CN105116372A - 一种浅海海底水平直线水听器阵朝向校准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水声定位领域，具体涉及一种浅海海底水平直线水听器阵朝向校准的方法。本发明包括：布放水平直线阵到海底时用GPS记录布放阵列的大地坐标系，深度计记录水平直线阵的深度信息；自容式深度计记录声源的深度信息；对水听器阵列接收信号进行时延估计，结合声源位置精确估计其大地坐标，进而计算出不同位置声源相对于直线阵的绝对水平方位序列；根据绝对水平方位序列和相对方位序列求解直线阵在大地坐标系下的朝向。本发明海底直线阵不需要安装罗经，仅利用水面声源在不同的位置发送声信号到达海底直线阵即可实现对浅海直线阵的朝向进行校准。本发明适用于浅海条件下海底水平直线阵的朝向校准。

Description

一种浅海海底水平直线水听器阵朝向校准的方法

技术领域

本发明属于水声定位领域，具体涉及一种利用水面声源在不同位置发送声信号到达浅海海底水平直线阵，实现对直线阵朝向校准的浅海海底水平直线水听器阵朝向校准的方法。

背景技术

锚泊在海底的水平直线阵，可以利用其从水中接收到的目标信号估计水中目标的方位。由于水平直线阵锚泊在海底，因此具有姿态稳定，背景噪声干扰小的优点，可以实现对目标的高精度方位估计。但是水平直线阵方位估计具有左右舷模糊问题，对于关于水平直线阵对称的两个不同方位目标只有一个方位估计结果。

此外，水平直线阵方位估计仅能得到目标相对于直线阵的方位，要想得到目标在大地坐标系下的绝对方位，需要利用水平直线阵的朝向进行修正，该值是获得水平直线阵绝对方位估计的必要条件。水平直线阵的方位的获得有多种方法，当安装有罗经时该朝向可以直接测量得到，当没有罗经时需要进行校准。

文献“水平阵测量水中目标辐射噪声的阵倾斜校准研究”(中国科技信息，2009.6：143-145)给出了直线阵相对于水平面的倾斜角度校准的方法。

文献“航行船舶噪声源辐射部位定位实验研究”(声学学报,2013,vol.38(2)：160-166)和文献“近场浅海舰船目标定位精度实验研究”(声学学报，2013，vol.38(3)：281-286)中海底直线阵的位置和朝向由小艇携带DGPS定位系统测量得到。两篇文献的共同点是利用非声学的办法获得水平直线阵的水平方位。

发明内容

本发明的目的在于对布放在浅海海底的水平线阵没有安装罗经时，提出一种利用水面声源在不同位置发送声信号到达直线阵，实现对直线阵朝向进行校准的浅海海底水平直线水听器阵朝向校准的方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)布放水平直线阵到海底时用GPS记录布放阵列的大地坐标系，深度计记录水平直线阵的深度信息；

(2)水面船吊放声源绕着布放点在半径为2-4倍海深的圆周上航行，GPS触发声源定时发送声信号，GPS记录发送声信号时刻声源的大地坐标；自容式深度计记录声源的深度信息；

(3)对水听器阵列接收信号进行时延估计，结合声源位置精确估计其大地坐标，进而计算出不同位置声源相对于直线阵的绝对水平方位序列；

(4)利用水听器阵列接收的声信号进行方位估计，得到声源在基阵坐标系下的相对方位序列；

(5)根据绝对水平方位序列和相对方位序列求解直线阵在大地坐标系下的朝向。

所述的大地坐标系定义为左手坐标系，正北为N轴，正东为E轴，目标方位是目标与N轴的夹角；所述的水平直线阵放置在大地坐标系内，从1号基元指向N号基元的射线与正北的夹角为α，称为直线阵的朝向；目标与正北的夹角为φ，为目标的绝对方位；目标与直线阵的夹角水平投影为θ，为目标的相对方位；

当α-π＜φ＜α时

φ＝α-(π-θ)；

当α＜φ＜α+π时

φ＝α+(π-θ)。

所述声源与水平直线阵不在同一深度时，线阵所测相对方位并非水平方位，真实的水平相对方位为θ

β＝π-θ

声源与水平直线阵的深度差为h，水平距离为r，则有

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\sqrt{1+\frac{h^2}{r^2}}cos\mathrm{\γ}\right).$

所述的水面船吊放声源绕着以布放点为圆心、半径为2-4倍海深的圆周上航行，航速为6节；GPS触发声源定时发送声信号脉冲，GPS记录发送声信号时刻t_i，i为发送声信号脉冲的序号，声源的大地坐标(x_i,y_i,h_i)；自容式深度计记录声源的深度信息，结合直线阵深度可得第i次测量得到的相对深度h_i。

本发明的有益效果在于：

海底直线阵不需要安装罗经，仅利用水面声源在不同的位置发送声信号到达海底直线阵即可实现对浅海直线阵的朝向进行校准。本发明适用于浅海条件下海底水平直线阵的朝向校准。

附图说明

图1是直线阵坐标与大地坐标关系示意图；

图2是浅海条件下单海底直线阵朝向校准的几何配置示意图；

图3是浅海近场水平方位修正示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述。

为了实现上述目的，本发明提供了一种直线阵朝向校准方法，具体包括：

(1)布放水平直线阵到海底时用GPS记录布放阵列的大地坐标，深度计记录水平直线阵的深度信息；

(2)水面船吊放声源绕着布放点在半径为2-4倍海深的圆周上航行，GPS触发声源定时发送声信号，GPS记录发送声信号时刻声源的大地坐标；自容式深度计记录声源的深度信息；

(3)对水听器阵列接收信号进行时延估计，结合声源位置精确估计其大地坐标，进而计算出不同位置声源相对于直线阵的绝对水平方位序列；

(4)利用水听器阵列接收的声信号进行方位估计，得到声源在基阵坐标系下的相对方位序列；

(5)根据绝对水平方位序列和相对方位序列求解直线阵在大地坐标系下的朝向。

为实现本发明的目的，需要GPS定时触发声源发送声信号，接收阵列的时间由GPS同步。需要声源发送水平线列阵工作频带内的信号，保证线阵能对信号进行较高精度的方位估计。

布放水平直线阵到海底时用GPS触发声源定时发送声信号，GPS记录发送声信号时刻声源的大地坐标；自容式深度计记录声源的深度信息。浅海条件下直线水听器阵朝向校准方法，其特征在于对水听器阵列接收信号进行时延估计，结合声源位置精确估计其大地坐标，进而计算出不同位置声源相对于直线阵的绝对水平方位序列。浅海条件下直线水听器阵朝向校准方法，其特征在于利用利用水听器阵列接收的声信号进行方位估计，得到声源在基阵坐标系下的相对方位序列。浅海条件下直线水听器阵朝向校准方法，其特征在于根据绝对水平方位序列和相对方位序列求解直线阵在大地坐标系下的朝向。

本发明中，图1给出了直线阵方位估计坐标关系示意图。大地坐标系定义为左手坐标系，正北为N轴，正东为E轴，目标方位是其与N轴的夹角。图中水平直线阵放置在大地坐标系内，从1号基元指向N号基元的射线与正北的夹角为α，称为直线阵的朝向，也是本发明所要校准的参数。目标与正北的夹角为φ，称为目标的绝对方位。目标与直线阵的夹角水平投影为θ，称为目标的相对方位。

从图1中可以看出，目标来自不同的方位时，绝对方位与相对方位有不同的关系，这是由于直线阵方位估计左右舷模糊所引起的。

当α-π＜φ＜α时

φ＝α-(π-θ)(1)

此时如果声源沿以接收基阵为中心的圆逆时针运动时，θ逐渐增加。

当α＜φ＜α+π时

φ＝α+(π-θ)(2)

此时如果声源沿以接收基阵为中心的圆逆时针运动时，θ逐渐减小。

根据式(1)和(2)可以知道，当声源绕着直线阵位置逆时针连续运动时，可以根据相对方位的变化率符号来判断选取相应的关系式：如果符号为正，选择式(1)；如果符号为负，选择式(2)。

图2给出了声源与水平直线阵不在同一深度时，线阵所测相对方位并非水平方位，真实的水平相对方位为θ。为与图1坐标定义一致，定义：

β＝π-θ(4)

声源与水平直线阵的深度差为h，水平距离为r，则有

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\sqrt{1+\frac{h^2}{r^2}}cos\mathrm{\γ}\right)---\left(5\right)$

这是目标水平方位的修正公式。

图3给出了水面声源校准海底直线阵朝向的示意图。下面结合附图举例对本发明作更为详细的说明：

第一步，布放一条水平直线阵到海底时用GPS记录布放阵列的大地坐标，作为水面船航线规划的参考中心。深度计记录水平直线阵的深度信息。

第二步，水面船吊放声源绕着以布放点为圆心、半径为2-4倍海深的圆周上航行，航速为6节。GPS触发声源定时发送声信号脉冲，GPS记录发送声信号时刻t_i(i为发送声信号脉冲的序号)，声源的大地坐标(x_i,y_i,h_i)；自容式深度计记录声源的深度信息，结合直线阵深度可得第i次测量得到的相对深度h_i；

第三步，对水听器阵列接收信号进行时延估计，估计方法可以采用文献“单海底应答器声学导航及应答器绝对位置校准”(高技术通讯，2007，17(10)：1056-1059)给出的方法。得到第i次测量的时延估计值τ_i。

如果等效平均声速为c，则有：

${(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2+h^2=c^2{\mathrm{\τ}}_i^2---\left(6\right)$

式中，i＝1,2,…,N，N为测量次数，(x₀,y₀,0)为水平直线阵的大地坐标。

进行N次测量后，由(6)式构建方程组并求解，可估计出水听器直线阵的大地坐标(x₀,y₀,0)。

然后根据下式计算出不同位置声源相对于直线阵的绝对水平方位序列φ_i：

${\mathrm{\φ}}_i={\tan }^{-1}\left(\frac{y_i-y_0}{x_i-x_0}\right)---\left(7\right)$

第四步，利用水听器阵列接收的声信号进行方位估计，得到声源在基阵坐标系下的相对方位序列再根据式(3)、(4)和(5)，求出声源水平相对方位序列θ_i。

第五步，对声源水平相对方位序列θ_i求微分，结果为正时将θ_i和φ_i代人式(1)，结果为负时将θ_i和φ_i代人式(2)，得到方程组，求解出直线阵在大地坐标系下的朝向α。

Claims (4)

1.一种浅海海底水平直线水听器阵朝向校准的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)布放水平直线阵到海底时用GPS记录布放阵列的大地坐标系，深度计记录水平直线阵的深度信息；

(2)水面船吊放声源绕着布放点在半径为2-4倍海深的圆周上航行，GPS触发声源定时发送声信号，GPS记录发送声信号时刻声源的大地坐标；自容式深度计记录声源的深度信息；

(3)对水听器阵列接收信号进行时延估计，结合声源位置精确估计其大地坐标，进而计算出不同位置声源相对于直线阵的绝对水平方位序列；

(4)利用水听器阵列接收的声信号进行方位估计，得到声源在基阵坐标系下的相对方位序列；(5)根据绝对水平方位序列和相对方位序列求解直线阵在大地坐标系下的朝向。

2.根据权利要求1所述的一种浅海海底水平直线水听器阵朝向校准的方法，其特征在于：

所述的大地坐标系定义为左手坐标系，正北为N轴，正东为E轴，目标方位是目标与N轴的夹角；所述的水平直线阵放置在大地坐标系内，从1号基元指向N号基元的射线与正北的夹角为α，称为直线阵的朝向；目标与正北的夹角为φ，为目标的绝对方位；目标与直线阵的夹角水平投影为θ，为目标的相对方位；

当α-π＜φ＜α时

φ＝α-(π-θ)；

当α＜φ＜α+π时

φ＝α+(π-θ)。

3.根据权利要求2所述的一种浅海海底水平直线水听器阵朝向校准的方法，其特征在于：

所述声源与水平直线阵不在同一深度时，线阵所测相对方位并非水平方位，真实的水平相对方位为θ

β＝π-θ

声源与水平直线阵的深度差为h，水平距离为r，则有

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\sqrt{1+\frac{h^2}{r^2}}cos\mathrm{\γ}\right).$

4.根据权利要求3所述的一种浅海海底水平直线水听器阵朝向校准的方法，其特征在于：所述的水面船吊放声源绕着以布放点为圆心、半径为2-4倍海深的圆周上航行，航速为6节；GPS触发声源定时发送声信号脉冲，GPS记录发送声信号时刻t_i，i为发送声信号脉冲的序号，声源的大地坐标(x_i,y_i,h_i)；自容式深度计记录声源的深度信息，结合直线阵深度可得第i次测量得到的相对深度h_i。