CN113204007B - 一种基于超短基线定位的换能器实船校准***及校准方法 - Google Patents

一种基于超短基线定位的换能器实船校准***及校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超短基线定位的换能器实船校准***及其校准方法。本发明中的待测换能器、定位换能器和发射端电子仓相互固定后通过与母船连接柔性吊放于水下，三维立体阵列和接收端电子仓通过与子船连接柔性吊放于水下。母船泊停在湖中央，子船按恒定速度恒定距离绕母船运动多周，然后重复上述测量过程，以达到待测换能器指向性360°测量要求；工作站将接收的所有测量数据进行处理、运算，即可得到待测换能器和三维立体阵列的相对位置及此位置下换能器所校准得到的性能参数。本发明既能在不拆卸换能器情况下实现实船性能校准，也能在海洋中实现低频换能器的性能校准，大幅度提高了校准频率范围和校准精度。

Description

一种基于超短基线定位的换能器实船校准***及校准方法
技术领域
本发明涉及低频换能器校准技术，特别涉及一种基于超短基线定位的换能器实船校准***及其校准方法。
背景技术
近年来，随着人们对海洋资源的重视度的提高，各个国家不断增大对海洋的开发投入，水声技术日益发展。受海洋科学研究、海洋资源开发、水声对抗技术等领域的需求推动，水声换能器的研究焦点集中在低频宽带、大功率、深水工作等方向。指向性可以反映出换能器的发射响应或灵敏度随发射或入射声波方向的变化而变化的特性，是换能器的必测参数，指向性图是描述换能器指向性响应的重要特征参量。
常用的换能器性能较准方法为有消声水池法、近场测量法等。在消声水池中测量换能器指向性时，由于受到消声水池尺寸及消声材料吸声系数的限制，难以对低频换能器的指向性进行测量；而在开阔水域对低频换能器指向性测量时，无法实现待测换能器及标准水听器的刚性吊放及姿态控制；如使用近场测量法则需要近场测量基阵，基阵的尺寸较大，需要专门的吊装设备进行辅助控制，造价昂贵，效率不高，维护工作量较大，无法普及使用。
超短基线定位技术作为水下定位的技术手段一直受到国内外从事海洋探测仪器研究单位的重视，经过数十年的发展，其精度、定位范围以及抗干扰能力都有很大的提高。如果能将超短基线定位技术应用于水声换能器的实船校准中，将会显著提高换能器校准的频率范围和准确度，将是低频换能器校准领域的一大突破，成为对我国低频换能器校准标准规范的有益补充，具有重要的理论意义和应用价值。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于超短基线定位的换能器实船校准***及其校准方法，本发明能在不拆卸换能器情况下实现实船性能校准，也能在海洋中实现换能器更低频的性能校准，大幅度提高了校准频率范围和校准精度，且设备轻便、安装简单、使用方便。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：
本发明的一方面提供了一种基于超短基线定位的换能器实船校准***，包括：待测换能器、定位换能器、三维立体阵列、发射端电子仓、接收端电子仓、发射端工作站和接收端工作站，待测换能器、定位换能器和发射端电子仓相互固定后通过与母船连接柔性吊放于水下，三维立体阵列和接收端电子仓通过与子船连接柔性吊放于水下，待测换能器和定位换能器与发射端电子仓连接，三维立体阵列与接收端电子仓连接，发射端电子仓和接收端电子仓分别与发射端工作站和接收端工作站之间通过网线连接，母船与子船驶离岸边至开阔水域避免校准过程中来自岸边的声波反射并保持一定距离，待测换能器和定位换能器相互固定后通过与母船连接柔性吊放于水下一定深度，发射端工作站控制信号发射模块分别先后向柔性吊放于子船水下相同深度的三维立体阵列发射定位信号和校准信号，三维立体阵列接收到的信号通过信号接收模块处理后上传自接收端工作站，同时传感器及GPS秒脉冲模块将所测量的环境信息同步上传自工作站以修正测量环境的干扰和同步母船与子船之间的时间；母船泊停在湖中央，子船按恒定速度恒定距离绕母船运动多周，然后重复上述测量过程，以达到待测换能器指向性360°测量要求；工作站将接收的所有测量数据进行处理、运算，即可得到待测换能器和三维立体阵列的相对位置及此位置下换能器所校准得到的性能参数，还可以实时监控换能器的实时测量情况，该***能够避免已服役换能器重新校准时拆装的工作和可能损坏的情况，由于其可以在开阔水域下校准的特性，还可提高换能器频率校准范围，实现更低频率的性能校准。
所述的发射端电子仓包括发射端FPGA主控板、信号发射模块、发射端传感器及GPS秒脉冲模块、发射端电源模块和发射端以太网接口，所述发射端FPGA主控板与发射端以太网接口、信号发射模块电连接，所述发射端传感器及GPS秒脉冲模块输出端与发射端FPGA主控板输入端连接，所述发射端电源模块与发射端电子仓中各模块连接为其供电，通过电源转换电路，输出+24V、-24V、+12V、-12V、+5V、-5V、+3.3V多种电压为***供电，信号发射模块用于对校准信号和定位信号进行功率放大，使信号具有足够高的电压，通过换能器发射后能够传播足够远的距离，声源级需达到150dB以上。
所述的接收端电子仓包括接收端FPGA主控板、信号接收模块、接收端传感器及GPS秒脉冲模块、接收端电源模块和接收端以太网接口，接收端FPGA主控板用于控制信号接收模块采集三维立体阵列的12路水听器信号并接收接收端传感器及GPS秒脉冲模块输出端的数据信息，所述接收端FPGA主控板分别与接收端以太网接口、信号接收模块电连接，所述接收端传感器及GPS秒脉冲模块输出端与接收端FPGA主控板输入端连接，所述接收端电源模块与接收端电子仓中各模块连接为其供电，通过电源转换电路，输出+24V、-24V、+12V、-12V、+5V、-5V、+3.3V多种电压为***供电。
作为本设计的一种优选技术方案，所述信号发射模块包括待测换能器DA转换模块、功率放大器1、定位换能器DA转换模块和功率放大器2，所述待测换能器DA转换模块输出端与功率放大器1输入端连接，所述功率放大器1输出端与待测换能器输入端连接，所述定位换能器DA转换模块输出端与功率放大器2输入端连接，所述功率放大器2输出端与定位换能器输入端连接，信号发射模块用于产生校准信号和定位信号并通过功率放大器放大后经由换能器发射，所述信号接收模块包括AD转换模块和前置放大器，所述AD转换模块输出端与前置放大器输入端连接，所述前置放大器输出端与三维立体阵列输入端连接，信号接收模块将三维立体阵列的12路水听器接收的信号进行放大、滤波及模数转换，因为所使用的定位信号与校准信号频率范围在2kHz-15kHz，根据奈奎斯特采样定律，要最好的还原信号，要求每路通道的采样率在150kSps以上。
作为本设计的一种优选技术方案，所述发射端传感器及GPS秒脉冲模块与接收端传感器及GPS秒脉冲模块各包括姿态传感器、温深传感器、GPS秒脉冲模块，其中姿态传感器用于修正坐标姿态，将发射端与接收端***转换到同一坐标系下，便于后面数据处理与计算，温深传感器用于修正环境干扰，GPS秒脉冲模块用于发射端与接收端的时间同步，以便信号的同步对应与时延计算。
作为本设计的一种优选技术方案，所述的基于超短基线定位的换能器实船校准***，其特征在于：所述三维立体阵列由三根两两正交的轴及十二个水听器阵元构成而成，每个轴上分别布置四个水听器阵元，两端各两个水听器阵元，用于超短基线定位。
作为本设计的一种优选技术方案，所述待测换能器换成换能器阵列、声纳接收阵列，该***仍然适用。
本发明还提供了一种基于超短基线定位的换能器实船校准方法，步骤为：
步骤一、安装实船校准***：将待测换能器、定位换能器和发射端电子仓相互固定后通过与母船连接柔性吊放于水下水下一定深度，通过三根两两正交的轴及十二个水听器阵元将三维立体阵列组装后，将其和接收端电子仓通过与子船连接柔性吊放于水下相同深度，待测换能器和定位换能器与发射端电子仓连接，三维立体阵列与接收端电子仓连接，发射端电子仓和接收端电子仓分别与发射端工作站和接收端工作站之间通过网线连接。
步骤二、母船与子船驶离岸边保持一定距离至开阔水域，发射端工作站控制发射端电子仓中的信号发射模块每隔一定周期先后发出10个整周期频率为13.5kHz正弦填充脉冲信号和10个整周期校准频率的正弦填充脉冲信号分别用定位与校准，接收端工作站控制接收端电子仓中的信号接收模块同步采集三维立体阵列中12路水听器接收到的波形信号，发射周期根据母船与子船之间距离而定，保证发射与接收到信号在同一周期内来对应处理，同时，发射端传感器及GPS秒脉冲模块与接收端传感器及GPS秒脉冲模块同步采集环境的数据信息，包括姿态传感器、温深传感器、GPS秒脉冲模块，其中姿态传感器用于修正坐标姿态，将发射端与接收端***转换到同一坐标系下，便于后面数据处理与计算，温深传感器用于修正环境干扰，GPS秒脉冲模块用于发射端与接收端的时间同步，以便信号的同步对应与时延计算。
步骤三、子船绕母船缓慢航行多周，并不断重复步骤二，采集各个角度下的信号和数据信息。
步骤四、根据12路水听器所接收到的波形信号，经过信号互相关信息提取方法处理得到所需要的定位信号与校准信号，并得到每个阵元的定位信号的相位时延信息与校准信号的幅值信息。
步骤五、对步骤四所提取出的定位信号相位时延信息进行处理，基于超短基线定位技术对12路水听器的定位信号处理后得到待测换能器与三维立体阵列的相对位置，通过温深传感器所采集的环境信息消除环境干扰，最后通过姿态传感器测得的姿态角进行坐标转换后修正相对位置。
步骤六、选取出俯仰角在5°以内的数据，通过对提取出来的低频信号的处理得到其指向性数据及其他性能参数并绘图。
步骤四中信号互相关信息提取方法为，对接收的波形信号S0(t)，其提取步骤为：
(1)对波形信号S0(t)进行滤波处理，得到滤波信号S1(t)；
(2)以发射波形信号S0′(t)作为参考信号，对S1(t)进行互相关，获得互相关函数S2(t)，其表征着两个信号的相似程度；
(3)通过互相关函数S2(t)，获得所需的定位及校准信号；
(4)通过傅里叶变换可提取每个阵元接收到定位信号的相位时延信息与校准信号的幅值信息。
本发明的有益效果为：
1、设计的基于超短基线定位的换能器实船校准***及其校准方法在对已服役低频换能器进行实船校准时，利用停于开阔水域且相聚一定距离的母船与子船分别柔性吊放发射端***与接收端***于水下一定深度，通过子船缓慢绕母船行驶多周，可完成低频换能器的性能校准工作，不仅实现了已服役换能器的实船校准，且大大提高了校准效率，减少了校准过程的额外花费。
2、本发明的校准方法解决了传统消声水池低频换能器校准方法所遇到的信号反射难以消除的问题，还避免了近场测量法所需要的昂贵费用，在解决以上问题的同时利用超短基线定位技术提高了校准精度，设计的校准***与方法适用范围广，不仅适用于低频换能器的校准，也适用于已服役换能器的实船校准，校准***安装简单、使用方便、成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明基于超短基线定位的换能器实船校准***的校准过程示意图；
图2是本发明基于超短基线定位的换能器实船校准***的***框图；
图3是本发明中三维立体阵列的结构示意图；
图4是本发明中时间同步的时序示意图；
图5是本发明中信号提取的过程示意图；
图6是本发明中发射端与接收端的坐标转换示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
如图1至图3所示，一种基于超短基线定位的换能器实船校准***，包括：待测换能器51、定位换能器54、三维立体阵列55、发射端电子仓56、接收端电子仓57、发射端工作站58和接收端工作站59。所述待测换能器51、定位换能器54和发射端电子仓56相互固定后通过与母船52连接柔性吊放于水下；所述三维立体阵列55和接收端电子仓57通过与子船53连接柔性吊放于水下；所述待测换能器51和定位换能器54与发射端电子仓56连接，所述三维立体阵列55与接收端电子仓57连接，所述发射端电子仓56和接收端电子仓57分别与发射端工作站58和接收端工作站59之间通过网线连接。
三维立体阵列由三根两两正交的轴及十二个水听器阵元构成而成，每个轴上分别布置四个水听器阵元，两端各两个水听器阵元，用于超短基线定位技术，确定待测换能器51与三维立体阵列55之间的位置，其中小阵元间距为d，d间距小于半波长，如阵元1与阵元2，大阵元间距为D＝Nd，用于增加测量精度，如阵元1与阵元4，所述发射端电子仓56包括发射端FPGA主控板561、信号发射模块562、发射端传感器及GPS秒脉冲模块563、发射端电源模块564和发射端以太网接口565；所述发射端FPGA主控板561分别与发射端以太网接口565、信号发射模块562电连接，所述发射端传感器及GPS秒脉冲模块输出端563与发射端FPGA主控板561输入端连接，所述发射端电源模块564与发射端电子仓56中各模块连接为其供电。接收端电子仓57包括接收端FPGA主控板571、信号接收模块572、接收端传感器及GPS秒脉冲模块573、接收端电源模块574和接收端以太网接口575，所述接收端FPGA主控板571分别与接收端以太网接口575、信号接收模块572电连接，所述接收端传感器及GPS秒脉冲模块输出端573与接收端FPGA主控板571输入端连接，所述接收端电源模块574与接收端电子仓57中各模块连接为其供电，所述信号发射模块包括待测换能器DA转换模块5621、功率放大器15622、定位换能器DA转换模块5623和功率放大器2 5624，所述待测换能器DA转换模块5621输出端与功率放大器1 5622输入端连接，所述功率放大器1 5622输出端与待测换能器51输入端连接，所述定位换能器DA转换模块5623输出端与功率放大器2 5624输入端连接，所述功率放大器2 5624输出端与定位换能器54输入端连接，所述信号接收模块包括AD转换模块5721和前置放大器5722，所述AD转换模块5721输出端与前置放大器5722输入端连接，所述前置放大器5722输出端与三维立体阵列55输入端连接。
一种基于超短基线定位的换能器实船校准方法，使用上述基于超短基线定位的换能器实船校准***，校准的步骤为：
步骤一、首先安装实船校准***，将待测换能器51、定位换能器54和发射端电子仓56相互固定后通过与母船52连接柔性吊放于水下水下一定深度，通过三根两两正交的轴及十二个水听器阵元将三维立体阵列55组装后，将其和接收端电子仓57通过与子船53连接柔性吊放于水下相同深度，待测换能器51和定位换能器54与发射端电子仓56连接，三维立体阵列55与接收端电子仓57连接，发射端电子仓56和接收端电子仓57分别与发射端工作站58和接收端工作站59之间通过网线连接。
步骤二、母船52与子船53驶离岸边保持一定距离至开阔水域，发射端工作站58控制发射端电子仓56中的信号发射模块每隔一定周期先后发出10个整周期频率为13.5kHz正弦填充脉冲信号和10个整周期校准频率的正弦填充脉冲信号分别用定位与校准，接收端工作站59控制接收端电子仓57中的信号接收模块同步采集三维立体阵列55中12路水听器接收到的波形信号，发射周期根据母船52与子船53之间距离而定，保证发射与接收到信号在同一周期内来对应处理，如图4所示为使用本发明基于超短基线定位的换能器实船校准***校准时的信号收发示意图，同时，发射端传感器及GPS秒脉冲模块563与接收端传感器及GPS秒脉冲模块573同步采集环境的数据信息，包括姿态传感器、温深传感器、GPS秒脉冲模块，其中姿态传感器用于修正坐标姿态，将发射端与接收端***转换到同一坐标系下，便于后面数据处理与计算，温深传感器用于修正环境干扰，GPS秒脉冲模块用于发射端与接收端的时间同步，以便信号的同步对应与时延计算。
步骤三、子船53绕母船52缓慢航行多周，并不断重复步骤二，采集各个角度下的信号和数据信息。
步骤四、根据12路水听器所接收到的波形信号，经过信号互相关信息提取方法处理得到所需要的定位信号与校准信号，并得到每个阵元的定位信号的相位时延信息与校准信号的幅值信息，如图5所示为信号互相关信息提取方法示意图，其处理步骤为：
(1)将原始信号通过带通滤波器进行滤波，得到滤波后信号；
(2)以发射波形信号作为参考信号，对滤波后信号进行互相关，获得互相关函数，其表征着两个信号的相似程度；
(3)根据互相关函数截取出所需的定位及校准信号；
(4)通过傅里叶变换可提取每个阵元的定位信号的相位时延信息与校准信号的幅值信息。
步骤五、对步骤四所提取出的定位信号相位时延信息进行处理，基于超短基线定位技术对12路水听器的高频信号处理后得到待测换能器与三维立体阵列的相对位置，通过温深传感器所采集的环境信息消除环境干扰，最后通过姿态传感器测得的姿态角进行坐标转换后修正相对位置，如图6所示为坐标转换示意图，其处理步骤为：
(1)通过发射端与接收端姿态传感器分别测出对应的姿态角a、b、c和α、β、γ，通过发射端姿态角a、b、c得到旋转矩阵
Figure BDA0003089279920000121
通过接收端姿态角a、β、γ得到旋转矩阵
Figure BDA0003089279920000122
(2)将定位换能器视作点声源，在水听器阵列当前{A}坐标系O-XYZ下，通过超短基线定位技术得到定位换能器OH的坐标，已知水听器阵列任一阵元坐标PA；
(3)通过旋转矩阵
Figure BDA0003089279920000123
把坐标系O-XYZ转换到以阵列交叉点O为原点的{A`}大地坐标系O-X′Y′Z′下，通过公式计算可得定位换能器在坐标系O-X′Y′Z′下的位置O′H，公式如下：
Figure BDA0003089279920000124
(4)再将大地坐标系O-X′Y′Z′平移至以定位换能器OH为原点的{H`}大地坐标系OH-X′HY′HZ′H下，通过公式计算得到该坐标系下该阵元坐标P′H，公式如下：
Figure BDA0003089279920000125
(5)通过旋转矩阵
Figure BDA0003089279920000131
把坐标系OH-X′HY′HZ′H转换到定位换能器当前{H}坐标系OH-XHYHZH下，通过公式计算可得该坐标系下该阵元坐标PH，公式如下：
Figure BDA0003089279920000132
(6)由于定位换能器与待测换能器刚性固定，相对位置已知，将当前坐标系OH-XHYHZH平移至以待测换能器OL为原点的{L}坐标系OL-XLYLZL下，得到水听器任一阵元在待测换能器当前坐标系{L}中的位置PL(x′,y′,z′)；
(7)通过当前坐标系{L}中的位置PL(x′,y′,z′)可求得水听器阵元与换能器主声轴的夹角θ，公式如下：
Figure BDA0003089279920000133
步骤六、选取出俯仰角在5°以内的数据，通过对提取出来的校准信号的处理得到其指向性数据及其他性能参数并绘图。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种基于超短基线定位的换能器实船校准方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、安装实船校准***：将待测换能器(51)、定位换能器(54)和发射端电子仓(56)相互固定后通过与母船(52)连接柔性吊放于水下，通过三根两两正交的轴及十二个水听器阵元将三维立体阵列(55)组装后，将其和接收端电子仓(57)通过与子船(53)连接柔性吊放于水下，待测换能器(51)和定位换能器(54)与发射端电子仓(56)连接，三维立体阵列(55)与接收端电子仓(57)连接，发射端电子仓(56)和接收端电子仓(57)分别与发射端工作站(58)和接收端工作站(59)之间通过网线连接；
步骤二、母船(52)与子船(53)驶离岸边保持一定距离至开阔水域，发射端工作站(58)控制发射端电子仓(56)中的信号发射模块每隔一定周期先后发出10个整周期频率为13.5kHz正弦填充脉冲信号和10个整周期校准频率的正弦填充脉冲信号分别用定位与校准，接收端工作站(59)控制接收端电子仓(57)中的信号接收模块同步采集三维立体阵列(55)中12路水听器接收到的波形信号，发射周期根据母船(52)与子船(53)之间距离而定，保证发射与接收到信号在同一周期内来对应处理；
同时，发射端电子仓(56)中的发射端传感器及GPS秒脉冲模块(563)与接收端电子仓(57)中的接收端传感器及GPS秒脉冲模块(573)同步采集环境的数据信息，包括姿态传感器、温深传感器、GPS秒脉冲模块，其中姿态传感器用于修正坐标姿态，将发射端与接收端***转换到同一坐标系下，便于后面数据处理与计算；温深传感器用于修正环境干扰，GPS秒脉冲模块用于发射端与接收端的时间同步，以便信号的同步对应与时延计算；
步骤三、子船(53)绕母船(52)缓慢航行多周，并不断重复步骤二，采集各个角度下的信号和数据信息；
步骤四、根据12路水听器所接收到的波形信号，经过信号互相关信息提取方法处理得到所需要的定位信号与校准信号，并得到每个阵元的定位信号的相位时延信息与校准信号的幅值信息；
步骤五、对步骤四所提取出的定位信号相位时延信息进行处理，基于超短基线定位技术对12路水听器的定位信号处理后得到待测换能器与三维立体阵列的相对位置，通过温深传感器所采集的环境信息消除环境干扰，通过姿态传感器测得的姿态角进行坐标转换后修正相对位置；
步骤六、选取出俯仰角在5°以内的数据，通过对提取出来的低频信号的处理得到其指向性数据及其他性能参数并绘图；
其中步骤四中信号互相关信息提取方法为，对接收的波形信号S0(t)，其提取步骤为：
(1)对波形信号S0(t)进行滤波处理，得到滤波信号S1(t)；
(2)以发射波形信号S0′(t)作为参考信号，对S1(t)进行互相关，获得互相关函数S2(t)，其表征着两个信号的相似程度；
(3)通过互相关函数S2(t)，获得所需的定位及校准信号；
(4)通过傅里叶变换提取每个阵元接收到定位信号的相位时延信息与校准信号的幅值信息。
2.根据权利要求1所述的基于超短基线定位的换能器实船校准方法，其特征在于：所述的所述待测换能器(51)可替换为换能器阵列、声纳接收阵列。
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