CN110440790A - 一种和差波束无人潜器进坞声引导方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种和差波束无人潜器进坞声引导方法，发射端安装于回收基站，设有方位信标和俯仰信标，用于产生并发射方位信号和俯仰信号；方位信标水平安装于回收基站，为无人潜器提供方位向角度误差信号，俯仰信标垂直安装于回收基站，为无人潜器提供俯仰向角度误差信号；无人潜器控制系统根据方位向和俯仰向角度误差信息，控制无人潜器的航行姿态，使无人潜器安全进入回收基站。本发明方位信标和俯仰信标采用连续波工作，方位向和俯仰向数据率高，无人潜器可以实时更新方位向和俯仰向角度误差信息，确保稳定准确的进入坞舱或坞架。仅需在无人潜器上安装单个接收水听器，体积小，成本低，设备简单，安装与维护方便。

Description

一种和差波束无人潜器进坞声引导方法
技术领域
本发明属于无人潜器航行引导技术领域，具体涉及一种和差波束无人潜器进坞声引导方法。
背景技术
随着无人潜器及其相关技术的快速发展，无人潜器已经被广泛用于海洋探测、侦察、情报收集、扫雷等各种领域。为完成特定任务，无人潜器上搭载的设备或是独一无二，或是价格昂贵，其收集的数据也相当重要。因此，必须考虑无人潜器完成使命任务后的进坞回收问题。
传统的无人潜器进坞引导技术主要有电磁引导技术、光学引导技术以及声学+机械臂引导技术。电磁引导技术精度高，作用距离近，回收系统比较复杂。光学引导技术作用距离有限，易受水文环境影响，水下能见度低时无法使用。声学+机械臂引导技术需要在潜艇外部加装设备，容易导致潜艇航行阻力增加，其产生的流噪声容易影响潜艇的机动性和隐蔽性。
考虑到无人潜器回收基站的机动性和隐蔽性，自主进坞技术将是未来无人潜器进坞引导技术领域的主要趋势。对于无人潜器自主进坞技术而言，必须使得无人潜器的首尾中轴线与回收基站坞舱或坞架的中心线一致，才能保证无人潜器安全进坞。
发明内容：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明一种提供和差波束无人潜器进坞声引导方法，解决无人潜器完成使命任务后的安全进坞问题。
为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：
一种和差波束无人潜器进坞声引导方法：
发射端安装于回收基站，设有方位信标和俯仰信标，用于产生并发射方位信号和俯仰信号；
方位信标水平安装于回收基站，为无人潜器提供方位向角度误差信号，方位信标发射双频调制的调幅信号，得到方位向的和波束和差波束，信号形式分别为方位向和信号和方位向差信号；
俯仰信标垂直安装于回收基站，为无人潜器提供俯仰向角度误差信号；俯仰信标发射双频调制的调幅信号，得到俯仰向的和波束和差波束，信号形式分别为俯仰向和信号和俯仰向差信号；俯仰信标发射信号的幅度调制频率与方位信标发射信号的幅度调制频率之间的差值大于或小于0；
接收端安装于无人潜器，包括接收水听器、接收机和信号处理机，接收端用于接收发射端的发射信号，并分析、解算无人潜器首尾中轴线相对于回收基站坞舱或坞架中心线的方位向角度误差信息和俯仰向角度误差信息，并将该信息传递给无人潜器控制系统；
接收端同时接收方位信标和俯仰信标的发射信号，采用频分法将方位向信号和俯仰向信号分离；通过比较方位向双频调制调幅信号的幅度，得到无人潜器方位向角度误差信息；通过比较俯仰向双频调制调幅信号的幅度，得到无人潜器俯仰向角度误差信息；
无人潜器控制系统根据方位向和俯仰向角度误差信息，控制无人潜器的航行姿态，使无人潜器安全进入回收基站。
较佳地，方位信标设置于回收基站的坞舱的上沿或下沿，或设置于回收基站的坞架的上沿或下沿；俯仰信标安装于回收基站坞舱的左侧或右侧，或安装于回收基站坞架的左侧或右侧。
较佳地，方位信标为无人潜器提供方位向角度误差信号，方位信标发射双频调制信号的调幅信号，得到方位向的和波束和差波束，信号形式分别为方位向和信号和方位向差信号，具体方法包括：
方位信标各阵元同相馈电，形成方位向和波束，信号形式为方位向和信号，方位向和信号的表达式为uΣ,a(t)＝(1+masinΩ1,at+masinΩ2,at)cosωc,at，其中，下标a表示方位向，Ω1,a和Ω2,a为方位信标发射信号幅度的两种调制角频率，ma是调幅信号的调幅度，ωc,a分别为方位向发射信号的载频，Ω1,a＜＜ωc,a，Ω2,a＜＜ωc,a；
沿方位信标中心线，将方位信标分为左半阵和右半阵，左、右半阵的阵元反相馈电，形成方位向差波束，信号形式为方位向差信号；若以左半阵馈电相位为基准，右半阵馈电相位超前或滞后180度，则方位向差信号的表达式为若以右半阵馈电相位为基准，左半阵馈电相位超前或滞后180度，则方位向差信号的表达式为其中，ka和φa分别为方位向差信号相对于方位向和信号的幅度和相位。
较佳地，各阵元馈电时进行加权处理。
较佳地，俯仰信标发射双频调制的调幅信号，得到俯仰向的和波束和差波束，信号形式分别为俯仰向和信号和俯仰向差信号，具体方法包括：
俯仰信标各阵元同相馈电，形成俯仰向和波束，信号形式为俯仰向信号uΣ,p(t)＝(1+mpsinΩ1,pt+mpsinΩ2,pt)cosωc,pt
其中，下标p表示俯仰向，Ω1,p和Ω2,p为俯仰向两个调幅信号的调制角频率，mp是调幅信号的调幅度，ωc,p为俯仰向发射信号的载频，且有Ω1,p＜＜ωc,p，Ω2,p＜＜ωc,p；
沿俯仰信标中心线，将俯仰信标分为左半阵和右半阵，左、右半阵的阵元反相馈电，形成俯仰向差波束，信号形式为差信号；
若差信号以左半阵馈电相位为基准，右半阵馈电相位超前或滞后180度，则差信号形式用uΔ,L,p(t)表示
若差信号以右半阵馈电相位为基准，左半阵馈电相位超前或滞后180度，则差信号形式用uΔ,R,p(t)表示，
其中，kp为俯仰向差信号相对于俯仰向和信号的幅度，φp为俯仰向差信号相对于俯仰向和信号的相位。
较佳地，接收端同时接收方位信标和俯仰信标的发射信号，用频分法将接收信号中的方位向信号和俯仰向信号分离。
较佳地，通过比较方位向双频调制调幅信号的幅度，得到无人潜器方位向角度误差信息的方法包括：
方位向接收信号经过接收机后，通过包络检波器得到信号幅度，再通过带通滤波和整流滤波，分别得到调制度和
方位向角度误差信息
较佳地，无人潜器控制系统根据方位向角度误差信息，控制无人潜器的航行姿态的方法包括：
当方位向角度误差信息等于0时，无人潜器首尾中轴线与回收基站坞舱或坞架方位向中心线重合，则不需要调整无人潜器方位向航向；当方位向角度误差信息大于0时，无人潜器首尾中轴线位于回收基站坞舱或坞架方位向中心线右侧，则控制无人潜器向左航行；当方位向角度误差信息等于0时，无人潜器首尾中轴线位于回收基站坞舱或坞架方位向中心线左侧，则控制无人潜器向右航行。
较佳地，通过比较俯仰向双频调制调幅信号的幅度，得到无人潜器俯仰向角度误差信息的方法包括：
俯仰向接收信号经过接收机后，通过包络检波器得到信号幅度，再通过带通滤波和整流滤波，分别得到调制度Ω1,p和Ω2,p
俯仰向角度误差信息
较佳地，无人潜器控制系统根据俯仰向角度误差信息，控制无人潜器的航行姿态的方法包括：
当俯仰向角度误差信息等于0时，无人潜器首尾中轴线与回收基站坞舱或坞架俯仰向中心线重合，则不需要调整无人潜器俯仰向航向；当俯仰向角度误差信息大于0时，无人潜器首尾中轴线位于在回收基站坞舱或坞架俯仰向中心线上方，则控制无人潜器向下航行；当俯仰向角度误差信息小于0时，无人潜器首尾中轴线位于在回收基站坞舱或坞架俯仰向中心线下方，则控制无人潜器向上航行
本发明的有益效果在于：方位信标和俯仰信标采用连续波工作，方位向和俯仰向数据率高，无人潜器可以实时更新方位向和俯仰向角度误差信息，确保稳定准确的进入坞舱或坞架。仅需在无人潜器上安装单个接收水听器，体积小，成本低，设备简单，安装与维护方便。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例的发射系统原理框图；
图3为本发明实施例的差波束、和波束以及调制度示意图；
图4为本发明实施例的接收系统原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
一种提供和差波束无人潜器进坞声引导，包括：
为更好地说明本发明，下面结合附图对本发明进行进一步描述。
如图1所示，和差波束无人潜器进坞声引导技术包括发射端和接收端两部分。
发射端主要包括信号源、发射机、方位信标和俯仰信标等，用于产生并发射方位信号和俯仰信号。方位信标水平安装于坞舱或坞架的上沿或下沿，发射双频调制的调幅信号，形成方位向和波束和差波束，为无人潜器提供方位向角度误差信号。俯仰信标垂直安装于坞舱或坞架的左侧或右侧(与方位信标垂直)，同样发射双频调制的调幅信号，形成俯仰向和波束和差波束，为无人潜器提供俯仰向角度误差信号。
图2为方位信标工作原理框图。以方位信标的工作原理为例，进一步介绍和波束和差波束形成原理，以及和、差信号的具体表达式。
方位信标各阵元同相馈电，形成方位向和波束，信号形式为方位向和信号，用uΣ,a(t)表示，具体表达式为：
uΣ,a(t)＝(1+masinΩ1,at+masinΩ2,at)cosωc,at (1)
其中，下标a表示方位向，Ω1,a和Ω2,a为方位向两个调幅信号的调制角频率，ma是调幅信号的调幅度，ωc,a分别为方位向发射信号的载频，且有Ω1,a＜＜ωc,a，Ω2,a＜＜ωc,a。
沿方位信标中心线，将方位信标分为左半阵和右半阵，左、右半阵的阵元反相馈电(即相位差180度)，形成方位向差波束，信号形式为差信号。差信号的表达式有两种：一种是以左半阵馈电相位为基准，右半阵馈电相位超前或滞后180度，信号形式用uΔ,L,a(t)表示；另一种是以右半阵馈电相位为基准，左半阵馈电相位超前或滞后180度，信号形式用uΔ,R,a(t)表示。uΔ,L,a(t)和uΔ,R,a(t)的具体表达式分别为
式中：ka为方位向差信号相对于方位向和信号的幅度，φa为方位向差信号相对于方位向和信号的相位。
俯仰信标的工作原理与方位信标相同，只是采用的幅度调制频率不同，两者相互独立。
俯仰信标各阵元同相馈电，形成俯仰向和波束，信号形式为俯仰向信号，用uΣ,p(t)表示，具体表达式为：
uΣ,p(t)＝(1+mpsinΩ1,pt+mpsinΩ2,pt)cos ωc,pt
其中，下标p表示俯仰向，Ω1,p和Ω2,p为俯仰向两个调幅信号的调制角频率，mp是调幅信号的调幅度，ωc,p为俯仰向发射信号的载频，且有Ω1,p＜＜ωc,p，Ω2,p＜＜ωc,p。
沿俯仰信标中心线，将俯仰信标分为左半阵和右半阵，左、右半阵的阵元反相馈电(即相位差180度)，形成俯仰向差波束，信号形式为差信号。差信号的表达式有两种：一种是以左半阵馈电相位为基准，右半阵馈电相位超前或滞后180度，信号形式用uΔ,L,p(t)表示；另一种是以右半阵馈电相位为基准，左半阵馈电相位超前或滞后180度，信号形式用uΔ,R,p(t)表示。uΔ,L,p(t)和uΔ,R,p(t)的具体表达式分别为
式中：kp为俯仰向差信号相对于俯仰向和信号的幅度，φp为俯仰向差信号相对于俯仰向和信号的相位。
接收端安装于无人潜器，包括接收水听器、接收机、信号处理机等，用于接收发射端的发射信号，分析、解算无人潜器首尾中轴线相对于回收基站坞舱或坞架中心线的方位向角度误差信息和俯仰向角度误差信息，并将该信息传递给无人潜器控制系统。
由于方位信标发射信号和俯仰信标发射信号的载频不同，因此可以利用频分法将接收信号中的方位向信号和俯仰向信号分离。
通过比较方位向双频调制调幅信号的幅度，得到无人潜器首尾中轴线相对于回收基站坞舱或坞架中心线的方位向角度误差信息。
通过比较俯仰向双频调制调幅信号的幅度，得到无人潜器首尾中轴线相对于回收基站坞舱或坞架中心线的俯仰向角度误差信息。
无人潜器控制系统根据方位向和俯仰向角度误差信息，控制航行姿态，确保无人潜器安全进入回收基站。
以方位向角度误差信息获取为例，进一步解释无人潜器首尾中轴线相对于回收基站坞舱或坞架中心线在方位和俯仰两个方向的角度误差信息获取方法。
图3为方位向和、差波束以及调制度示意图。方位向和信号和差信号经过方位向和波束和差波束调制后，表达式分别为
eΣ,a(t)＝(1+masinΩ1,at+masinΩ2,at)cosωc,at×FΣ,a(θ) (4)
eΔ,a(t)＝ka(sinΩ1,at-sinΩ2,at)cos(ωc,at+φa)×FΔ,a(θ) (5)
式中：eΣ,a(t)表示方位向和信号，eΔ,a(t)表示方位向差信号，FΣ,a(θ)表示方位向和波束的指向性函数，FΔ,a(θ)表示方位向差波束的指向性函数。
为了改善方位向和、差波束的指向性，各阵元馈电时可以加权。
接收水听器的方位向接收信号为经过方位向和波束和差波束调制后的和、差信号之和。若φa＝0，则接收信号表达式为
从式(6)可以看出，接收水听器的方位向接收信号为调制频率分别为Ω1,a和Ω2,a的双频调制调幅信号。幅度调制频率的调制度分别为：
图4为接收端工作原理框图。方位向接收信号经过接收机后，通过包络检波器得到信号幅度，再通过带通滤波和整流滤波，分别得到调制度和
用DDMa表示方位向幅度调制频率的调制度之差，表达式为
减法运算可以用减法器实现。依据式(9)，可以得到DDMa取值，记为方位向角度误差信息。
俯仰向角度误差信息获取方法与方位向角度误差信息基本相同。俯仰向和信号和差信号经过俯仰向和波束和差波束调制后，表达式分别为
eΣ,p(t)＝(1+mpsinΩ1,pt+mpsinΩ2,pt)cos ωc,pt×FΣ,p(θ) (10)
eΔ,p(t)＝kp(sinΩ1,pt-sinΩ2,pt)cos(ωc,pt+φp)×FΔ,p(θ) (11)
式中：eΣ,p(t)表示俯仰向和信号，eΔ,p(t)表示俯仰向差信号，FΣ,p(θ)表示俯仰向和波束的指向性函数，FΔ,p(θ)表示俯仰向差波束的指向性函数。
为了改善俯仰向和、差波束的指向性，各阵元馈电时也可以加权。
接收水听器的俯仰向接收信号为经过俯仰向和波束和差波束调制后的和、差信号之和。若φp＝0，则俯仰向接收信号表达式为
从式(12)可以看出，接收水听器俯仰向接收信号为调制频率分别为Ω1,p和Ω2,p的双频调制调幅信号，幅度调制频率的调制度分别为
俯仰向接收信号经过接收机后，同样通过包络检波器得到信号幅度，再通过带通滤波、整流滤波，分别得到Ω1,p和Ω2,p。
用DDMp表示俯仰向幅度调制频率的调制度之差，表达式为
减法运算同样用减法器实现。依据式(15)，可以得到DDMp取值，即为俯仰向角度误差信息。
无人潜器控制系统根据DDMa和DDMp调整无人潜器的方位向和俯仰向航向，控制无人潜器准确进入回收基站的坞舱或坞架。
当DDMa＝0时，无人潜器首尾中轴线与回收基站坞舱或坞架方位向中心线重合，则不需要调整无人潜器方位向航向；当DDMa＞0时，无人潜器首尾中轴线位于回收基站坞舱或坞架方位向中心线右侧(从无人潜器看向坞舱AB)，则控制无人潜器向左航行；当DDMa＜0时，无人潜器首尾中轴线位于回收基站坞舱或坞架方位向中心线左侧，则控制无人潜器向右航行。当无人潜器角度误差不大时，DDM与角度误差呈线性关系。
同理，当DDMp＝0时，无人潜器首尾中轴线与回收基站坞舱或坞架俯仰向中心线重合，则不需要调整无人潜器俯仰向航向；当DDMp＞0时，无人潜器首尾中轴线位于在回收基站坞舱或坞架俯仰向中心线上方(从无人潜器看向坞舱AB)，则控制无人潜器向下航行；当DDMp＜0时，无人潜器首尾中轴线位于在回收基站坞舱或坞架俯仰向中心线下方，则控制无人潜器向上航行。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种和差波束无人潜器进坞声引导方法，其特征在于：
发射端安装于回收基站，设有方位信标和俯仰信标，用于产生并发射方位信号和俯仰信号；
方位信标水平安装于回收基站，为无人潜器提供方位向角度误差信号，方位信标发射双频调制的调幅信号，得到方位向的和波束和差波束，信号形式分别为方位向和信号和方位向差信号；
俯仰信标垂直安装于回收基站，为无人潜器提供俯仰向角度误差信号；俯仰信标发射双频调制的调幅信号，得到俯仰向的和波束和差波束，信号形式分别为俯仰向和信号和俯仰向差信号；俯仰信标发射信号的幅度调制频率与方位信标发射信号的幅度调制频率之间的差值大于或小于0；
接收端安装于无人潜器，包括接收水听器、接收机和信号处理机，接收端用于接收发射端的发射信号，并分析、解算无人潜器首尾中轴线相对于回收基站坞舱或坞架中心线的方位向角度误差信息和俯仰向角度误差信息，并将该信息传递给无人潜器控制系统；
接收端同时接收方位信标和俯仰信标的发射信号，采用频分法将方位向信号和俯仰向信号分离；通过比较方位向双频调制调幅信号的幅度，得到无人潜器方位向角度误差信息；通过比较俯仰向双频调制调幅信号的幅度，得到无人潜器俯仰向角度误差信息；
无人潜器控制系统根据方位向和俯仰向角度误差信息，控制无人潜器的航行姿态，使无人潜器安全进入回收基站。
2.根据权利要求1所述的一种和差波束无人潜器进坞声引导方法，其特征在于：所述方位信标设置于回收基站的坞舱的上沿或下沿，或设置于回收基站的坞架的上沿或下沿；所述俯仰信标安装于回收基站坞舱的左侧或右侧，或安装于回收基站坞架的左侧或右侧。
3.根据权利要求1所述的一种和差波束无人潜器进坞声引导方法，其特征在于，所述方位信标为无人潜器提供方位向角度误差信号，方位信标发射双频调制信号的调幅信号，得到方位向的和波束和差波束，信号形式分别为方位向和信号和方位向差信号，具体方法包括：
方位信标各阵元同相馈电，形成方位向和波束，信号形式为方位向和信号，所述方位向和信号的表达式为uΣ,a(t)＝(1+masinΩ1,at+masinΩ2,at)cosωc,at，其中，下标a表示方位向，Ω1,a和Ω2,a为方位信标发射信号幅度的两种调制角频率，ma是调幅信号的调幅度，ωc,a分别为方位向发射信号的载频，Ω1,a＜＜ωc,a，Ω2,a＜＜ωc,a；
沿方位信标中心线，将方位信标分为左半阵和右半阵，左、右半阵的阵元反相馈电，形成方位向差波束，信号形式为方位向差信号；若以左半阵馈电相位为基准，右半阵馈电相位超前或滞后180度，则所述方位向差信号的表达式为若以右半阵馈电相位为基准，左半阵馈电相位超前或滞后180度，则所述方位向差信号的表达式为其中，ka和φa分别为方位向差信号相对于方位向和信号的幅度和相位。
4.根据权利要求3所述的一种和差波束无人潜器进坞声引导方法，其特征在于：各阵元馈电时进行加权处理。
5.根据权利要求1所述的一种和差波束无人潜器进坞声引导方法，其特征在于，所述俯仰信标发射双频调制的调幅信号，得到俯仰向的和波束和差波束，信号形式分别为俯仰向和信号和俯仰向差信号，具体方法包括：
俯仰信标各阵元同相馈电，形成俯仰向和波束，信号形式为俯仰向信号uΣ,p(t)＝(1+mpsinΩ1,pt+mpsinΩ2,pt)cosωc,pt
其中，下标p表示俯仰向，Ω1,p和Ω2,p为俯仰向两个调幅信号的调制角频率，mp是调幅信号的调幅度，ωc,p为俯仰向发射信号的载频，且有Ω1,p＜＜ωc,p，Ω2,p＜＜ωc,p；
沿俯仰信标中心线，将俯仰信标分为左半阵和右半阵，左、右半阵的阵元反相馈电，形成俯仰向差波束，信号形式为差信号；
若所述差信号以左半阵馈电相位为基准，右半阵馈电相位超前或滞后180度，则所述差信号形式用uΔ,L,p(t)表示
若所述差信号以右半阵馈电相位为基准，左半阵馈电相位超前或滞后180度，则所述差信号形式用uΔ,R,p(t)表示，
其中，kp为俯仰向差信号相对于俯仰向和信号的幅度，φp为俯仰向差信号相对于俯仰向和信号的相位。
6.根据权利要求3所述的一种和差波束无人潜器进坞声引导方法，其特征在于，接收端同时接收方位信标和俯仰信标的发射信号，用频分法将接收信号中的方位向信号和俯仰向信号分离。
7.根据权利要求3所述的一种和差波束无人潜器进坞声引导方法，其特征在于，通过比较方位向双频调制调幅信号的幅度，得到无人潜器方位向角度误差信息的方法包括：
方位向接收信号经过接收机后，通过包络检波器得到信号幅度，再通过带通滤波和整流滤波，分别得到调制度和
方位向角度误差信息
8.根据权利要求1所述的一种和差波束无人潜器进坞声引导方法，其特征在于，所述无人潜器控制系统根据方位向角度误差信息，控制无人潜器的航行姿态的方法包括：
当方位向角度误差信息等于0时，无人潜器首尾中轴线与回收基站坞舱或坞架方位向中心线重合，则不需要调整无人潜器方位向航向；当方位向角度误差信息大于0时，无人潜器首尾中轴线位于回收基站坞舱或坞架方位向中心线右侧，则控制无人潜器向左航行；当方位向角度误差信息等于0时，无人潜器首尾中轴线位于回收基站坞舱或坞架方位向中心线左侧，则控制无人潜器向右航行。
9.根据权利要求3所述的一种和差波束无人潜器进坞声引导方法，其特征在于，通过比较俯仰向双频调制调幅信号的幅度，得到无人潜器俯仰向角度误差信息的方法包括：
俯仰向接收信号经过接收机后，通过包络检波器得到信号幅度，再通过带通滤波和整流滤波，分别得到调制度Ω1,p和Ω2,p
俯仰向角度误差信息
10.根据权利要求1所述的一种和差波束无人潜器进坞声引导方法，其特征在于，所述无人潜器控制系统根据俯仰向角度误差信息，控制无人潜器的航行姿态的方法包括：
当俯仰向角度误差信息等于0时，无人潜器首尾中轴线与回收基站坞舱或坞架俯仰向中心线重合，则不需要调整无人潜器俯仰向航向；当俯仰向角度误差信息大于0时，无人潜器首尾中轴线位于在回收基站坞舱或坞架俯仰向中心线上方，则控制无人潜器向下航行；当俯仰向角度误差信息小于0时，无人潜器首尾中轴线位于在回收基站坞舱或坞架俯仰向中心线下方，则控制无人潜器向上航行。
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