位目标位置的定位选项(或者定位按钮)，当接收到用户对操作界面上的定位选项的选择操作时，生成第一询问信号，该第一询问信号可通过数据处理器被发送至信号处理单元102。例如，在水下定位***的操作界面上，可包含针对每个水声换能器的定位按钮，当接收到用户对某个水声换能器对应的定位按钮的选择操作时，则生成与该水声换能器对应的询问信号。

信号处理单元102驱动多个水声换能器中的任意一个水声换能器发出第一询问信号。

具体的，信号处理单元102可包括功放模块，该功放模块用于放大显控处理单元101传来的询问信号并驱动相应的水声换能器发射询问信号。此外，信号处理单元102可还包括信号放大电路、信号转换模块、编码压缩模块、网络传输模块。作为示例，信号放大电路可为采用差分放大模式的放大电路，对水声换能器接收的回复信号进行差分放大，从而减少噪声的干扰；信号转换模块可采用模数转换芯片，将差分放大后的模拟信号转换成数字信号；编码压缩模块含有数字低通滤波器，能滤除数字信号中的中高频干扰信号后再进行压缩；网络传输模块采用TCP/IP协议，将压缩后的数据打包后通过网络发送给显控处理单元101。

本申请实施例中，信号处理单元102接收来自显控处理单元101生成的询问信号后，功放模块对该询问信号进行放大，并驱动相应的水声换能器发出询问信号。例如，以多个水声换能器包括4个水声换能器为例，如分别为水声换能器1、水声换能器2、水声换能器3、水声换能器4，则发出第一询问信号的过程可以是：信号处理单元102接收来自显控处理单元101生成的第一询问信号后，信号处理单元102中的功放模块对该第一询问信号进行放大，并驱动水声换能器1发出第一询问信号。这里，是以驱动水声换能器1发出第一询问信号为例来进行介绍，但本申请不限于此，还可以驱动水声换能器2、水声换能器3、水声换能器4中的一个来发出第一询问信号。

多个水声换能器103接收待定位目标根据第一询问信号返回的回复信号，并将回复信号经由信号处理单元102发送至显控处理单元101。

具体的，待定位目标可以是任何能够对短基线询问信号作出应答的水下目标，包括但不限于以下任意一项：海底地震仪、海洋调查仪、海洋地质地貌仪器、海洋测温仪器。各水声换能器不仅能够发射询问信号，还能接收待定位目标的回复信号。

在一示例中，假设待定位目标为海底地震仪，每个水声换能器接收并发送回复信号的过程为：海底地震仪接收到任意一个水声换能器发出的第一询问信号后，针对该第一询问信号进行应答，即发出回复信号。该水声换能器接收海底地震仪发出的回复信号，并将此回复信号发送至信号处理单元102。信号处理单元102接收到水声换能器发来的回复信号后，通过信号放大电路对该回复信号进行差分放大，减少回复信号中的噪声干扰，通过信号转换模块将放大后的回复信号由模拟信号转换成数字信号，并发送至编码压缩模块，编码压缩模块中含有低通滤波器，通过该低通滤波器滤除回复信号中的中高频干扰信号后，再对其进行压缩，网络传输模块将压缩后的回复信号发送至显控处理单元101。

以上述示例为例，每个水声换能器均接收到海底地震仪发出的针对第一询问信号的回复信号，在此情况下，信号处理单元102可从每个水声换能器分别接收到回复信号，并将接收到的多个回复信号发送至显控处理单元101。

显控处理单元101基于回复信号，确定待定位目标的位置。

在一示例中，多个水声换能器可呈短基线阵列排布，其中，短基线阵列中的多个水声换能器可处于同一水平面上。此时，可将短基线阵列中处于同侧的相邻两个水声换能器之间的间隔距离确定为短基线阵列的阵元间距，同时，还可根据多个水声换能器的排布形式来构建基阵坐标系。

图2为本申请实施例提供的多个水声换能器的排布示意图。

在本示例中，多个水声换能器可包括四个水声换能器，如水声换能器1、水声换能器2、水声换能器3、水声换能器4，短基线阵列为正方形阵列，例如，可将上述四个水声换能器按顺时针排列组成正方形短基线阵列。

在此情况下，可将短基线阵列中处于一条对角线上的两个水声换能器之间的连线确定为基阵坐标系的第一坐标轴(如X轴)，例如，可将图2所示的短基线阵列中的水声换能器1和水声换能器3之间的连线确定为基阵坐标系的第一坐标轴。

可将短基线阵列中的处于另一条对角线上的两个水声换能器之间的连线确定为基阵坐标系的第二坐标轴(如Y轴)，例如，可将短基线阵列中的水声换能器2和水声换能器4之间的连线确定为基阵坐标系的第二坐标轴。

在本申请的实施例中，显示处理单元101可确定处于基阵坐标系的第一坐标轴上的水声换能器接收回复信号的第一信号时延差，确定处于基阵坐标系的第二坐标轴上的水声换能器接收回复信号的第二信号时延差，根据所确定的第一信号时延差和第二信号时延差，确定待定位目标的位置。其中，第一信号时延差可为处于基阵坐标系的第一坐标轴上的水声换能器接收到回复信号的时间差，第二信号时延差为处于基阵坐标系的第二坐标轴上的水声换能器接收回复信号的时间差。具体实施时，确定第一信号时延差及第二信号时延差的过程为：信号处理单元101驱动任意一个水声换能器发出第一询问信号后，待定位目标会针对该第一询问信号作出应答，即发出回复信号，多个水声换能器接收到该回复信号，此时，由于各水声换能器所在位置不同，因此接收到回复信号的时间也会有所不同，可将基阵坐标系中第一坐标轴上的两个水声换能器接收到回复信号的时间差确定为第一信号时延差，可将基阵坐标系中第二坐标轴(Y轴)上的两个水声换能器接收到回复信号的时间差确定为第二信号时延差。在上述示例中，可将水声换能器1和水声换能器3接收到回复信号的时间差确定第一信号时延差，将水声换能器2和水声换能器4接收到回复信号的时间差确定第二信号时延差。

具体的，显示处理单元101根据第一信号时延差和第二信号时延差确定待定位目标的位置的过程为：确定短基线阵列的阵元间距，确定目标斜距，根据水中声速、阵元间距、目标斜距、第一信号时延差和第二信号时延差，确定待定位目标的位置。其中，阵元间距为短基线阵列中处于同侧的相邻两个水声换能器之间的间隔距离，可在确定短基线阵列时经过测量获得，以图2所示为例，阵元间距可指处于同侧的水声换能器1与水声换能器2之间的间隔距离，也可指处于同侧的水声换能器1与水声换能器4之间的间隔距离，由于图2所示的短基线阵列为正方形阵列，此时，该阵元间距可为正方形的边长。

此外，水中声速可通过测量仪器获得，也可直接取通常情况下海水中的声速，本领域技术人员可根据实际情况选择，本申请在此不做限定。

目标斜距可为从待定位目标的位置到基阵坐标系的原点的直线距离，图3为本申请实施例提供的显控处理单元确定目标斜距的处理过程示意图；如图3所示，包括：

处理201，显控处理单元针对多个水声换能器中除任意一个水声换能器之外的每个其他水声换能器生成与各其他水声换能器对应的第二询问信号。

具体的，针对多个水声换能器中除任意一个水声换能器之外的每个其他水声换能器，指的是针对发出第一询问信号的水声换能器之外的其他水声换能器中的每个水声换能器。例如，发出第一询问信号的水声换能器为水声换能器1，则其他水声换能器为水声换能器2、水声换能器3、水声换能器4。在一示例中，显控处理单元101生成与各其他水声换能器对应的第二询问信号后，将此第二询问信号发送至信号处理单元102。

以上述示例为例，显控处理单元101针对除水声换能器1之外的每个水声换能器生成与其对应的第二询问信号，即对水声换能器2、水声换能器3、水声换能器4分别生成一个询问信号，并将这三个第二询问信号发送至信号处理单元102进行信号放大处理。其中，这三个第二询问信号可以是间隔生成的，当前询问信号的生成时间点可在多个水声换能器接收到上一个询问信号对应的回复信号之后。上述示例中，由于针对每个水声换能器均生成一个第二询问信号，因此将生成多个第二询问信号，第二询问信号的数量可与其他水声换能器的数量相同。

处理202，信号处理单元驱动每个其他水声换能器发出对应的第二询问信号。

具体的，信号处理单元102在接收到第二询问信号后，通过功放模块对第二询问信号进行放大处理，并驱动各其他水声换能器发出对应的第二询问信号。

例如，以上述示例为例，信号处理单元102接收来自显控处理单元101生成的第二询问信号后，信号处理单元102中的功放模块对该第二询问信号进行放大，并驱动水声换能器4发出第二询问信号；相应地，信号处理单元102可重复上述过程，来驱动水声换能器2、水声换能器3发出相应的第二询问信号。

处理203，针对每个其他水声换能器，显控处理单元确定该其他水声换能器接收待定位目标根据该其他水声换能器所发出的第二询问信号返回的回复信号所用的双程时间。

具体的，待定位目标接收到第二询问信号后，会针对该第二询问信号进行应答，显控处理单元101计算从水声换能器发出该第二询问信号开始到接收到该第二询问信号对应的回复信号为止所经历的时间，将该时间确定为该水声换能器对应的双程时间。

例如，显控处理单元101计算从水声换能器2发出第二询问信号开始到接收到该第二询问信号对应的回复信号为止所经历的时间，将该时间确定为水声换能器2对应的双程时间2；显控处理单元101计算从水声换能器3发出第二询问信号开始到接收到该第二询问信号对应的回复信号为止所经历的时间，将该时间确定为水声换能器3对应的双程时间3；显控处理单元101计算从水声换能器4发出第二询问信号开始到接收到该第二询问信号对应的回复信号为止所经历的时间，将该时间确定为水声换能器4对应的双程时间4。

处理204，针对每个其他水声换能器，显控处理单元基于该其他水声换能器的双程时间以及水下声速，确定该其他水声换能器到待定位目标的距离。

具体的，针对每个其他水声换能器，显控处理单元101用该其他水声换能器的双程时间除以2，得到该其他水声换能器的单程时间。然后，计算该其他水声换能器的单程时间与水下声速的乘积，将该乘积确定为该其他水声换能器到待定位目标的距离。依此类推，显控处理单元101可确定每个其他水声换能器到待定位目标的距离。

例如，显控处理单元101确定的是水声换能器3到待定位目标的距离，则用水声换能器3对应的双程时间3除以2，再乘以水下声速，即得到水声换能器3到待定位目标的距离，将此距离记为距离3，依此类推，可分别得到水声换能器2到待定位目标的距离，将此距离记为距离2；水声换能器4到待定位目标的距离，将此距离记为距离4。

处理205，显控处理单元基于任意一个水声换能器接收待定位目标根据任意一个水声换能器所发出的第一询问信号返回的回复信号所用的双程时间以及水下声速，确定任意一个水声换能器到待定位目标的距离。

具体的，显控处理单元101计算从任意一个水声换能器发出该第一询问信号开始到接收到该第一询问信号对应的回复信号为止所经历的时间，将该时间确定为该任意一个水声换能器对应的双程时间。然后，针对发出第一询问信号的任意一个水声换能器，显控处理单元101用该任意一个水声换能器的双程时间除以2，得到该任意一个水声换能器的单程时间。计算该任意一个水声换能器的单程时间与水下声速的乘积，将该乘积确定为该任意一个水声换能器到待定位目标的距离。

例如，显控处理单元101计算从水声换能器1发出第一询问信号开始到接收到该第一询问信号对应的回复信号为止所经历的时间，将该时间确定为水声换能器1对应的双程时间1，则用双程时间1除以2，再乘以水下声速，即得到水声换能器1到待定位目标的距离，将此距离记为距离1。

处理206，基于每个水声换能器到待定位目标的距离的统计值，确定目标斜距。

具体的，在确定出每个水声换能器到待定位目标的距离后，可计算出由所有距离组成的一组数据中，可选取该组数据的平均值、最大值、最小值、中间值中任意一项作为统计值，并将该统计值确定为目标斜距。

假设，以选取平均值作为统计值为例，假设距离1为1000米、距离2为1200米、距离3为1500米、距离4为1300米，则目标斜距为可上述4个距离的平均值，即为1250米。

图4为本申请实施例提供的基阵坐标系的示意图，如图4所示，根据水中声速、阵元间距、目标斜距、第一信号时延差和第二信号时延差，确定待定位目标的位置的过程可为：

在本示例中，假设，待定位目标S在基阵坐标系下的坐标为(x、y、z)；α为目标径矢与x轴的夹角；β为目标径矢与y轴的夹角；R为目标斜距；s′为待定位目标S在基阵坐标系的xy平面的垂直投影，r为s′到基阵坐标系的原点的距离；目标径矢为待定位目标到短基线阵列中心的矢量。根据几何关系可知：

由于基阵尺寸相对于目标斜距很小，在平面波近似下，有：

其中：c表示水中声速；D表示阵元间距；τ_x表示x轴上的两个水声换能器1与水声换能器3接收回复信号的第一信号时延差；τ_y表示y轴上的两个水声换能器2与水声换能器4接收回复信号的第二信号时延差。

将(1-4)和(1-5)式分别代入(1-1)和(1-2)式，得到：

将x、y、R代入公式1-3，可计算获得z。

如此确定了待定位目标在基阵坐标系下的位置坐标(x、y、z)。

在一可选实施例中，显控处理单元101可将待定位目标在基阵坐标系下的位置坐标转换为大地坐标系下的绝对坐标，具体过程如下：

在一示例中，为计算大地坐标系下的绝对坐标，需要在装有水下定位***的载体(如船舶)上安装惯性设备提供船体的航姿数据，此外还需要利用GNSS测量船的绝对位置。根据欧拉旋转理论，几何体的任何旋转都可以用三个角度来表示，并把这三个角称之为欧拉角。从基阵坐标系到大地坐标系的坐标变换可以通过两个坐标系之间三个欧拉角构成的矩阵来实现。基阵坐标系和大地坐标系之间转换的三个旋转姿态角为：方位角A，纵摇角κ，横摇角φ。其中，方位角A为水声换能器1和水声换能器3的连接方向与正北方向的夹角，向东为正；纵摇角κ为第一坐标轴与水平面的夹角，从水平面起船艏向上为正；横摇角φ为Y轴与水平面的夹角，从水平面起船右舷向上为正。根据欧拉旋转理论可以得到大地坐标系到基阵坐标系的旋转矩阵为：

式中,

根据上述公式可计算得到待定位目标在大地坐标系下的绝对坐标。

在一可选实施例中，本申请的水下定位***可还包括：安装支架，多个水声换能器通过安装支架固定到载体上，作为示例，安装支架可包括：支架主体、载体连接法兰、多个水声换能器固定法兰。

例如，支架主体通过载体连接法兰固定到载体上，多个水声换能器通过多个水声换能器固定法兰固定到支架主体上，其中，支架主体的长度大于载体的深度，多个水声换能器经由支架主体被下放至水中，且多个水声换能器在水中的深度大于载体的吃水深度。

图5为本申请实施例提供的安装支架的第一结构示意图，该安装支架可将多个水声换能器固定在水面的载体上。

如图5所示，假设载体为船舶，该结构包含：钢索支架5、载体连接法兰6、固定钢索7、支架主体8以及换能器固定法兰9。其中，钢索支架5带有固定到船甲板的连接器，使其能牢固的固定在甲板上，钢索支架5还带有钢索缠绕盘用于缠绕收紧固定钢索。载体连接法兰6用于将整个支架主体固定到船舶的甲板上，并带有转轴，不进行定位时，可以将支架主体转动收起至船舷侧面；固定钢索7连接支架主体8和钢索支架5，作用是在船行进的过程中，拉住支架主体8，防止其前后摆动；支架主体8为圆柱形长杆，长度要大于船底深度，保证水声换能器深入水中的深度大于船的吃水深度，从而减少船底反射对定位的影响；换能器固定法兰9则用于连接多个水声换能器。

图6为本申请实施例提供的安装支架的第二结构示意图，本实施例与图5所示的实施例的不同之处在于安装支架结构不同。图6所示的安装支架可应用于针对带有月池的船舶，可以利用月池进行水声换能器的下放，从而只需要重新设计一个能够安装四个水声换能器的安装支架即可。

如图6所示，该结构包含：月池连接法兰10、竖直杆11、横向悬臂12、换能器固定法兰13。其中，月池连接法兰10为载体连接法兰，用于连接月池平台的升降装置，实现与船舶的可靠连接。竖直杆11为支架主体，主要起承重和连接的作用，其长度需要保证在月池平台下降至船底后，处于竖直杆11下方位置的水声换能器在水中的深度会低于船底的位置，避免船底反射对定位结果的影响。四个横向悬臂12以竖直杆底部为中心，朝四个方向安装，使其四个横向悬臂12的末端构成一个正方形，多个水声换能器通过换能器固定法兰13分别固定到四个横向悬臂12的末端，在安装水声换能器后，就构成了一个正方形的短基线阵列。换能器固定法兰13的一侧固定在横向悬臂12的末端，另一侧则用锁扣固定水声换能器。

在需要定位时，将安装支架和水声换能器固定好后组成短基线阵列，与月池平台连接，并通过月池平台将多个水声换能器下放至船底，信号处理单元以及显控处理单元置于船舱中进行控制，即可实现海底地震仪的定位。

也就是说，本申请实施例可通过由多个水声换能器组成的短基线阵列对海底地震仪进行定位，能够在海底地震仪布放和回收上浮的过程中进行实时定位，并且提高了定位的准确性和打捞的效率。

基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了与图1所示的水下定位***对应的水下定位方法，通过采用上述水下定位方法，在海底地震仪布放和回收上浮的过程中对其进行实时定位，并且能够提高定位信息的准确性和打捞的效率。

图7为本申请实施例提供的水下定位方法的流程示意图,如图7所示，该方法包括：

步骤501、响应于针对待定位目标的水下定位请求，生成第一询问信号。

步骤502、驱动多个水声换能器中的任意一个水声换能器发出第一询问信号。

步骤503、接收待定位目标根据第一询问信号返回的回复信号。

步骤504、基于回复信号，确定待定位目标的位置。

由于本申请实施例中的方法解决问题的原理与本申请实施例上述水下定位***相似，因此方法的实施可以参见***的实施，重复之处不再赘述。

对应于图1中的水下定位***，本申请实施例还提供了一种电子设备600的结构示意图，如图8所示，电子设备600包括处理器610、存储器620和总线630。存储器620存储有处理器610可执行的机器可读指令，当电子设备600运行时，处理器610与存储器620之间通过总线630通信，机器可读指令被处理器610执行时，能够执行上述水下定位方法，在海底地震仪布放和回收上浮的过程中对其进行实时定位，并且能够提高定位信息的准确性和打捞的效率。

对应于图1中的水下定位***，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述水下定位方法的步骤。

具体地，该存储介质能够为通用的存储介质，如移动磁盘、硬盘等，该存储介质上的计算机程序被运行时，能够执行上述水下定位方法，在海底地震仪布放和回收上浮的过程中对其进行实时定位，并且能够提高定位信息的准确性和打捞的效率。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，前述描述的***、装置和单元的具体工作过程，可以参考上述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种水下定位***，其特征在于，包括：多个水声换能器、信号处理单元和显控处理单元；

所述显控处理单元响应于针对待定位目标的水下定位请求，生成第一询问信号，并将生成的第一询问信号发送至信号处理单元；

所述信号处理单元驱动所述多个水声换能器中的任意一个水声换能器发出第一询问信号；

所述多个水声换能器接收所述待定位目标根据第一询问信号返回的回复信号，并将所述回复信号经由所述信号处理单元发送至所述显控处理单元；

所述显控处理单元基于所述回复信号，确定所述待定位目标的位置。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述多个水声换能器呈短基线阵列排布，

其中，所述显控处理单元通过以下方式确定所述待定位目标的位置：

基于所述多个水声换能器的排布形式，构建基阵坐标系；

确定处于所述基阵坐标系的第一坐标轴上的水声换能器接收回复信号的第一信号时延差；

确定处于所述基阵坐标系的第二坐标轴上的水声换能器接收回复信号的第二信号时延差；

根据所确定的第一信号时延差和第二信号时延差，确定所述待定位目标的位置。

3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述显控处理单元通过以下方式确定所述待定位目标的位置：

确定所述短基线阵列的阵元间距，所述阵元间距为所述短基线阵列中处于同侧的相邻两个水声换能器之间的间隔距离；

确定目标斜距，所述目标斜距为从所述待定位目标的位置到所述基阵坐标系的原点的直线距离；

根据水中声速、所确定的阵元间距、目标斜距、第一信号时延差和第二信号时延差，确定所述待定位目标的位置。

4.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述多个水声换能器包括四个水声换能器，所述短基线阵列为正方形阵列；

其中，所述基阵坐标系的第一坐标轴根据所述短基线阵列中的处于一条对角线上的两个水声换能器之间的连线来确定；

所述基阵坐标系的第二坐标轴根据所述短基线阵列中的处于另一条对角线上的两个水声换能器之间的连线来确定。

5.如权利要求3所述的***，其特征在于，所述显控处理单元通过以下方式确定目标斜距：

所述显控处理单元针对所述多个水声换能器中除任意一个水声换能器之外的每个其他水声换能器生成与各其他水声换能器对应的第二询问信号，并经由所述信号处理单元驱动每个其他水声换能器发出对应的第二询问信号；

针对每个其他水声换能器，所述显控处理单元确定该其他水声换能器接收所述待定位目标根据该其他水声换能器所发出的第二询问信号返回的回复信号所用的双程时间；

针对每个其他水声换能器，所述显控处理单元基于该其他水声换能器的双程时间以及水下声速，确定该其他水声换能器到所述待定位目标的距离；

所述显控处理单元基于所述任意一个水声换能器接收所述待定位目标根据所述任意一个水声换能器所发出的第一询问信号返回的回复信号所用的双程时间以及水下声速，确定所述任意一个水声换能器到所述待定位目标的距离；

基于每个水声换能器到所述待定位目标的距离的统计值，确定所述目标斜距。

6.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述水下定位***还包括：安装支架，所述多个水声换能器通过安装支架固定到载体上，所述安装支架包括：支架主体、载体连接法兰、多个水声换能器固定法兰；

其中，所述支架主体通过所述载体连接法兰固定到载体上；

所述多个水声换能器通过所述多个水声换能器固定法兰固定到所述支架主体上，所述支架主体的长度大于载体的深度，所述多个水声换能器经由所述支架主体被下放至水中，且所述多个水声换能器在水中的深度大于载体的吃水深度。

7.一种水下定位方法，其特征在于，包括：

响应于针对待定位目标的水下定位请求，生成第一询问信号；

驱动多个水声换能器中的任意一个水声换能器发出第一询问信号；

接收所述待定位目标根据第一询问信号返回的回复信号；

基于所述回复信号，确定所述待定位目标的位置。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述多个水声换能器呈短基线阵列排布，

其中，基于所述回复信号，确定所述待定位目标的位置，包括：

基于所述多个水声换能器的排布形式，构建基阵坐标系；

确定处于所述基阵坐标系的第一坐标轴上的水声换能器接收回复信号的第一信号时延差；

确定处于所述基阵坐标系的第二坐标轴上的水声换能器接收回复信号的第二信号时延差；

根据所确定的第一信号时延差和第二信号时延差，确定所述待定位目标的位置。

9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过所述总线进行通信，所述机器可读指令被所述处理器运行时执行权利要求7或8所述的水下定位方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求7或8所述的水下定位方法的步骤。

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