CN106199519A - 一种超短基线五基元立体空间基阵及其水声定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短基线五基元立体空间基阵，包括5个水声换能器基元，分别位于空间五面体的各顶点，其中4个水声换能器基元位于一个水平平面内的四个顶点，成方形布局；共面的4个基元中对角的2个基元分别与第5个基元构成竖直方向的定位平面，形成2个竖直方向的定位基准面。定位时，利用水平面的任意三点可构成正交坐标系，也可利用四点构成水平正交坐标系；同时，利用水平面上任意两点对角基元与第五基元构成竖直方向定位基阵面；用不同基阵面进行联合定位，分别求取目标方位值，然后可以通过坐标变换，将各局部坐标系的定位结果转换到一个统一的全局定位坐标系下进行数据融合，作为所测量目标的最终方位值。

Description

一种超短基线五基元立体空间基阵及其水声定位方法

技术领域

本发明涉及超短基线水声定位方法技术领域，具体是一种超短基线五基元立体空间基阵及其水声定位方法。

背景技术

超短基线水声定位方法，基阵结构形式简单，安装、使用方便。一般超短基线定位系统基于接收信号相位差的估计。采用孔径小于半波长的三角阵型或者四元十字交叉阵型，可有效避免相位模糊问题；在四元十字交叉阵型基础上扩展的8基元十字交叉基阵可以通过大量冗余基元数据改善精度，但其有效的等精度测量基线与四元十字交叉阵实际上是相同的，而对目标方位估计的起伏效果不理想。尤其重要的是，上述基阵均为平面结构形式的基阵，应用于水下大型结构平台时，当定位目标与定位基阵的定位基阵平面间的俯仰角变小时，竖直方向的定位计算结果误差急剧增加，进而导致空间定位测量效果变差，定位稳定性和有效性差变差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超短基线五基元立体空间基阵及其水声定位方法，以解决目前声源目标方位接近定位基阵平面时，竖直方向的定位计算结果误差急剧增加，导致测量的稳定性和有效性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超短基线五基元立体空间基阵，包括5个收发合置的水声换能器基元和带球冠的圆柱型基阵外壳， 5个水声换能器基元分别位于空间五面体的各顶点，其中4个水声换能器基元位于一个水平平面内的四个顶点，成方形布局；共面的4个水声换能器基元中对角的2个水声换能器基元分别与第5个水声换能器基元构成竖直方向的定位平面，形成2个竖直方向的定位基准面。

作为本发明进一步的方案：所述5个水声换能器基元位于五面体空间的各顶点上；位于水平平面内的4个水声换能器基元，每3个水声换能器基元均构成平面内直角坐标系的定位平面，其组合构成的定位基阵包括1-2-3定位基阵，2-3-4定位基阵，3-4-1定位基阵，4-1-2定位基阵；底面对角两个点与空间第五点分别构成两个正交的竖直方向的定位基阵，包括1-5-3定位基阵和2-5-4定位基阵，这两个基阵面在空间成直角关系；底面相邻两个点与空间第五点分别构成空间倾斜方向的定位基阵，包括1-5-2定位基阵和2-5-3定位基阵；底面4个水声换能器基元构成1-3、2-4两个测量基线形成的4基元正交平面定位基阵。

作为本发明再进一步的方案：所述超短基线五基元立体空间基阵形成的圆柱面直径为15cm。

作为本发明再进一步的方案：所述的5个水声换能器基元均采用高精度数控加工技术在实体金属上切割成型装配基座，实现换能器基元装配；所述5个换能器基元通过绝缘透声橡胶进行灌封，并固定在加工好的基阵外壳的安装基座上。

作为本发明再进一步的方案：所述超短基线五基元立体空间基阵阵型还包括变形形式：在0点增加一个水声换能器基元，该水声换能器基元与1-5点中的两个水声换能器基元重新构成子基阵，包括1-0-2基阵、2-0-5基阵；在1-5点的轴线方向各增加一个水声换能器基元，形成差分形式的定位基阵。

作为本发明再进一步的方案：所述的超短基线五基元立体空间基阵进行水声定位的方法，包括以下步骤：

步骤一：选取超短基线五基元立体空间基阵中任一平面中构成直角关系的3个水声换能器基元组合形成定位基阵面，如1-2-3构成的定位基阵面，根据该基元组合中的每个基元测量目标的时延估计值，构建目标方位解算方程，获取目标方位值；

步骤二：重复步骤一，改变选取的基元，遍历所有成直角关系的三基元组合，统计不同基元组合的情况下求解的目标方位值，分别作为各自局部坐标系内的目标方位初值；

步骤三：根据预定的俯仰角高低精度区间，确定目标方位初值的加权值；

步骤四：将所有局部坐标系下获得的目标方位初值转换到全局坐标系下，并判断转换后的测量目标方位初值是否满足设定的计算精度，若满足，则对转换后的方位初值进行加权计算，取加权平均值，作为本次定位测量的目标最终方位值；否则，则返回步骤一，重新测量。

作为本发明再进一步的方案：步骤三中，确定不同俯仰角的定位精度区间，并根据精度区间设定定位结果修正权重，修正权值计算方法为：根据归一化理论模型获得的0-180°半空间范围内，超短基线定位理论值与真实值之间的相对误差曲线，设定误差最低阈值λ，根据最低阈值λ分割获得的半空间俯仰角定位区间范围，误差大于λ为低精度俯仰角定位区间，误差小于λ为高精度俯仰角定位区间，不同定位精度区间取不同的定位结果修正权重值Q，Q值范围为[0,1]，高精度区间Q值取为1，低精度区间Q值取为0。

作为本发明再进一步的方案：步骤四中，构建定位基阵面的坐标转换关系，将步骤一到步骤二获得的目标方位值转换为全局坐标系下的目标方位值，并根据步骤三获得的修正权重对各基阵面的目标方位值进行加权计算，最终取所有基阵面的加权平均值作为水下定位目标最终的目标方位值；具体方法如下：构建目标方位转换关系矩阵，将局部坐标系下解算获得的局部坐标系方位坐标转换为以01-02-05三个坐标轴为方向的全局坐标系的方位坐标，

其中，是定位信号目标通过局部坐标系向全局坐标系的转换结果，定义为，分别是定位结果在x、y、z轴上的坐标值；为旋转矩阵，描述坐标系的姿态；是平移矢量，描述坐标系的原点在坐标系下的矢量表示；坐标的旋转变换可用向量表示为：

，该矩阵为正交，即，分别是绕xyz轴旋转矩阵；

最终，五基元立体空间基阵的最终定位结果为：

其中，i为各定位基阵的顺序号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的超短基线五基元立体空间基阵，采用有限基元在空间分布形成立体交错的定位基阵面，通过不同法向的基阵面的定位精度区间不同对全空间来向声源的定位结果进行互补，将超短基线定位由平面结构形式扩展为空间多基阵面立体结构形式。本发明可实现以水下定位基阵为中心全空间来向目标的均衡误差定位，且利用不同定位基阵面的组合几何关系，可对目标定位进行复验解算，可有效解决声源相对定位面的俯仰角接近基阵平面时定位解算误差增大及相位模糊问题，同时多基阵面联合定位保障了冗余数据判决的有效性，且提高了目标方位计算的有效性和可靠性。

附图说明

图1为超短基线五基元立体空间基阵的布阵示意图。

图2为超短基线五基元立体空间基阵的原理示意图。

图3为超短基线五基元立体空间基阵进行水声定位的方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1～2，本发明实施例中，一种超短基线五基元立体空间基阵，包括5个收发合置的水声换能器基元和带球冠的圆柱型基阵外壳；水声换能器基元中4个基元位于球冠与圆柱交接的一个水平平面内，4个基元成方形布局，位于4个顶点位置；第5个基元位于球冠的顶部的中心位置；在交接面的4个基元中对角的2个基元分别可与位于球冠顶部的基元构成竖直方向的定位平面，形成2个竖直方向的定位基准参考系平面。

超短基线五基元立体空间基阵的布阵示意：基阵的5个基元的三三组合，构成不同方向上的定位平面阵，其中位于水平面的4个基元可构成4个三点直角坐标系的定位平面，其组合构成的定位基阵包括1-2-3定位基阵，2-3-4定位基阵，3-4-1定位基阵，4-1-2定位基阵；水平面对角两个点与球冠顶部的5点分别可构成两个正交的竖直方向的定位基阵，包括1-5-3定位基阵、2-5-4定位基阵，这两个基阵面在竖直方向以5点为直角顶点；水平面的4个基元也可构成1-3、2-4两个基元基线形成的4基元正交平面定位基阵。

实施例2

本实例是对实施例1所述的利用超短基线五基元立体空间基阵的进一步限定，所述超短基线五基元立体空间基阵形成的圆柱面直径为15cm，该尺寸可根据所采用的声学信号中心频率的不同而适当调整，频率越低，该直径可增大，频率越高，该直径可减小。

实施例3

本实施例是对实施例一所述的利用超短基线五基元立体空间基阵的进一步限定，所述的5个水声换能器基元均为采用高精度数控加工技术在实体金属上切割成型装配基座，实现换能器基元装配；所述5个换能器基元通过绝缘透声橡胶进行灌封，并固定在加工好的基阵外壳的安装基座上。

本实施例保证了5个基元的高精度装配。

对5个水声换能器基元，其中在一个水平面的4个依照顺时针方向依次编号为1-4号，剩余1个为5号。规定基阵全局坐标系的x坐标轴方向为0点向1号基元延伸的直线方向，一坐标轴方向为0点向2号基元延伸的直线方向，z坐标轴方向为0点向5号基元延伸的直线方向。基阵的xyz坐标轴构成正交坐标系。5个基元中的3个可构成局部正交坐标系，形成局部定位基阵，本设计共存在4个水平面内的3基元局部正交定位坐标系和2个竖直方向3基元局部正交定坐标系。上述6个定位坐标系形成冗余定位判决。与5个基元对应的有5个水声信号处理通道，各通道独立进行信号波形的处理、检测和计算参数时延估计，所述时延估计为对声源信号目标进行测量获得的声信号到达各基元的传播时间相对延迟。

实施例4

请参阅图3，利用实施例一所述的超短基线五基元立体空间基阵进行水声定位的方法，它包括如下步骤：

步骤一：选取所述超短基线五基元立体空间基阵中任一平面中构成直角关系的3个换能器基元组合形成定位基阵面，如1-2-3构成的定位基阵面，根据该基元组合中的每个基元测量目标的时延估计值，构建目标方位解算方程，获取目标方位值；

步骤二：重复步骤一，在五基元立体空间基阵的底面中，改变选取的基元，遍历底面所有基元组合，统计不同基元组合的情况下求解的目标方位值；重复步骤一，分别采用五基元立体空间基阵的两个竖直面内的基元组合，如1-5-3构和2-5-4成的定位基阵面，统计求解的目标方位值；

步骤三：根据预定的俯仰角高低精度区间，确定目标方位初值的加权值；

步骤四：将所有局部坐标系下获得的目标方位初值转换到全局坐标系下，并判断转换后的测量目标方位初值是否满足设定的计算精度，若满足，则对转换后的方位初值进行加权计算，取加权平均值，作为本次定位测量的目标最终方位值；否则，则返回步骤一，重新测量；

本实施例通过空间五基元立体基阵，使得最少的接收基元得到冗余的定位测量参考系，采用有限基元在空间分布形成立体交错的定位基阵面，通过不同法向的基阵面的定位精度区间不同对全空间来向声源的定位结果进行互补，将超短基线定位由平面结构形式扩展为空间多基阵面立体结构形式。本方法可实现以水下定位基阵为中心全空间来向目标的均衡误差定位，且利用不同定位基阵面的组合几何关系，可对目标定位进行复验解算，可有效解决声源相对定位面的俯仰角接近基阵平面时定位解算误差增大及相位模糊问题， 同时多基阵面联合定位保障了冗余数据判决的有效性，且提高了目标方位计算的有效性和可靠性。解决了传统单一三角阵型或者四元、八元十字交叉阵的在近基阵平面时定位误差增大及相位模糊等问题。

实施例5

本实施例是对实施例四所述的利用超短基线五基元立体空间基阵进行水声定位的方法的进一步限定，所述步骤三中，确定不同俯仰角的定位精度区间，并根据精度区间设定定位结果修正权重：

根据定位基阵的尺寸参数，选定在标准距离为L，模型声源按俯仰角θ从0°到180°移动，计算该过程中目标声源的理论定位值，进而计算理论值与预设真实值之间的定位误差，并给出定位误差从俯仰角0°到180°之间的变化曲线。在该曲线中，设定误差最低阈值λ，根据该值将俯仰角区间进行分割区分，误差大于λ则为低精度俯仰角定位区间，误差小于λ为高精度俯仰角定位区间，不同定位精度区间取不同的定位结果修正权重值Q，Q值范围为[0,1]，高精度区间Q值取为1，低精度区间Q值取为0。

实施例6

本实施例是对实施例五所述的利用超短基线五基元立体空间基阵进行水声定位的方法的进一步限定。步骤四中，构建定位基阵面的坐标转换关系，将步骤一到步骤二获得的目标方位值转换为全局坐标系下的目标方位值，并根据步骤三获得的修正权重对各基阵面的目标方位值进行加权计算，最终取所有基阵面的加权平均值作为水下定位目标最终的目标方位值。具体方法如下：

设定01-02-05为全局坐标系的xyz三个方向的坐标轴，空间基阵的1、2、3、4四个基元分别位于xy坐标轴上，5基元位于z轴上；选取的三基元平面阵所在的坐标系为局部坐标系。全局坐标系定位结果向量为，是定位信号目标通过局部坐标系定位结果向全局坐标系的转换得到：

其中， 定义为，分别是定位坐标在全局坐标系的x、y、z轴上的坐标值。为旋转矩阵，描述坐标系的姿态；是平移矢量，描述坐标系的原点在坐标系下的矢量表示。坐标的旋转变换可用向量表示为：

，该矩阵为正交，即，分别是绕xyz轴的旋转矩阵。

最终，五基元立体空间基阵的最终定位结果为：

其中，i为选定的各定位基阵的顺序号。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种超短基线五基元立体空间基阵，包括5个收发合置的水声换能器基元和带球冠的圆柱型基阵外壳，其特征在于，5个水声换能器基元分别位于空间五面体的各顶点，其中4个水声换能器基元位于一个水平平面内的四个顶点，成方形布局；共面的4个水声换能器基元中对角的2个水声换能器基元分别与第5个水声换能器基元构成竖直方向的定位平面，形成2个竖直方向的定位基准面。

2.根据权利要求1所述的超短基线五基元立体空间基阵，其特征在于，所述5个水声换能器基元位于五面体空间的各顶点上；位于水平平面内的4个水声换能器基元，每3个水声换能器基元均构成平面内直角坐标系的定位平面，其组合构成的定位基阵包括1-2-3定位基阵，2-3-4定位基阵，3-4-1定位基阵，4-1-2定位基阵；底面对角两个点与空间第五点分别构成两个正交的竖直方向的定位基阵，包括1-5-3定位基阵和2-5-4定位基阵，这两个基阵面在空间成直角关系；底面相邻两个点与空间第五点分别构成空间倾斜方向的定位基阵，包括1-5-2定位基阵和2-5-3定位基阵；底面4个水声换能器基元构成1-3、2-4两个测量基线形成的4基元正交平面定位基阵。

3.根据权利要求1所述的超短基线五基元立体空间基阵，其特征在于，所述超短基线五基元立体空间基阵形成的圆柱面直径为15cm。

4.根据权利要求1所述的超短基线五基元立体空间基阵，其特征在于，所述的5个水声换能器基元均采用高精度数控加工技术在实体金属上切割成型装配基座，实现换能器基元装配；所述5个换能器基元通过绝缘透声橡胶进行灌封，并固定在加工好的基阵外壳的安装基座上。

5.根据权利要求1或2所述的超短基线五基元立体空间基阵，其特征在于，所述超短基线五基元立体空间基阵阵型还包括变形形式：在0点增加一个水声换能器基元，该水声换能器基元与1-5点中的两个水声换能器基元重新构成子基阵，包括1-0-2基阵、2-0-5基阵；在1-5点的轴线方向各增加一个水声换能器基元，形成差分形式的定位基阵。

6.一种如权利要求1-4任一所述的超短基线五基元立体空间基阵进行水声定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选取超短基线五基元立体空间基阵中任一平面中构成直角关系的3个水声换能器基元组合形成定位基阵面，如1-2-3构成的定位基阵面，根据该基元组合中的每个基元测量目标的时延估计值，构建目标方位解算方程，获取目标方位值；

步骤二：重复步骤一，改变选取的基元，遍历所有成直角关系的三基元组合，统计不同基元组合的情况下求解的目标方位值，分别作为各自局部坐标系内的目标方位初值；

步骤三：根据预定的俯仰角高低精度区间，确定目标方位初值的加权值；

步骤四：将所有局部坐标系下获得的目标方位初值转换到全局坐标系下，并判断转换后的测量目标方位初值是否满足设定的计算精度，若满足，则对转换后的方位初值进行加权计算，取加权平均值，作为本次定位测量的目标最终方位值；否则，则返回步骤一，重新测量。

7.根据权利要求6所述的超短基线五基元立体空间基阵进行水声定位的方法，其特征在于，步骤三中，确定不同俯仰角的定位精度区间，并根据精度区间设定定位结果修正权重，修正权值计算方法为：根据归一化理论模型获得的0-180°半空间范围内，超短基线定位理论值与真实值之间的相对误差曲线，设定误差最低阈值λ，根据最低阈值λ分割获得的半空间俯仰角定位区间范围，误差大于λ为低精度俯仰角定位区间，误差小于λ为高精度俯仰角定位区间，不同定位精度区间取不同的定位结果修正权重值Q，Q值范围为[0,1]，高精度区间Q值取为1，低精度区间Q值取为0。

8.根据权利要求6所述的超短基线五基元立体空间基阵进行水声定位的方法，其特征在于，步骤四中，构建定位基阵面的坐标转换关系，将步骤一到步骤二获得的目标方位值转换为全局坐标系下的目标方位值，并根据步骤三获得的修正权重对各基阵面的目标方位值进行加权计算，最终取所有基阵面的加权平均值作为水下定位目标最终的目标方位值；具体方法如下：构建目标方位转换关系矩阵，将局部坐标系下解算获得的局部坐标系方位坐标转换为以01-02-05三个坐标轴为方向的全局坐标系的方位坐标，

其中，是定位信号目标通过局部坐标系向全局坐标系的转换结果，定义为，分别是定位结果在x、y、z轴上的坐标值；为旋转矩阵，描述坐标系的姿态；是平移矢量，描述坐标系的原点在坐标系下的矢量表示；坐标的旋转变换可用向量表示为：

，该矩阵为正交，即，分别是绕xyz轴旋转矩阵；

最终，五基元立体空间基阵的最终定位结果为：

其中，i为各定位基阵的顺序号。