CN102759735B - 一种多普勒全向导航方法及声纳系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多普勒全向导航方法及声纳系统，将设于参考载体上的声纳换能器沿某一固定轨迹随时间改变工作位置，所述的位置改变使得所述声纳换能器发射或接收的声波信号产生频率调制，然后将所述的频率调制与所述的位置状态信号比较相位，并以此判断被导航目标相对参考载体的方位。本发明利用多普勒效应，大大提高了被导航目标定位的精度。

Description

一种多普勒全向导航方法及声纳系统

技术领域

本发明涉及水下被导航目标的定位，具体地是指一种多普勒全向导航方法及声纳系统。

背景技术

随着军用和民用水下机器人越来越广泛应用，水下声学导航变得越来越重要。一种经常采用的是长基线定位声纳，它通过测量若干固定声源到接收器的声波传播时间，转换成距离，并通过三角形解算来推算接收器的位置。另一种广泛应用的导航定位声纳为超短基线水声定位声纳，它通过水听器阵来测量单个应答信号的方位来进行定位。

上述长基线定位声纳需要预先安放三个或三个以上的固定声源，成本高，使用不便；超短基线定位声纳往往不能实现被导航目标的自身定位与导航。

Benjamin Dzikowicz的美国专利“Underwater Acoustic Beacon andMethod of Operating Same for Navigation”介绍了一种基于螺旋阵的声纳信标，该声纳信标通过螺旋阵向外辐射与接收器方位相关的信号，接收器接收这种信号即可获得自身相对信标的方位，但这种声纳信标需要一个或多个螺旋发射换能器阵，且螺旋阵的径向距离为1个波长，这对换能器的加工精度有较高的要求，且导航定位误差较大。

发明内容

本发明目的就在于给被导航目标（如水下机器人或潜水员）提供导航信息，而提供一种多普勒全向导航声纳方法和声纳系统，准确地实现被导航目标相对参考载体的定位。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种多普勒全向导航方法，将设于参考载体上的声纳换能器沿某一固定轨迹随时间改变工作位置，所述的位置改变使得所述声纳换能器发射或接收的声波信号产生频率调制，然后将所述的频率调制与所述的位置状态信号比较相位，并以此判断被导航目标相对参考载体的方位。

此外，本发明提供一种多普勒全向导航声纳系统，包括：

位于参考载体上的第一发射端，所述第一发射端设有第一声纳换能器和第二声纳换能器，所述第一声纳换能器位于一个圆的圆周上，在该圆周上做圆周运动，并发出声波信号；所述第二声纳换能器，位于所述圆的圆心处，其发射一个被圆周运动状态信号调制的载波信号；以及，

位于被导航目标上的第一接收端，所述第一接收端设有第一信号接收处理单元，用于接收所述第一声纳换能器和第二声纳换能器发出的信号，分别检测两个信号中的调制信号，比较两个调制信号的相位差，根据相位差判断被导航目标相对参考载体的方位。

进一步地，所述第一发射端还包括：

一圆盘，与所述参考载体连接，所述第一声纳换能器位于该圆盘的圆周上，所述第二声纳换能器位于该圆盘的圆心处；以及

一驱动装置，与所述圆盘连接，用于驱动所述圆盘以圆心为轴转动。

进一步地，所述圆周运动为位于圆周上的若干个声纳换能器通过依次切换工作而模拟形成，其中，处于工作状态的一个声纳换能器为所述第一声纳换能器。

本发明还提供一种多普勒全向导航声纳系统，包括：

位于被导航目标上的第二发射端，所述第二发射端设有第三声纳换能器，其发射声波信号；

位于参考载体上的第二接收端，所述第二接收端设有做圆周运动的第四声纳换能器；以及

位于所述参考载体上的第二信号接收处理单元，其接收所述第四声纳换能器输出的信号，并检测信号中的调制信号，比较所述的调制信号与圆周运动状态信号的相位差，根据相位差判断被导航目标相对参考载体的方位。

进一步地，所述第二发射端还包括：

一圆盘，与所述参考载体连接，所述第四声纳换能器位于该圆盘的圆周上；

一驱动装置，与所述圆盘连接，用于驱动所述圆盘以圆心为轴转动。

进一步地，所述圆周运动为位于圆周上的若干个声纳换能器通过依次切换工作而模拟形成，其中，处于工作状态的一个声纳换能器为所述第四声纳换能器。

本发明的优点在于：

（1）与超短基线系统相比，本发明可为被导航目标提供相对于参考载体的方位，这能解决水下机器人或潜水员的水下自身定向问题；

（2）与长基线系统相比，只需一个发射端即可实现导航，简化了布放和回收的困难；

（3）与螺旋阵声纳信标相比，本发明利用多普勒效应，大大提高导航精度。

附图说明

图1为多普勒全向导航声纳的系统结构示意图；

图2为多普勒全向导航声纳的导航方法原理示意图；

图3为实施例1中发射端各设备的连接框图；

图4为图3中第一声纳换能器基阵的结构示意图；

图5为实施例1中接收端各设备的连接框图；

图6为实施例2中发射端各设备的连接框图；

图7为图6中采用球形换能器阵元的基阵示意图；

图8为图6中采用圆柱形换能器阵元的基阵示意图；

图9为图6中圆柱形换能器阵元的基阵纵剖面示意图；

图10为图6中采用平面型换能器阵元的基阵示意图；

图11采用平面形换能器阵元的基阵纵剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明多普勒全向导航方法作进一步的说明。

如图1所示，多普勒全向导航声纳的系统包括发射端和接收端，发射端包括第一声纳换能器基阵200和第一电子舱300，发射端刚性安装在参考载体100上；接收端包括信号接收处理单元500和第二电子舱700，接收端设于被导航目标600上，其中信号接收处理单元500包括第二声纳换能器基阵501。第一电子舱300控制第一声纳换能器基阵200发射声波信号，接收端的第二声纳换能器基阵500接收到第一声纳换能器基阵200发出的信号，经过第二电子舱700处理，得到被导航目标600相对参考载体100的方位。

如图2所示，发射端的第一声纳换能器基阵200包括第一声纳换能器202和第二声纳换能器203，其中第一声纳换能器202位于参考点201处，第二声纳换能器203在以参考点201为圆心、半径为r的圆周上作顺时钟匀速圆周运动，角速度为ω。设正北方向为参考方向，设t时刻，第二声纳换能器203相对参考方向的方位角为γ，即以参考点201为起点，过发射源203的射线与参考方向的夹角为γ。接收端的第二声纳换能器基阵501相对于参考方向的方位角为φ。被导航目标600距离旋转圆周圆心即参考点201距离为R，设第二声纳换能器203一直发射频率为f_v的单频信号，则从发射源传播到第二声纳换能器基阵501产生的相位延迟为：

其中，C为声速。由于γ＝ωt，则第二声纳换能器基阵501接收的信号可表示为：

$s_v\left(t\right)=\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_v(t+\frac{r\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ωt})-R}{C})\right]---\left(2\right)$

此时，该信号的瞬时频率为：

$f\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[2\mathrm{\π}{f}_v(t+\frac{r\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ωt})-R}{C})\right]$ $\left(3\right)$

$=f_v[1+\frac{\mathrm{r\ω}}{C}\sin (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ωt})]$

当一个发射单频信号的声源作圆周运动时，会因为多普勒效应形成一个调频信号，且其调制信号的初相与接收点的方位有关。这个调频信号称之为“可变相位信号”。在接收端，对这个信号进行相位检波，即可获得一个调制频率为旋转频率、初相为方位角的正弦调制信号。

此时，在圆心处的第一声纳换能器202全向辐射另外一个调频信号，这个调频信号称之为“参考相位信号”，其信号可表示为：

$s_{\mathrm{Rs}}\left(t\right)=\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_R(t+\frac{r\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)}{C})\right]---\left(4\right)$

其中f_R为参考相位信号的载频。由（4）可以看出，参考相位信号的调制信号即第二声纳换能器203的运动状态信号，其相位始终等于第二声纳换能器203与参考方向的夹角γ。

因此，第二声纳换能器基阵501接收的总的信号可以表示为：

s(t)＝s_S(t)+ms_R(t)(5)

其中，

$s_R\left(t\right)=\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_R(t+\frac{r\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-R}{C})\right]---\left(6\right)$

m为一常数，表示两者的幅度比值。在接收端，将可变相位信号和参考相位信号分别通过中心频率为f_v和f_R的带通滤波器，然后分别进行相位检波，测量两个调制信号的相位差即为被导航目标所处的方位角。

下面结合附图和具体实施例对本发明多普勒全向导航声纳系统作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，多普勒全向导航声纳系统的发射端包括第一声纳换能器基阵200和第一电子舱300，发射端刚性安装在参考载体100上。接收端包括信号接收处理单元500和第二电子舱700，接收端设于被导航目标600上，其中信号接收处理单元500包括第二声纳换能器基阵501。

如图3所示，发射端还包括设于透声外壳211中的圆盘210和驱动装置，其中，圆盘210设于参考载体100上，第二声纳换能器203位于圆盘210的圆周上，第一声纳换能器202位于圆盘210的圆心处；驱动装置与圆盘210连接，驱动所述圆盘以圆心为轴转动。本实施例中所用驱动装置为步进电机205，在具体环境中还可以使用其他装置对圆盘210进行驱动，使得第二声纳换能器203绕第一声纳换能器202做圆周运动即可。

如图4所示，第一电子舱300包括信号源301、发射机302、发射机303、以及电机驱动器304，第一声纳换能器基阵200包括第一声纳换能器202、第二声纳换能器203、电滑环204、电机205以及旋转编码器206组成。信号源301产生两个不同频率、不同波形的发射信号分别输出至发射机302和发射机303，其中输出至发射机302的信号为调幅、调频或调相信号，功率放大后经过电滑环204输出至第一声纳换能器202，而输出至发射机303的信号为单频连续波信号，功率放大后经过电滑环204输出至第二声纳换能器203。同时，信号源301产生电机控制信号输出至电机驱动器304，电机驱动器304功率放大控制信号，控制步进205匀速旋转。旋转编码器206连接在步进电机205的转动轴上，提供位置反馈信息给信号源301。

如图5所示，接收端的第二电子舱700包括放大器701、滤波器702、滤波器703、解调电路704、解调电路705、比相器706以及输出装置707。放大器701为自动增益控制放大器。第二声纳换能器基阵501接收到发射端发射的声波信号，输出至放大器701通过自动增益控制使放大后的信号幅度达到一定的范围。放大后的信号分别输出至滤波器702和滤波器703，其中滤波器702的通带范围对应于图4中第一声纳换能器202发射信号的频率范围，滤波器703的通带范围对应于图4中第二声纳换能器203发射信号的频率范围，经过滤波从频率上分开这两个信号，然后分别输出至解调电路704和解调电路705。经过解调后，分别提取两个信号的调制信号，均输出至比相器706，获得两者的相位差，从而得到接收端第二声纳换能器基阵501相对于发射源202的方位角为φ，并将方位角为φ输出至输出装置707。输出装置707为显示器、LED数码显示或方位指示表等显示设备。

实施例2

第一声纳换能器基阵200的阵元可以采用球形换能器、圆柱形换能器或平面换能器结构，分别如图7、图8和图10所示，使得第二声纳换能器203绕第一声纳换能器202做圆周运动即可。无论采用何种换能器结构，各阵元按照顺时钟或逆时钟轮流发射，各阵元间隔小于二分之一工作波长。图9和图11分别为圆柱形换能器和平面换能器的纵剖面图，为了提高平面换能器的辐射开角，将平面换能器的辐射面为圆弧形。

发射端的各设备的连接示意图如图6所示。第一电子舱300由信号源305、发射机306、发射机307以及通道切换开关308组成，基阵200由位于圆周中心的第一声纳换能器202和位于圆周上的M个第二声纳换能器203组成，按照2031、2032、2033……依次编号。信号源305产生两个不同频率、不同波形的发射信号分别输出至发射机306和发射机307，其中输出至发射机306的信号为调幅、调频或调相信号，功率放大后输出至第一声纳换能器202，而输出至发射机307的信号为单频连续波信号，功率放大后输出至通道切换开关308。同时，信号源301产生通道切换控制信号输出至通道切换开关308，控制通道切换开关308按照时序依次使经过功率放大后的信号接通至对应的换能器。

接收端700设备与实施例1相同，此处不再赘述。

Claims (4)

1.一种多普勒全向导航方法，其特征在于：

将设于参考载体上的第一声纳换能器沿圆周随时间作匀速圆周运动，所述匀速圆周运动产生的位置改变使得所述声纳换能器发射的单频声波信号产生频率调制，然后将频率调制信号与设于所述参考载体上且位于所述圆周圆心处的第二声纳换能器全向辐射的另一个调频信号比较相位；

将第一接收端设于被导航目标上，使用所述第一接收端上设有的第一信号接收处理单元接收所述第一声纳换能器和第二声纳换能器发出的信号，分别检测两个信号中的调制信号，比较两个调制信号的相位差，并以此判断被导航目标相对参考载体的方位。

2.一种多普勒全向导航声纳系统，其特征在于，包括：

位于参考载体上的第一发射端，所述第一发射端设有第一声纳换能器和第二声纳换能器，所述第一声纳换能器位于一个圆的圆周上，在该圆周上做匀速圆周运动，并发出单频声波信号；所述第二声纳换能器，位于所述圆的圆心处，其全向辐射另外一个调频信号；以及，

位于被导航目标上的第一接收端，所述第一接收端设有第一信号接收处理单元，用于接收所述第一声纳换能器和第二声纳换能器发出的信号，分别检测两个信号中的调制信号，比较两个调制信号的相位差，根据相位差判断被导航目标相对参考载体的方位。

3.根据权利要求2所述的多普勒全向导航声纳系统，其特征在于：所述第一发射端还包括：

一圆盘，与所述参考载体连接，所述第一声纳换能器位于该圆盘的圆周上，所述第二声纳换能器位于该圆盘的圆心处；以及

一驱动装置，与所述圆盘连接，用于驱动所述圆盘以圆心为轴转动。

4.根据权利要求2所述的多普勒全向导航声纳系统，其特征在于：所述圆周运动为位于圆周上的若干个声纳换能器通过依次切换工作而模拟形成，其中，处于工作状态的一个声纳换能器为所述第一声纳换能器。