CN110488300A - 一种水声定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水声定位系统及方法，通过在信号发射端包含深度传感器，将深度信息嵌入到水声信号中并发送出去，并分别通过面阵换能器和单阵元换能器接收包含深度信息的水声信号，利用单阵元换能器测试斜距信息，并利用面阵换能器的方向性特点确定待定位目标物的方位角，通过提取水声信号中包含的深度信息，再结合方位角和斜距信息确定待定位的目标物完整的位置信息，同时通过陀螺仪确定面阵换能器的位置偏移，根据位置偏移对待定位的目标物完整的位置信息进行变换，实现对目标物位置的精确定位，不仅提高了定位精度，而且降低了成本。

Description

一种水声定位系统及方法
技术领域
本发明涉及水声定位领域，尤其涉及一种水声定位系统及方法。
背景技术
在一些自动化的水下设备中，尤其是水下机器人作业过程中，需要对水下设备的位置进行精确定位，岸上或母船操作人员需要实时掌握水下设备的相对位置或绝对经纬度坐标。在水面之上可以使用GPS或北斗实现位置信号收集，而对于水下，水声定位是一种有效的方式。一般的水声定位系统，比如超短基定位系统是基于多元阵来对接收信号的时延差进行估计来计算目标在水下的距离和方位角，但实际上面对复杂的水域环境，水中的环境噪声、声散射和吸收作用、混响等因素会严重影响时延差的估算精度，导致最后求得的目标位置不准确，误差严重偏大，且随着距离的增大而增大。而且对所选用的水声换能器件的要求较高，导致定位设备的成本居高不下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种水声定位系统及方法，能够实现精确的定位，并且成本低。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：
一种水声定位系统，包括信号发射端和基阵部分；
所述信号发射端用于安装在待定位的目标物上；
所述信号发射端包括深度传感器和水声信号发射器；
所述深度传感器与所述水声信号发射器连接；
所述基阵部分包括信号处理器、换能器阵和陀螺仪；
所述换能器阵包括主阵元和辅助阵元；
所述主阵元包括面阵换能器，所述辅助阵元包括单阵元换能器；
所述面阵换能器、单阵元换能器和所述陀螺仪分别与所述信号处理器连接。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：
一种水声定位方法，包括步骤：
S1、分别通过面阵换能器和单阵元换能器接收从待定位的目标物上发射出来的水声信号，所述水声信号中包含待定位的目标物的深度信息；
S2、根据所述单阵元换能器接收的水声信号确定所述待定位的目标物与所述单阵元换能器之间的斜距；
S3、根据所述面阵换能器接收的水声信号确定所述待定位的目标物的方位角；
S4、提取所述水声信号中包含的深度信息，根据待定位的目标物的方位角、深度信息和所述斜距确定所述待定位的目标物完整的第一位置信息；
S5、通过陀螺仪确定所述面阵换能器当前位置与初始位置之间的位置偏移，根据所述位置偏移对所述第一位置信息进行变换，实现对待定位的目标物的定位。
本发明的有益效果在于：通过将深度信息嵌入到水声信号中并发送出去，并分别通过面阵换能器和单阵元换能器接收包含深度信息的水声信号，利用单阵元换能器测试斜距信息，并利用面阵换能器的方向性特点确定待定位目标物的方位角，通过提取水声信号中包含的深度信息，再结合方位角和斜距信息确定待定位的目标物完整的位置信息，同时通过陀螺仪确定面阵换能器的位置偏移，根据位置偏移对待定位的目标物完整的位置信息进行变换，实现对目标物位置的精确定位，不仅提高了定位精度，而且降低了成本。
附图说明
图1为本发明实施例一的一种水声定位系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一的主阵元、辅助阵元和陀螺仪之间的位置关系示意图；
图3为本发明实施例二的一种水声定位方法的步骤流程图；
图4为本发明实施例二的一种水声定位方法中发射端和基阵端的信号处理流程图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1，一种水声定位系统，包括信号发射端和基阵部分；
所述信号发射端用于安装在待定位的目标物上；
所述信号发射端包括深度传感器和水声信号发射器；
所述深度传感器与所述水声信号发射器连接；
所述基阵部分包括信号处理器、换能器阵和陀螺仪；
所述换能器阵包括主阵元和辅助阵元；
所述主阵元包括面阵换能器，所述辅助阵元包括单阵元换能器；
所述面阵换能器、单阵元换能器和所述陀螺仪分别与所述信号处理器连接。
本发明的水声定位系统的工作原理如下：
信号发射端安装在目标物上，系统上电时，进行一次初始同步校准；
在定位过程中，通过在信号发射端包括深度传感器，并令深度传感器与所述水声信号发射器连接，则深度传感器采集的待定位的目标物的深度信息会发送给所述水声信号发射器，水声信号发射器采集水声信号，将深度信息嵌入到水声信号中后发送出去，具体的信号嵌入方式属于现有技术，可以将两种信号进行叠加即可；
基阵部分的面阵换能器、单阵元换能器分别接收包含深度信息的水声信号，信号处理器根据所述单阵元换能器接收的水声信号确定单阵元换能器与待定位的目标物之间的斜距，并根据所述面阵换能器接收的水声信号确定所述待定位的目标物的方位角；
信号处理器根据水声信号中包含的深度信息、方位角和所述斜距确定待定位的目标物完整的位置信息；
信号处理器通过陀螺仪确定所述面阵换能器当前位置与初始位置之间的位置偏移，根据所述位置偏移对位置信息进行变换，从而实现对待定位的目标物的定位；
也就是说，以基阵单元为中心，在知道了目标物与基阵单元之间的斜距、目标物的方向角以及深度信息的基础上，就能确定出目标物相对于基阵单元的相对位置信息；
其中信号处理器对信号的相关处理步骤是基于各个设备传输过来的信号进行的常规计算方式，在此不再赘述。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过在信号发射端包含深度传感器，将深度信息嵌入到水声信号中并发送出去，并分别通过面阵换能器和单阵元换能器接收包含深度信息的水声信号，利用单阵元换能器测试斜距信息，并利用面阵换能器的方向性特点确定待定位目标物的方位角，通过提取水声信号中包含的深度信息，再结合方位角和斜距信息确定待定位的目标物完整的位置信息，同时通过陀螺仪确定面阵换能器的位置偏移，根据位置偏移对待定位的目标物完整的位置信息进行变换，实现对目标物位置的精确定位，不仅提高了定位精度，而且降低了成本。
进一步的，所述信号发射端和基阵部分分别设有定时器；
所述信号发射端的定时器与所述水声信号发射器连接；
所述基阵部分的定时器与所述信号处理器连接。
由上述描述可知，通过分别在信号发射端和基阵部分设置定时器，能够让信号发射端和基阵部分在指定的时间点发射信号和接收信号，保证发射端与接收端的同步性，提高定位的准确性。
进一步的，还包括信号滤波器与放大器；
所述信号滤波器的输入端分别与所述面阵换能器和单阵元换能器连接；
所述信号滤波器的输出端与放大器的输入端连接；
所述放大器的输出端与所述信号处理器连接。
由上述描述可知，在进行信号处理之前先对信号进行滤波并放大，能够提取有效的信号，过滤干扰信号，保证信号处理的准确性。
进一步的，还包括水面GPS或北斗定位器；
所述水面GPS或北斗定位器与所述信号处理器连接。
由上述描述可知，配合水面GPS或北斗定位器能够确定出待定位的目标物的绝对位置坐标，能够实现对待定位的目标物的完整定位。
进一步的，还包括连接杆；
所述陀螺仪设置在所述连接杆的中部；
所述面阵换能器和单阵元换能器分别设置在所述连接杆的两端。
由上述描述可知，通过一连接杆连接陀螺仪、面阵换能器和单阵元换能器能够保证三个设备之间位置关系的稳定性，保证了定位的精度。
进一步的，所述单阵元换能器直接设置在所述连接杆的一端；
所述面阵换能器通过一套杆套设于所述连接杆的另一端。
由上述描述可知，由于面阵换能器相对于单阵元换能器体积更大，通过一套杆将器固定于连接杆上，提高了面阵换能器连接接触的面积，保证了面阵换能器连接的稳固性。
请参照图3，一种水声定位方法，包括步骤：
S1、分别通过面阵换能器和单阵元换能器接收从待定位的目标物上发射出来的水声信号，所述水声信号中包含待定位的目标物的深度信息；
S2、根据所述单阵元换能器接收的水声信号确定所述待定位的目标物与所述单阵元换能器之间的斜距；
S3、根据所述面阵换能器接收的水声信号确定所述待定位的目标物的方位角；
S4、提取所述水声信号中包含的深度信息，根据待定位的目标物的方位角、深度信息和所述斜距确定所述待定位的目标物完整的第一位置信息；
S5、通过陀螺仪确定所述面阵换能器当前位置与初始位置之间的位置偏移，根据所述位置偏移对所述第一位置信息进行变换，实现对待定位的目标物的定位。
由上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过将深度信息嵌入到水声信号中并发送出去，并分别通过面阵换能器和单阵元换能器接收包含深度信息的水声信号，利用单阵元换能器测试斜距信息，并利用面阵换能器的方向性特点确定待定位目标物的方位角，通过提取水声信号中包含的深度信息，再结合方位角和斜距信息确定待定位的目标物完整的位置信息，同时通过陀螺仪确定面阵换能器的位置偏移，根据位置偏移对待定位的目标物完整的位置信息进行变换，实现对目标物位置的精确定位，不仅提高了定位精度，而且降低了成本。
进一步的，所述步骤S1中分别通过面阵换能器和单阵元换能器在指定时间点接收从待定位的目标物上发射出来的水声信号。
由上述描述可知，通过在指定时间点接收水声信号，能够保证发射端与接收端的同步性，提高定位的准确性。
进一步的，所述步骤S1和S2之间还包括：
对所述面阵换能器和单阵元换能器接收的水声信号进行滤波并放大。
由上述描述可知，在进行信号处理之前先对信号进行滤波并放大，能够提取有效的信号，过滤干扰信号，保证信号处理的准确性。
进一步的，还包括：
从水面GPS或北斗定位器获取所述待定位的目标物的第二位置信息；
根据所述第二位置信息和变换后的第一位置信息确定所述待定位的目标物的绝对位置。
由上述描述可知，配合水面GPS或北斗定位器能够确定出待定位的目标物的绝对位置坐标，能够实现对待定位的目标物的完整定位。
实施例一
请参照图1，一种水声定位系统，包括信号发射端和基阵部分；
所述信号发射端用于安装在待定位的目标物上；
所述信号发射端包括深度传感器和水声信号发射器；
所述深度传感器与所述水声信号发射器连接；
所述基阵部分包括信号处理器、换能器阵和陀螺仪；
所述换能器阵包括主阵元和辅助阵元；
所述主阵元包括面阵换能器，所述辅助阵元包括单阵元换能器，其中，单阵元换能器使用普通的单阵元换能器即可；
所述面阵换能器、单阵元换能器和所述陀螺仪分别与所述信号处理器连接。
所述信号发射端和基阵部分分别设有定时器；
所述信号发射端的定时器与所述水声信号发射器连接；
所述基阵部分的定时器与所述信号处理器连接；
通过定时器能够让信号发射端在指定时间点发送带有深度信息的水声信号，让基阵部分也能够在指定时间点开始采集带有深度信息的水声信号，并在指定时间间隔内停止采集；
优选的，还包括信号滤波器与放大器；
所述信号滤波器的输入端分别与所述面阵换能器和单阵元换能器连接；
所述信号滤波器的输出端与放大器的输入端连接；
所述放大器的输出端与所述信号处理器连接；
其中，换能器实现将水声信号转换为电信号，从而可以进行后续处理；
信号滤波器和放大器对电信号进行滤波和放大，从而提取出没有干扰的需要进行定位的目标物的信号；
优选的，还包括水面GPS或北斗定位器；
所述水面GPS或北斗定位器与所述信号处理器连接；
具体的，如图2所示，还包括连接杆；
所述陀螺仪设置在所述连接杆的中部；
所述面阵换能器(即主阵元)和单阵元换能器(即辅助阵元)分别设置在所述连接杆的两端；
所述单阵元换能器直接设置在所述连接杆的一端；
所述面阵换能器通过一套杆套设于所述连接杆的另一端；
陀螺仪、主阵元和辅助阵元分别连接到一条电源与通信线缆上，通过电源与通信线缆与信号处理器连接；
其中，利用面阵换能器的指向性能够测量目标物的方位角，面阵换能器在某个方向可以最大程度接收水声信号，因而通过旋转换面阵能器阵，比对各个方向的水声信号，就可以定位到信号最大的方向，从而确定目标物的方位角；
单阵元换能器可以根据其与待定位的目标物之间的同步信息测试其与待定位的目标物之间的斜距，作为基阵单元与待定位的目标物之间的斜距，同时单阵元换能器也可以用于辅助主阵元得到水声信号在时间点上的相位差，使得可以根据主阵元纠正了相位差后的水声信号确定目标物的方位角；
上述水声定位系统能够以基阵部分为原点，对水下半径800米范围内空间中的目标物进行精确定位。
实施例二
请参照图3，一种水声定位方法，包括步骤：
S1、分别通过面阵换能器和单阵元换能器接收从待定位的目标物上发射出来的水声信号，所述水声信号中包含待定位的目标物的深度信息；
如图4所示，分别通过面阵换能器(即主阵)和单阵元换能器(即辅阵)在指定时间点接收从待定位的目标物上发射出来的水声信号，具体的，让信号发射端在指定时间点发送带有深度信息的水声信号，让信号接收端在指定时间点开始采集带有深度信息的水声信号，并在指定时间间隔内停止采集；
在获取了水声信号后，进一步对所述面阵换能器和单阵元换能器接收的水声信号进行滤波并放大，提取到未受干扰的用于定位的信号；
S2、根据所述单阵元换能器接收的水声信号确定所述待定位的目标物与所述单阵元换能器之间的斜距；
S3、根据所述面阵换能器接收的水声信号确定所述待定位的目标物的方位角；
S4、提取所述水声信号中包含的深度信息，根据待定位的目标物的方位角、深度信息和所述斜距确定所述待定位的目标物完整的第一位置信息；
S5、通过陀螺仪确定所述面阵换能器当前位置与初始位置之间的位置偏移，根据所述位置偏移对所述第一位置信息进行变换，实现对待定位的目标物的定位；
其中，利用面阵换能器的指向性能够测量目标物的方位角，面阵换能器在某个方向可以最大程度接收水声信号，因而通过旋转换面阵能器阵，比比对各个方向的水声信号，就可以定位到信号最大的方向，从而确定目标物的方位角；
单阵元换能器可以根据其与待定位的目标物之间的同步信息测试其与待定位的目标物之间的斜距，作为基阵单元与待定位的目标物之间的斜距，同时单阵元换能器也可以用于辅助面阵换能器得到水声信号在时间点上的相位差，使得可以根据面阵换能器纠正了相位差后的水声信号确定目标物的方位角；
其中，深度信息的提取也可以在步骤S2之前执行；
还包括：
从水面GPS或北斗定位器获取所述待定位的目标物的第二位置信息；
根据所述第二位置信息和变换后的第一位置信息确定所述待定位的目标物的绝对位置。
综上所述，本发明提供的一种水声定位系统及方法，接收换能器阵体积不大于1m×1m×1m，适合携带、固定与安装；不直接采用估算时延差的方法，从而避免复杂的水域环境对定位精度产生不利的影响，而是使用指向性的换能器阵计算目标物方位角，再结合同步信息计算斜距，即通过单阵元换能器确定单阵元换能器与目标物之间的同步信息，计算斜距，从而在定位范围内能够达到较高的精确度，同时对换能器，陀螺仪，采集信号的采集卡等设备的要求并不苛刻，即使用性能一般的器件也可以达到较好的效果，从而可以较好的降低生产成本。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种水声定位系统，其特征在于，包括信号发射端和基阵部分；
所述信号发射端用于安装在待定位的目标物上；
所述信号发射端包括深度传感器和水声信号发射器；
所述深度传感器与所述水声信号发射器连接；
所述基阵部分包括信号处理器、换能器阵和陀螺仪；
所述换能器阵包括主阵元和辅助阵元；
所述主阵元包括面阵换能器，所述辅助阵元包括单阵元换能器；
所述面阵换能器、单阵元换能器和所述陀螺仪分别与所述信号处理器连接。
2.根据权利要求1所述的一种水声定位系统，其特征在于，所述信号发射端和基阵部分分别设有定时器；
所述信号发射端的定时器与所述水声信号发射器连接；
所述基阵部分的定时器与所述信号处理器连接。
3.根据权利要求1所述的一种水声定位系统，其特征在于，还包括信号滤波器与放大器；
所述信号滤波器的输入端分别与所述面阵换能器和单阵元换能器连接；
所述信号滤波器的输出端与放大器的输入端连接；
所述放大器的输出端与所述信号处理器连接。
4.根据权利要求1所述的一种水声定位系统，其特征在于，还包括水面GPS或北斗定位器；
所述水面GPS或北斗定位器与所述信号处理器连接。
5.根据权利要求1所述的一种水声定位系统，其特征在于，还包括连接杆；
所述陀螺仪设置在所述连接杆的中部；
所述面阵换能器和单阵元换能器分别设置在所述连接杆的两端。
6.根据权利要求5所述的一种水声定位系统，其特征在于，所述单阵元换能器直接设置在所述连接杆的一端；
所述面阵换能器通过一套杆套设于所述连接杆的另一端。
7.一种水声定位方法，其特征在于，包括步骤：
S1、分别通过面阵换能器和单阵元换能器接收从待定位的目标物上发射出来的水声信号，所述水声信号中包含待定位的目标物的深度信息；
S2、根据所述单阵元换能器接收的水声信号确定所述待定位的目标物与所述单阵元换能器之间的斜距；
S3、根据所述面阵换能器接收的水声信号确定所述待定位的目标物的方位角；
S4、提取所述水声信号中包含的深度信息，根据待定位的目标物的方位角、深度信息和所述斜距确定所述待定位的目标物完整的第一位置信息；
S5、通过陀螺仪确定所述面阵换能器当前位置与初始位置之间的位置偏移，根据所述位置偏移对所述第一位置信息进行变换，实现对待定位的目标物的定位。
8.根据权利要求7所述的一种水声定位方法，其特征在于，所述步骤S1中分别通过面阵换能器和单阵元换能器在指定时间点接收从待定位的目标物上发射出来的水声信号。
9.根据权利要求7所述的一种水声定位方法，其特征在于，所述步骤S1和S2之间还包括：
对所述面阵换能器和单阵元换能器接收的水声信号进行滤波并放大。
10.根据权利要求7所述的一种水声定位方法，其特征在于，还包括：
从水面GPS或北斗定位器获取所述待定位的目标物的第二位置信息；
根据所述第二位置信息和变换后的第一位置信息确定所述待定位的目标物的绝对位置。
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