CN109490835B - 一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法 - Google Patents

一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109490835B
CN109490835B CN201811597892.2A CN201811597892A CN109490835B CN 109490835 B CN109490835 B CN 109490835B CN 201811597892 A CN201811597892 A CN 201811597892A CN 109490835 B CN109490835 B CN 109490835B
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrophone
array
phase difference
signals
hydrophones
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811597892.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109490835A (zh
Inventor
张璐
陈晓敏
彭东立
宋宝雄
沈彦军
夏天
花传文
丁威
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu Hi Target Ocean Information Technology Co ltd
Original Assignee
Jiangsu Hi Target Ocean Information Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu Hi Target Ocean Information Technology Co ltd filed Critical Jiangsu Hi Target Ocean Information Technology Co ltd
Priority to CN201811597892.2A priority Critical patent/CN109490835B/zh
Publication of CN109490835A publication Critical patent/CN109490835A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109490835B publication Critical patent/CN109490835B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • G01S5/26—Position of receiver fixed by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements

Abstract

本发明公开了一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法，该方法包括如下步骤：1)建立初始坐标系和基阵坐标系，并将基阵坐标系与初始坐标系的相吻合；2)根据步骤1)建立的坐标系获取13#阵列与24#阵列的夹角；3)根据步骤1)建立的坐标系进行通道一致性校准以及阵列声中心的位置校准。本发明针对成阵后基元自身的相对位置进行了精确校准，包括对角基元连线的夹角、阵列声中心的位置、阵列孔径和通道一致性校准，为超短基线提供精确的位置校准数据，可提高超短基线工作时的定位精度。

Description

一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法
技术领域
本发明涉及水下定位领域，尤其涉及一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法。
背景技术
超短基线水声定位系统是利用声信标发射信号到达接收基阵阵元之间的时延差和测量信标到基阵中心的斜距来实现目标定位的。影响超短基线水声定位系统定位精度的主要因素有系统自身误差、海洋环境参数测量误差以及基阵安装引起的误差。超短基线阵利用基元间的相位差进行定位，微小的安装误差可能带来很大的定位误差，因此，系统安装后的校准需要非常准确，并且在成阵后自身基元的阵型也需要精确校准。
发明内容
本发明的目的旨在解决上述问题，从而提供了一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法，该方法包括以下步骤：
1)建立初始坐标系和基阵坐标系，并将基阵坐标系与初始坐标系的相吻合，所述初始坐标系为以水池实验中转台旋转杆所处位置为原点，X轴与水池的长边平行，Y轴与水池的宽边平行；所述基阵坐标系为基阵中心为原点，分别以十字交叉的两个直线阵为X、Y轴，其中1#、3#水听器阵列为X轴，2#、4#水听器阵列为Y轴；
2)在步骤1)的1#到3#水听器延长线上或2#到4#水听器延长线上的设定距离处设置发射换能器，通过发射换能器发射正弦信号，由各水听器接收信号，所述发射换能器与基阵辐射面入水深度相同；旋转基阵并根据基阵旋转前后1#、3#水听器阵列或2#、4#水听器阵列中两水听器接收的信号获取2#、4#水听器相位差为0度时的连线与1#、3#水听器相位差为0度时连线间的夹角
Figure BDA0001921770860000011
3)在步骤1)的1#到3#水听器延长线上或2#到4#水听器延长线上的设定距离处设置发射换能器，由各水听器接收信号，所述发射换能器与基阵辐射面入水深度相同；旋转基阵并根据基阵旋转前后1#、3#水听器阵列或2#、4#水听器阵列中两水听器接收的信号来获取1#、3#水听器阵列中心与转台旋转杆之间的距离d和1#、3#水听器阵列孔径l，并根据l获取1#、3#水听器接收信号的固有相位差
Figure BDA0001921770860000021
以及获取2#、4#水听器阵列中心与转台旋转杆之间的距离d1和2#、4#水听器阵列孔径l1，并根据l1获取2#、4#水听器接收信号的固有相位差
Figure BDA0001921770860000022
进一步地，所述步骤2)旋转基阵并根据基阵旋转前后1#、3#水听器阵列或2#、4#水听器阵列中两水听器接收的信号获取2#、4#水听器相位差为0度时的连线与1#、3#水听器相位差为0度时连线间的夹角具体包括：
若发射能器设置在1#、3#水听器阵列的延长线上，则包括如下步骤：
2.1)通过声速剖面仪测出此水深声速c；
2.2)分别记录2#、4#水听器接收信号并分析两信号的相位差，通过旋转基阵确保2#、4#接收水听器的信号同时到达即相位差为0°，记录此时转台旋转的角度值
Figure BDA0001921770860000023
2.3)继续顺时针旋转基阵并分析1#、3#水听器的接收信号的相位差，确保1#、3#水听器信号同时到达并记录此时回转装置角度值
Figure BDA0001921770860000024
2.4)根据步骤2.2)的角度值
Figure BDA0001921770860000025
和步骤2.3)角度值
Figure BDA0001921770860000026
获取
Figure BDA0001921770860000027
若发射能器设置在2#、4#水听器阵列的延长线上，则包括如下步骤：
2.1’)通过声速剖面仪测出此水深声速c；
2.2’)分别记录1#、3#水听器接收信号并分析两信号的相位差，通过旋转基阵确保1#、3#接收水听器的信号同时到达即相位差为0°，记录此时转台旋转的角度值
Figure BDA0001921770860000028
2.3’)继续顺时针旋转基阵并分析2#、4#水听器的接收信号的相位差，确保2#、4#水听器信号同时到达并记录此时回转装置角度值
Figure BDA0001921770860000029
2.4’)根据步骤2.2’)的角度值
Figure BDA00019217708600000210
和步骤2.3’)角度值
Figure BDA00019217708600000211
获取
Figure BDA00019217708600000212
更进一步地，所述步骤2.4)和步骤2.4’)中计算2#、4#水听器连线和1#、3#水听器连线的夹角
Figure BDA0001921770860000032
采用如下公式获得：
Figure BDA0001921770860000031
更进一步地，所述步骤2.2)、步骤2.3)、步骤2.2’)和步骤2.4’)通过Matlab鉴相器算法分析2#、4#水听器接收信号的相位差和1#、3#水听器接收信号的相位差。
进一步地，所述步骤3)获取1#、3#水听器阵列中心与转台旋转杆之间的距离d和1#、3#水听器阵列孔径l，并根据l获取1#、3#水听器接收信号的固有相位差
Figure BDA0001921770860000033
以及获取2#、4#水听器阵列中心与转台旋转杆之间的距离d1和2#、4#水听器阵列孔径l1，并根据l1获取2#、4#水听器接收信号的固有相位差
Figure BDA0001921770860000034
具体包括：
若发射能器设置在1#、3#水听器阵列的延长线上，则包括如下步骤：
3.1)保持发射换能器和基阵不动，同时记录1#、3#水听器接收信号截取1#、3#水听器接收信号或2#、4#水听器信号整数个周期的稳态波形做DFT分析，得出1#、3#水听器接收信号相位
Figure BDA0001921770860000035
3.2)将1#、3#水听器阵列以转台旋转杆旋转180°，保持发射换能器和基阵不动，同时记录1#、3#水听器接收信号，截取1#、3#水听器接收信号的整数个周期的稳态波形做DFT分析，得出1#、3#水听器接收信号的相位
Figure BDA0001921770860000036
3.3)根据步骤3.1)和3.2)获取的相位值分别计算对应1#水听器的相位差
Figure BDA0001921770860000037
3#水听器的相位差
Figure BDA0001921770860000038
以及1#、3#水听器间的相位差旋转后
Figure BDA0001921770860000039
和旋转前
Figure BDA00019217708600000310
根据获取的相位值
Figure BDA00019217708600000311
和
Figure BDA00019217708600000312
计算1#、3#水听器阵列中心与转台旋转杆之间的距离d和1#、3#水听器阵列孔径l，并根据l获取1#、3#水听器接收信号的固有相位差
Figure BDA00019217708600000313
Figure BDA00019217708600000314
若发射能器设置在2#、4#水听器阵列的延长线上，则包括如下步骤：
3.1’)保持发射换能器和基阵不动，同时记录2#、4#水听器接收信号，截取2#、4#水听器信号整数个周期的稳态波形做DFT分析，得出2#、4#水听器接收信号相位
Figure BDA00019217708600000315
Figure BDA0001921770860000041
3.2’)将2#、4#水听器阵列以转台旋转杆旋转180°，保持发射换能器和基阵不动，同时记录2#、4#水听器接收信号，截取2#、4#水听器接收信号的整数个周期的稳态波形做DFT分析，得出2#、4#水听器接收信号的相位
Figure BDA00019217708600000410
3.3’)根据步骤3.1’)和3.2’)获取的相位值分别计算对应2#水听器的相位差
Figure BDA00019217708600000411
4#水听器的相位差
Figure BDA00019217708600000412
以及2#、4#水听器间的相位差旋转后
Figure BDA00019217708600000413
和旋转前
Figure BDA00019217708600000414
根据获取的相位值
Figure BDA00019217708600000415
和
Figure BDA00019217708600000416
计算2#、4#水听器阵列中心与转台旋转杆之间的距离d1和2#、4#水听器阵列孔径l1，并根据l1获取2#、4#水听器接收信号的固有相位差
Figure BDA00019217708600000417
更进一步地，所述步骤3.3)中1#、3#水听器的各参数值通过如下表达式获取：
Figure BDA0001921770860000042
Figure BDA0001921770860000043
Figure BDA0001921770860000044
Figure BDA0001921770860000045
其中，
Figure BDA00019217708600000418
为1#水听器旋转前接收信号相位，
Figure BDA00019217708600000419
为1#水听器旋转后接收信号相位，
Figure BDA00019217708600000420
为3#水听器旋转前接收信号相位，
Figure BDA00019217708600000421
为3#水听器旋转后接收信号相位；
根据1#、3#水听器阵列旋转前后，1#、3#水听器自身接收信号的相位差关系以及1#、3#两个水听器间接收信号的相位差关系，有：
Figure BDA0001921770860000046
Figure BDA0001921770860000047
Figure BDA0001921770860000048
Figure BDA0001921770860000049
其中，w＝2πf为信号角频率，l为1#、3#阵列的孔径，d为阵列设计等效声中心与实际等效声中心的位置偏差，c为在此水深处声速；
由式(1-6)和(1-7)联立方程组，得：
Figure BDA0001921770860000051
Figure BDA0001921770860000052
将式(1-10)代入式(1-8)以及式(1-9)中，得：
Figure BDA0001921770860000053
所述步骤3.3)中2#、4#水听器的各参数值通过如下表达式获取：
Figure BDA0001921770860000054
Figure BDA0001921770860000055
Figure BDA0001921770860000056
Figure BDA0001921770860000057
其中，
Figure BDA00019217708600000512
为2#水听器旋转前接收信号相位，
Figure BDA00019217708600000513
为2#水听器旋转后接收信号相位，
Figure BDA00019217708600000515
为4#水听器旋转前接收信号相位，
Figure BDA00019217708600000514
为4#水听器旋转后接收信号相位。
根据2#、4#水听器阵列旋转前后，2#、4#水听器自身接收信号的相位差关系以及2#、4#两个水听器间接收信号的相位差关系，有：
Figure BDA0001921770860000058
Figure BDA0001921770860000059
Figure BDA00019217708600000510
Figure BDA00019217708600000511
其中，w＝2πf为信号角频率，l1为2#、4#阵列的孔径，d1为阵列设计等效声中心与实际等效声中心的位置偏差，c为在此水深处声速。
由式(1-17)、式(1-18)联立方程组，得：
Figure BDA0001921770860000061
Figure BDA0001921770860000062
将式(1-21)代入式(1-19)和(1-20)中，得：
Figure BDA0001921770860000063
进一步地，所述步骤2)和步骤3)中发射换能器发射f＝20KHz的正弦信号。
进一步地，所述水池的长度范围为10-15米、宽度范围为5-8米，深度范围为8-10米。
进一步地，所述步骤2)和步骤3)中发射换能器与其共线上较近的水听器间距离为5米。
进一步地，所述步骤2)和步骤3)中发射换能器与基阵辐射面入水深度为3米。
本发明提供的超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法针对成阵后基元自身的相对位置进行了精确校准，包括对角基元连线的夹角、阵列声中心的位置、阵列孔径和通道一致性校准，为超短基线提供精确的位置校准数据，可提高超短基线工作时的定位精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供了一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法流程图；
图2为本发明实施例提供的坐标系建立示意图；
图3为本发明实施例提供的角度测量布阵示意图；
图4为本发明实施例提供的13#水听器阵列的修正示意图；
图5为本发明实施例提供的24#水听器阵列的修正示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。需要说明的是，附图仅为示例性说明，并未按照严格比例绘制，而且其中可能有为描述便利而进行的局部放大、缩小，对于公知部分结构亦可能有一定缺省。
本发明实施例提供的超短基线的基阵阵型为两对相互正交配置的水听器，如图2所示，均默认阵元声中心位置确切已知，但是在成阵过程中阵元声中心位置不可避免的存在偏差，本发明通过在消声水池对基元自身的位置安装误差校准，为超短基线外场工作时提供位置修正。
如图1所示，本发明实施例提供了一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法流程图。
在步骤101中，建立初始坐标系和基阵坐标系，并将基阵坐标系与初始坐标系的相吻合，具体如下：
1、初始坐标系定义：水池实验中初始坐标系定义以转台旋转杆所处位置为原点，坐标轴与水池轴线平行，即初始坐标系的X轴与水池的长边平行，Y轴与水池的宽边平行，该坐标系如图2所示。
2、基阵坐标系定义：基阵坐标系定义为基阵中心为原点，分别以十字交叉的两个直线阵为X、Y轴，13阵列为X轴，24阵列为Y轴，1#水听器在X轴的正向，该坐标系如图2所示。
3、经过精细的基阵安装，使基阵坐标系与初始坐标系的坐标相吻合，即声基阵的X轴正向与初始坐标系X轴的正向一致。
在步骤102中，根据步骤101建立的坐标系获取13#阵列与24#阵列的夹角，具体如下：
1、将基阵辐射面向下放到水池中，本发明实施例中水池的长度范围为10-15米、宽度范围为5-8米，深度范围为8-10米，以下以水池长为10米、宽为5米、深为8米进行说明。通过水池转台使其辐射面入水3m。在3#到1#水听器的延长线上，距离1#水听器5m处放置一个发射换能器，其入水深度也为3m，其俯视图如图3所示。
2、用高精度声速剖面仪测出此水深声速c。
3、左测发射换能器发射20KHz的正弦信号。
4、分别记录2#、4#水听器接收信号，利用Matlab鉴相器算法分析两信号的相位差，通过旋转基阵确保2#、4#接收水听器的信号同时到达即相位差为0°，记录此时装置的角度值
Figure BDA0001921770860000082
5、顺时针旋转基阵，利用Matlab鉴相器算法分析1#、3#水听器的接收信号的相位差，确保1#、3#水听器信号同时到达并记录此时回转装置角度值
Figure BDA0001921770860000083
6、可得2#、4#水听器连线和1#、3#水听器连线的夹角为：
Figure BDA0001921770860000081
需要说明的是，由于图3所示的发射换能器设置在1#水听器5m处，与1#、3#水听器共线，所以为了方便操作和测量，先进行了2#、4#水听器的相位差校准，同样，若将发射换能器设置在2#、4#水听器延长线上时，则先进行1#、3#水听器的相位差校准，方法与上述相同，在此不一一赘述。
在步骤103中，根据步骤101建立的坐标系进行通道一致性校准以及阵列声中心的位置校准，具体如下：
首先进行13阵列校准：
(1)初对齐，在1#到3#水听器延长线上5米处设置发射换能器，通过发射换能器发射f＝20KHZ的正弦信号，由各水听器接收信号，所述发射换能器与基阵辐射面入水深度相同。
(2)在初对齐的基础上，对13#阵列的等效声中心与转台之间的误差以及1#和3#水听器间通道一致性修正。假设转台旋转轴与阵列中心的距离误差为d，1#和3#水听器通道一致性相位差为
Figure BDA0001921770860000084
和
Figure BDA0001921770860000085
(满足
Figure BDA0001921770860000086
)，修正示意图如图4所示，具体操作如下：
1、左侧发射换能器发射f＝20KHz的正弦信号。
2、保持发射声源和基阵不动，同时记录1#、3#水听器信号。截取1#、3#水听器信号整数个周期的稳态波形做DFT分析，得出两个信号的相位
Figure BDA0001921770860000087
然后将13#阵列顺时针旋转180°(当然也可逆时针旋转180°)，保持发射声源和基阵不动，同时记录1#、3#水听器信号，截取1#、3#水听器信号的整数个周期的稳态波形做DFT分析，得出两个信号的相位
Figure BDA00019217708600000911
分别计算对应1#水听器的相位差
Figure BDA00019217708600000912
3#水听器的相位差
Figure BDA00019217708600000913
以及1#、3#水听器间的相位差旋转后
Figure BDA00019217708600000914
和旋转前
Figure BDA00019217708600000915
表达式如下：
Figure BDA0001921770860000091
Figure BDA0001921770860000092
Figure BDA0001921770860000093
Figure BDA0001921770860000094
其中，
Figure BDA00019217708600000916
为1#水听器旋转前接收信号相位，
Figure BDA00019217708600000917
为1#水听器旋转后接收信号相位，
Figure BDA00019217708600000918
为3#水听器旋转前接收信号相位，
Figure BDA00019217708600000919
为3#水听器旋转后接收信号相位。
根据1#、3#水听器阵列旋转前后，1#、3#水听器自身接收信号的相位差关系以及1#、3#两个水听器间接收信号的相位差关系，有：
Figure BDA0001921770860000095
Figure BDA0001921770860000096
Figure BDA0001921770860000097
Figure BDA0001921770860000098
其中，w＝2πf为信号角频率，l为1#、3#阵列的孔径，d为阵列设计等效声中心与实际等效声中心的位置偏差，c为在此水深处声速。
由式(1-6)和(1-7)联立方程组，得：
Figure BDA0001921770860000099
Figure BDA00019217708600000910
将式(1-10)代入式(1-8)以及式(1-9)中，得1#、3#水听器接收信号的固有相位差
Figure BDA00019217708600000920
Figure BDA0001921770860000101
上述为13#阵列校准的原理和方法，其同样适用于24#阵列的校准。
24阵列校准如下：
(1)初对齐，在2#到4#水听器延长线上5米处设置发射换能器，通过发射换能器发射正弦信号，由各水听器接收信号，所述发射换能器与基阵辐射面入水深度相同。
(2)在初对齐的基础上，对24#阵列的等效声中心与转台之间的误差以及2#和4#水听器间通道一致性修正。假设转台旋转轴与阵列中心的距离误差为d1，2#和4#水听器通道一致性相位差为
Figure BDA0001921770860000106
和
Figure BDA0001921770860000107
(满足
Figure BDA0001921770860000108
)，修正示意图如图5所示，具体操作如下：
1、左测发射换能器发射f＝20KHz的正弦信号。
2、保持发射声源和基阵不动，同时记录2#、4#水听器信号。截取2#、4#水听器信号整数个周期的稳态波形做DFT分析，得出两个信号的相位
Figure BDA0001921770860000109
然后将24#阵列顺时针旋转180°(当然也可逆时针旋转180°)，保持发射声源和基阵不动，同时记录2#、4#水听器信号，截取2#、4#水听器信号的整数个周期的稳态波形做DFT分析，得出两个信号的相位
Figure BDA00019217708600001010
分别计算对应2#水听器的相位差
Figure BDA00019217708600001011
4#水听器的相位差
Figure BDA00019217708600001012
以及2#、4#水听器间的相位差旋转后
Figure BDA00019217708600001013
和旋转前
Figure BDA00019217708600001014
表达式如下：
Figure BDA0001921770860000102
Figure BDA0001921770860000103
Figure BDA0001921770860000104
Figure BDA0001921770860000105
其中，
Figure BDA00019217708600001015
为2#水听器旋转前接收信号相位，
Figure BDA00019217708600001017
为2#水听器旋转后接收信号相位，
Figure BDA00019217708600001016
为4#水听器旋转前接收信号相位，
Figure BDA00019217708600001018
为4#水听器旋转后接收信号相位。
根据2#、4#水听器阵列旋转前后，2#、4#水听器自身接收信号的相位差关系以及2#、4#两个水听器间接收信号的相位差关系，有：
Figure BDA0001921770860000111
Figure BDA0001921770860000112
Figure BDA0001921770860000113
Figure BDA0001921770860000114
其中，w＝2πf为信号角频率，l1为2#、4#阵列的孔径，d1为阵列设计等效声中心与实际等效声中心的位置偏差，c为在此水深处声速。
由式(1-17)、式(1-18)联立方程组，得：
Figure BDA0001921770860000115
Figure BDA0001921770860000116
将式(1-21)代入式(1-19)和(1-20)中，得2#、4#水听器接收信号的固有相位差
Figure BDA0001921770860000118
Figure BDA0001921770860000117
通过以上的角度测量实验和通道一致性校准以及阵列声中心的位置校准实验，分别可以得到13阵列与24阵列的夹角
Figure BDA0001921770860000119
1#、3#水听器接收信号的固有相位差
Figure BDA00019217708600001111
和2#、4#水听器接收信号的固有相位差
Figure BDA00019217708600001110
鉴于超短基线水声定位系统的工作原理：理想状态下，13阵列与24阵列应该是正交的，但是由于安装偏差的存在，最终会导致存在一定的角度偏移。所以通过角度测量实验可以得到实际的阵列间的夹角，用于在实际工程测量中校正4个基元在声学坐标系下的相对位置，以提高超短基线水声定位系统的定位精度。超短基线定位系统主要是通过测距(时延差)、测向(方位)来实现对水下目标定位的，所以说两个通道间的一致性至关重要。但是由于水声换能器制作工艺的影响，即使相同型号的两只水听器也会带有初始的相位偏差，所以在实际工程测量前，需要对这个固有偏差进行校正。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)建立初始坐标系和基阵坐标系，并将基阵坐标系与初始坐标系的相吻合，所述初始坐标系为以水池实验中转台旋转杆所处位置为原点，X轴与水池的长边平行，Y轴与水池的宽边平行；所述基阵坐标系为基阵中心为原点，分别以十字交叉的两个直线阵为X、Y轴，其中1#、3#水听器阵列为X轴，2#、4#水听器阵列为Y轴；
2)在步骤1)的1#到3#水听器延长线上或2#到4#水听器延长线上的设定距离处设置发射换能器，通过发射换能器发射正弦信号，由各水听器接收信号，所述发射换能器与基阵辐射面入水深度相同；旋转基阵并根据基阵旋转前后1#、3#水听器阵列或2#、4#水听器阵列中两水听器接收的信号获取2#、4#水听器相位差为0度时的连线与1#、3#水听器相位差为0度时连线间的夹角
Figure FDA0003783876820000011
3)在步骤1)的1#到3#水听器延长线上或2#到4#水听器延长线上的设定距离处设置发射换能器，由各水听器接收信号，所述发射换能器与基阵辐射面入水深度相同；旋转基阵并根据基阵旋转前后1#、3#水听器阵列或2#、4#水听器阵列中两水听器接收的信号来获取1#、3#水听器阵列中心与转台旋转杆之间的距离d和1#、3#水听器阵列孔径l，并根据l获取1#、3#水听器接收信号的固有相位差
Figure FDA0003783876820000012
以及获取2#、4#水听器阵列中心与转台旋转杆之间的距离d1和2#、4#水听器阵列孔径l1，并根据l1获取2#、4#水听器接收信号的固有相位差
Figure FDA0003783876820000013
2.根据权利要求1所述的一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法，其特征在于，所述步骤2)旋转基阵并根据基阵旋转前后1#、3#水听器阵列或2#、4#水听器阵列中两水听器接收的信号获取2#、4#水听器相位差为0度时的连线与1#、3#水听器相位差为0度时连线间的夹角具体包括：
若发射能器设置在1#、3#水听器阵列的延长线上，则包括如下步骤：
2.1)通过声速剖面仪测出此水深声速c；
2.2)分别记录2#、4#水听器接收信号并分析两信号的相位差，通过旋转基阵确保2#、4#接收水听器的信号同时到达即相位差为0°，记录此时转台旋转的角度值
Figure FDA0003783876820000014
2.3)继续顺时针旋转基阵并分析1#、3#水听器的接收信号的相位差，确保1#、3#水听器信号同时到达并记录此时回转装置角度值
Figure FDA0003783876820000021
2.4)根据步骤2.2)的角度值
Figure FDA0003783876820000022
和步骤2.3)角度值
Figure FDA0003783876820000023
获取
Figure FDA0003783876820000024
若发射能器设置在2#、4#水听器阵列的延长线上，则包括如下步骤：
2.1’)通过声速剖面仪测出此水深声速c；
2.2’)分别记录1#、3#水听器接收信号并分析两信号的相位差，通过旋转基阵确保1#、3#接收水听器的信号同时到达即相位差为0°，记录此时转台旋转的角度值
Figure FDA0003783876820000025
2.3’)继续顺时针旋转基阵并分析2#、4#水听器的接收信号的相位差，确保2#、4#水听器信号同时到达并记录此时回转装置角度值
Figure FDA0003783876820000026
2.4’)根据步骤2.2’)的角度值
Figure FDA0003783876820000027
和步骤2.3’)角度值
Figure FDA0003783876820000028
获取
Figure FDA0003783876820000029
3.根据权利要求2所述的一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法，其特征在于，所述步骤2.4)和步骤2.4’)中计算2#、4#水听器连线和1#、3#水听器连线的夹角
Figure FDA00037838768200000210
采用如下公式获得：
Figure FDA00037838768200000211
4.根据权利要求2所述的一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法，其特征在于，所述步骤2.2)、步骤2.3)、步骤2.2’)和步骤2.4’)通过Matlab鉴相器算法分析2#、4#水听器接收信号的相位差和1#、3#水听器接收信号的相位差。
5.根据权利要求1所述的一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法，其特征在于，所述步骤3)获取1#、3#水听器阵列中心与转台旋转杆之间的距离d和1#、3#水听器阵列孔径l，并根据l获取1#、3#水听器接收信号的固有相位差
Figure FDA00037838768200000212
以及获取2#、4#水听器阵列中心与转台旋转杆之间的距离d1和2#、4#水听器阵列孔径l1，并根据l1获取2#、4#水听器接收信号的固有相位差
Figure FDA00037838768200000213
具体包括：
若发射能器设置在1#、3#水听器阵列的延长线上，则包括如下步骤：
3.1)保持发射换能器和基阵不动，同时记录1#、3#水听器接收信号截取1#、3#水听器接收信号或2#、4#水听器信号整数个周期的稳态波形做DFT分析，得出1#、3#水听器接收信号相位
Figure FDA0003783876820000031
3.2)将1#、3#水听器阵列以转台旋转杆旋转180°，保持发射换能器和基阵不动，同时记录1#、3#水听器接收信号，截取1#、3#水听器接收信号的整数个周期的稳态波形做DFT分析，得出1#、3#水听器接收信号的相位
Figure FDA0003783876820000032
3.3)根据步骤3.1)和3.2)获取的相位值分别计算对应1#水听器的相位差
Figure FDA0003783876820000033
3#水听器的相位差
Figure FDA0003783876820000034
以及1#、3#水听器间的相位差旋转后
Figure FDA0003783876820000035
和旋转前
Figure FDA0003783876820000036
根据获取的相位值
Figure FDA0003783876820000037
和
Figure FDA0003783876820000038
计算1#、3#水听器阵列中心与转台旋转杆之间的距离d和1#、3#水听器阵列孔径l，并根据l获取1#、3#水听器接收信号的固有相位差
Figure FDA0003783876820000039
Figure FDA00037838768200000310
若发射能器设置在2#、4#水听器阵列的延长线上，则包括如下步骤：
3.1’)保持发射换能器和基阵不动，同时记录2#、4#水听器接收信号，截取2#、4#水听器信号整数个周期的稳态波形做DFT分析，得出2#、4#水听器接收信号相位
Figure FDA00037838768200000311
Figure FDA00037838768200000312
3.2’)将2#、4#水听器阵列以转台旋转杆旋转180°，保持发射换能器和基阵不动，同时记录2#、4#水听器接收信号，截取2#、4#水听器接收信号的整数个周期的稳态波形做DFT分析，得出2#、4#水听器接收信号的相位
Figure FDA00037838768200000313
3.3’)根据步骤3.1’)和3.2’)获取的相位值分别计算对应2#水听器的相位差
Figure FDA00037838768200000314
4#水听器的相位差
Figure FDA00037838768200000315
以及2#、4#水听器间的相位差旋转后
Figure FDA00037838768200000316
和旋转前
Figure FDA00037838768200000317
根据获取的相位值
Figure FDA00037838768200000318
和
Figure FDA00037838768200000319
计算2#、4#水听器阵列中心与转台旋转杆之间的距离d1和2#、4#水听器阵列孔径l1，并根据l1获取2#、4#水听器接收信号的固有相位差
Figure FDA0003783876820000041
Figure FDA0003783876820000042
6.根据权利要求1所述的一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法，其特征在于，所述步骤3.3)中1#、3#水听器的各参数值通过如下表达式获取：
Figure FDA0003783876820000043
Figure FDA0003783876820000044
Figure FDA0003783876820000045
Figure FDA0003783876820000046
其中，
Figure FDA0003783876820000047
为1#水听器旋转前接收信号相位，
Figure FDA0003783876820000048
为1#水听器旋转后接收信号相位，
Figure FDA0003783876820000049
为3#水听器旋转前接收信号相位，
Figure FDA00037838768200000410
为3#水听器旋转后接收信号相位；
根据1#、3#水听器阵列旋转前后，1#、3#水听器自身接收信号的相位差关系以及1#、3#两个水听器间接收信号的相位差关系，有：
Figure FDA00037838768200000411
Figure FDA00037838768200000412
Figure FDA00037838768200000413
Figure FDA00037838768200000414
其中，w＝2πf为信号角频率，l为1#、3#阵列的孔径，d为阵列设计等效声中心与实际等效声中心的位置偏差，c为在此水深处声速；
由式(1-6)和(1-7)联立方程组，得：
Figure FDA00037838768200000415
Figure FDA00037838768200000416
将式(1-10)代入式(1-8)以及式(1-9)中，得：
Figure FDA0003783876820000051
所述步骤3.3’)中2#、4#水听器的各参数值通过如下表达式获取：
Figure FDA0003783876820000052
Figure FDA0003783876820000053
Figure FDA0003783876820000054
Figure FDA0003783876820000055
其中，
Figure FDA0003783876820000056
为2#水听器旋转前接收信号相位，
Figure FDA0003783876820000057
为2#水听器旋转后接收信号相位，
Figure FDA0003783876820000058
为4#水听器旋转前接收信号相位，
Figure FDA0003783876820000059
为4#水听器旋转后接收信号相位；
根据2#、4#水听器阵列旋转前后，2#、4#水听器自身接收信号的相位差关系以及2#、4#两个水听器间接收信号的相位差关系，有：
Figure FDA00037838768200000510
Figure FDA00037838768200000511
Figure FDA00037838768200000512
Figure FDA00037838768200000513
其中，w＝2πf为信号角频率，l1为2#、4#阵列的孔径，d1为阵列设计等效声中心与实际等效声中心的位置偏差，c为在此水深处声速；
由式(1-17)、式(1-18)联立方程组，得：
Figure FDA00037838768200000514
Figure FDA00037838768200000515
将式(1-21)代入式(1-19)和(1-20)中，得：
Figure FDA0003783876820000061
7.根据权利要求1所述的一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法，其特征在于，所述步骤2)和步骤3)中发射换能器发射f＝20KHz的正弦信号。
8.根据权利要求1所述的一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法，其特征在于，所述水池的长度范围为10-15米、宽度范围为5-8米，深度范围为8-10米。
9.根据权利要求1所述的一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法，其特征在于，所述步骤2)和步骤3)中发射换能器与其共线上较近的水听器间距离为5米。
10.根据权利要求1所述的一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法，其特征在于，所述步骤2)和步骤3)中发射换能器与基阵辐射面入水深度为3米。
CN201811597892.2A 2018-12-26 2018-12-26 一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法 Active CN109490835B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811597892.2A CN109490835B (zh) 2018-12-26 2018-12-26 一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811597892.2A CN109490835B (zh) 2018-12-26 2018-12-26 一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109490835A CN109490835A (zh) 2019-03-19
CN109490835B true CN109490835B (zh) 2022-09-23

Family

ID=65712068

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811597892.2A Active CN109490835B (zh) 2018-12-26 2018-12-26 一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109490835B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110294080B (zh) * 2019-05-13 2021-06-01 自然资源部第一海洋研究所 一种利用超短基线实现水下精确作业的方法
CN110275139B (zh) * 2019-05-31 2021-01-05 东南大学 一种基于旋转式基元复用的超短基线定位系统及方法
CN110261824B (zh) * 2019-07-15 2024-03-19 交通运输部天津水运工程科学研究所 一种基于多信标的超短基线标定系统及标定方法
CN112396661B (zh) * 2019-08-13 2021-08-13 苏州维嘉科技股份有限公司 钻锣机视觉系统的校准方法、装置、钻锣机及存储介质
CN110703258B (zh) * 2019-10-22 2022-09-09 哈尔滨工程大学 水下探测基阵通道间相位一致性校准方法
CN112327280B (zh) * 2020-10-27 2022-05-17 哈尔滨工程大学 一种水声均匀线阵阵元编号校正方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1818710A (zh) * 2006-03-15 2006-08-16 哈尔滨工程大学 8基元超短基线定位系统相位测量系统及其校准方法
CN101975949A (zh) * 2010-10-12 2011-02-16 苏州桑泰海洋仪器研发有限责任公司 一种多用户水下超短基线定位设备与方法
CN105652262A (zh) * 2014-11-17 2016-06-08 中海油信息科技有限公司 一种超短基线水声定位系统的静态校准方法
CN105891781A (zh) * 2016-04-01 2016-08-24 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 基于锥形阵的超短基线定位装置及阵元位置误差修正方法
CN106546956A (zh) * 2016-10-25 2017-03-29 中国海洋石油总公司 一种超短基线接收基阵基元位置的精确标定方法
CN107132520A (zh) * 2017-05-03 2017-09-05 江苏中海达海洋信息技术有限公司 一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法及系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1684084A1 (de) * 2005-01-22 2006-07-26 Leica Geosystems AG Verfahren zur Bestimmung der Orientierung einer Antennenanordnung

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1818710A (zh) * 2006-03-15 2006-08-16 哈尔滨工程大学 8基元超短基线定位系统相位测量系统及其校准方法
CN101975949A (zh) * 2010-10-12 2011-02-16 苏州桑泰海洋仪器研发有限责任公司 一种多用户水下超短基线定位设备与方法
CN105652262A (zh) * 2014-11-17 2016-06-08 中海油信息科技有限公司 一种超短基线水声定位系统的静态校准方法
CN105891781A (zh) * 2016-04-01 2016-08-24 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 基于锥形阵的超短基线定位装置及阵元位置误差修正方法
CN106546956A (zh) * 2016-10-25 2017-03-29 中国海洋石油总公司 一种超短基线接收基阵基元位置的精确标定方法
CN107132520A (zh) * 2017-05-03 2017-09-05 江苏中海达海洋信息技术有限公司 一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
超短基线阵基元位置精确校准试验研究;马根卯等;《声学与电子工程》;20160615(第02期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109490835A (zh) 2019-03-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109490835B (zh) 一种超短基线水声定位系统系统误差的水池校准方法
CN110618408B (zh) 一种精密测距系统天线相位中心的系统标定方法
CN108875099B (zh) 一种基于长短基线干涉仪测向体制的基线选取方法
CN106338655B (zh) 一种平面近场探头安装精度引起的测试误差修正方法
CN102927974A (zh) 多波束测深系统检测方法
CN102338616A (zh) 三维测量系统及方法
CN100520441C (zh) 8基元超短基线定位系统相位测量系统及其校准方法
CN110275139B (zh) 一种基于旋转式基元复用的超短基线定位系统及方法
CN111380573A (zh) 用于校准运动的对象传感器的取向的方法
CN108571317B (zh) 一种随钻测井井径测量系统
CN110824430A (zh) 基于北斗定位系统的水下定位方法
CN103529451B (zh) 一种水面母船校准海底应答器坐标位置的方法
CN109031256B (zh) 多波束测深仪测深与扫宽性能校准方法
CN207923793U (zh) 一种汽轮机叶根用相控阵超声探伤校准试块
Zheng et al. Study on the calibration method of USBL system based on ray tracing
CN110703204B (zh) 声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法
CN208421225U (zh) 一种基于图像声呐的水下定位系统
CN106646413B (zh) 一种雷达组网垂线交叉融合定位方法及误差解算方法
CN108398090A (zh) 并联机构式坐标测量仪
CN113514804B (zh) 一种基于fmcw安防雷达测角校正方法
CN101398482A (zh) 声接收基阵被动宽带检测中的噪声场数值计算方法
CN110275145B (zh) 探地雷达测量误差计算方法及装置
CN114563778A (zh) 基于时延冗余测量的阵形校准方法
CN201858963U (zh) 结合定位定姿系统的三维旋转扫描测量系统
JP2000329848A (ja) 探査方法及び装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant