CN110703204A - 声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法 - Google Patents

声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法 Download PDF

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Abstract

声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法，涉及声学波浪滑翔机水下声学单元的定位技术，属于水声领域。解决了现有声学单元位置标定方法，对信标与声学单元时间的同步性要求高的问题。首先，将第一个信标固定在声学波浪滑翔机的水面浮体船底部，将第二信标固定在声学波浪滑翔机的牵引机底部；获得水下声学单元相对于第一信标的水平距离r0；获得第一信标相对于水下声学单元在大地坐标系下的方位角θg；根据r0和θg，获得水下声学单元在大地坐标系下的平面坐标(xarray，yarray)；根据(xarray，yarray)和h0从而获得水下声学单元在大地坐标系下的三维坐标(xarray，yarray，h0)，完成标定。本发明主要用于对水下声学单元的位置进行标定。

Description

声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法
技术领域
本发明涉及声学波浪滑翔机水下声学单元的定位技术，属于水声定位领域。
背景技术
水下声学单元可以观测水中目标声源信号，是声学波浪滑翔机的核心部件。水下声学单元的位置参与多节点解算，其精度直接影响声学波浪滑翔机的定位性能。通常水下声学单元的位置由GPS测量得到。但是受限于实际条件，水下声学单元与波浪滑翔机通过电缆软连接，受到波浪和流的影响，其水下位置相对于波浪滑翔机上GPS位置有偏移，而且随着时间变化，因此，水下声学单元的位置标定是否精确，直接影响被测声源的测量精度。
申请号：201910129880.5，主题名称“水声被动探测或被动定位的节点装置及分布式的节点系统”的发明专利给出了一种单信标的水下声学单元位置检测方法，该方法要求信标与声学单元之间信号时间同步，以解算出声学单元的位置。当时间不能同步时，解算失效。此种方法对信标与声学单元之间信号时间的同步性要求较高，本发明针对这一技术缺陷进行解决。
发明内容
本发明是为了解决现有声学单元位置标定方法，对信标与声学单元时间的同步性要求高的问题，本发明提供了一种声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法。
声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法，该标定方法包括如下步骤：
S1、将第一个信标固定在声学波浪滑翔机的水面浮体船底部，将第二个信标固定在声学波浪滑翔机的牵引机底部；
使两个信标向水下声学单元发送高频宽带声信号，其中，水下声学单元包括4个阵元；
S2、根据水下声学单元的深度h0、第一个信标的深度hA、第二个信标的深度hB和水下声学单元中任意一个阵元接收的两个高频宽带声信号的传播时间差τ12，获得水下声学单元相对于第一个信标的水平距离r0；
S3、根据第一个信标发出的高频宽带声信号，获得第一个信标相对于水下声学单元在大地坐标系下的方位角θg；
S4、根据水下声学单元相对于第一个信标的水平距离r0和方位角θg，以及第一个信标在大地坐标系下的平面坐标(xA,yA)，获得水下声学单元在大地坐标系下的平面坐标(xarray，yarray)；
S5、根据水下声学单元在大地坐标系下的水平坐标(xarray，yarray)和水下声学单元的深度h0，从而获得水下声学单元在大地坐标系下的三维坐标(xarray，yarray，h0)，从而完成对水下声学单元位置的标定。
优选的是，S2中，根据水下声学单元的深度h0、第一个信标的深度hA、第二个信标的深度hB和水下声学单元中任意一个阵元接收的两个高频宽带声信号的传播时间差τ12，获得水下声学单元相对于第一个信标的水平距离r0通过如下步骤实现：
S21、当两个信标按照固定的时间间隔向水下声学单元同时发送高频宽带声信号时，通过深度计测量第一个信标相对于水面的深度hA、第二个信标相对于水面的深度hB以及水下声学单元相对于水面的深度h0；
S22、第一个信标发出的高频宽带声信号到达水下声学单元的传播时间为τ1和第二个信标发出的高频宽带声信号到达水下声学单元的传播时间为τ2，τ1、τ2与h0、hA、hB之间有如下关系；
Figure BDA0002242654370000021
c表示声音在水中传播的速度；
S23、根据τ1和τ2，获得两个高频宽带声信号的传播时间差τ12，其中，
τ12＝τ1-τ2 (公式三)；
S24、τ12、hA、hB和Δr，存在如下关系式：
Figure BDA0002242654370000023
对公式四进行求解，获得r0；
其中，Δr表示第一个信标和第二个信标之间的水平距离；
p1和p2均为中间变量，且
Figure BDA0002242654370000032
优选的是，S4中、根据水下声学单元相对于第一个信标的水平距离r0和方位角θg，以及第一个信标在大地坐标系下的平面坐标(xA,yA)，获得水下声学单元在大地坐标系下的平面坐标(xarray，yarray)通过如下步骤实现：
S41、根据声学波浪滑翔机上的GPS在大地坐标系下的平面坐标(xg,yg)，获得第一个信标在大地坐标系下的平面坐标(xA,yA)；
xA＝xg+Δx0cosα-Δy0sinα (公式六)；
yA＝yg+Δx0sinα-Δy0cosα (公式七)；
其中，
Δx0表示第一个信标所在的垂直于水面浮体船船身中轴线的竖直平面与GPS所在的垂于水面浮体船船身中轴线的竖直平面间的距离，且第一个信标所在的竖直平面与GPS所在的竖直平面平行；
Δy0表示第一个信标与水面浮体船船身中轴线所在竖直平面间的水平距离；
α表示水面浮体船北偏东方向的航向角；
S42、根据第一个信标在大地坐标系下的平面坐标(xA,yA)、水下声学单元相对于第一个信标的水平距离r0和方位角θg，获得水下声学单元在大地坐标系下的平面坐标(xarray，yarray)；
xarray＝xA-r0cosθg (公式八)；
yarray＝yA-r0sinθg (公式九)。
优选的是，S3中，
Figure BDA0002242654370000033
其中，θ表示第一个信标相对于水下声学单元的方位角；
Figure BDA0002242654370000041
表示水下声学单元北偏东方向的航向角。
优选的是，S1中，水下声学单元的4个阵元以一个基点为圆心，周向均匀分布，4个阵元分别定义为第一至第四阵元，且第一阵元与第三阵元相对设置，第二阵元与第四阵元相对设置；
每个阵元距离圆心的距离为a。
优选的是，θ＝atan2(τ′24,τ′13)；
τ′24表示第二阵元与第四阵元接收的相同的高频宽带声信号的传播时间差；
τ′13表示第一阵元与第三阵元接收的相同的高频宽带声信号的传播时间差；
tan2(τ′24,τ′13)表示τ′24与τ′13的二维正切。
优选的是，阵元采用声压传感器实现。
本发明带来的有益效果是，本发明采用双信标的方法对水下声学单元位置进行标校。为了不影响水下声学单元完成水下声学的功能，本发明实时标定方法工作在高频带。本发明提出了一种不需与水下声学单元同步的双信标声学波浪滑翔机的水下声学单元实时定位方法，以精确获得水下声学单元的位置，可高精度的定位水下声学单元的位置。
附图说明
图1为声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法的流程图；
图2为声学波浪滑翔机的结构示意图；
图3为水下声学单元中4个阵元的相对位置关系图；
图4为第一个信标与水下声学单元在水平方向的相对位置关系图；其中，G表示GPS5所在的位置，A表示第一个信标所在的位置；
图5为两个信标与水下声学单元在水平方向的相对位置关系图；其中，A表示第一个信标所在的位置，B表示第二个信标所在的位置，C表示水下声学单元所在的位置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法，该标定方法包括如下步骤：
S1、将第一个信标1固定在声学波浪滑翔机的水面浮体船2底部，将第二个信标1固定在声学波浪滑翔机的牵引机3底部；
使两个信标1向水下声学单元4发送高频宽带声信号，其中，水下声学单元4包括4个阵元；
S2、根据水下声学单元4的深度h0、第一个信标1的深度hA、第二个信标1的深度hB和水下声学单元4中任意一个阵元接收的两个高频宽带声信号的传播时间差τ12，获得水下声学单元4相对于第一个信标1的水平距离r0；
S3、根据第一个信标1发出的高频宽带声信号，获得第一个信标1相对于水下声学单元4在大地坐标系下的方位角θg；
S4、根据水下声学单元4相对于第一个信标1的水平距离r0和方位角θg，以及第一个信标1在大地坐标系下的平面坐标(xA,yA)，获得水下声学单元4在大地坐标系下的平面坐标(xarray，yarray)；
S5、根据水下声学单元4在大地坐标系下的水平坐标(xarray，yarray)和水下声学单元4的深度h0，从而获得水下声学单元4在大地坐标系下的三维坐标(xarray，yarray，h0)，从而完成对水下声学单元4位置的标定。
本实施方式为，阵元可采用声压传感器实现，信标1的源级不宜过大，要求确保接收信号不限幅，且在20kHz-30kHz频带滤波后的信噪比大于0分贝。
参见图1和图2说明本优选实施方式，本优选实施方式为，
S2中，根据水下声学单元4的深度h0、第一个信标1的深度hA、第二个信标1的深度hB和水下声学单元4中任意一个阵元接收的两个高频宽带声信号的传播时间差τ12，获得水下声学单元4相对于第一个信标1的水平距离r0通过如下步骤实现：
S21、当两个信标1按照固定的时间间隔向水下声学单元4同时发送高频宽带声信号时，通过深度计测量第一个信标1相对于水面的深度hA、第二个信标1相对于水面的深度hB以及水下声学单元4相对于水面的深度h0；
S22、第一个信标1发出的高频宽带声信号到达水下声学单元4的传播时间为τ1和第二个信标1发出的高频宽带声信号到达水下声学单元4的传播时间为τ2，τ1、τ2与h0、hA、hB之间有如下关系；
Figure BDA0002242654370000061
Figure BDA0002242654370000062
c表示声音在水中传播的速度；
S23、根据τ1和τ2，获得两个高频宽带声信号的传播时间差τ12，其中，
τ12＝τ1-τ2 (公式三)；
S24、τ12、hA、hB和Δr，存在如下关系式：
Figure BDA0002242654370000063
对公式四进行求解，获得r0；
Figure BDA0002242654370000064
其中，Δr表示第一个信标1和第二个信标1之间的水平距离；
p1和p2均为中间变量，且
本优选实施方式中，当两个信标1同时发射两个同频带、调频特性不同的高频宽带声信号时，水下声学单元4中任意一个阵元获得的接收的两个高频宽带声信号的传播时间差τ12，并根据公式五，获得r0。
参见图2、图4和图5说明本优选实施方式，本优选实施方式为，
S4中、根据水下声学单元4相对于第一个信标1的水平距离r0和方位角θg，获得水下声学单元4在大地坐标系下的平面坐标(xarray，yarray)通过如下步骤实现：
S41、根据声学波浪滑翔机上的GPS5在大地坐标系下的平面坐标(xg,yg)，获得第一个信标1在大地坐标系下的平面坐标(xA,yA)；
xA＝xg+Δx0cosα-Δy0sinα (公式六)；
yA＝yg+Δx0sinα-Δy0cosα (公式七)；
其中，
Δx0表示第一个信标1所在的垂直于水面浮体船2船身中轴线的竖直平面与GPS5所在的垂于水面浮体船2船身中轴线的竖直平面间的距离，且第一个信标1所在的竖直平面与GPS5所在的竖直平面平行；
Δy0表示第一个信标1与水面浮体船2船身中轴线所在竖直平面间的水平距离；
α表示水面浮体船2北偏东方向的航向角；
S42、根据第一个信标1在大地坐标系下的平面坐标(xA,yA)、水下声学单元4相对于第一个信标1的水平距离r0和方位角θg，获得水下声学单元4在大地坐标系下的平面坐标(xarray，yarray)；
xarray＝xA-r0cosθg (公式八)；
yarray＝yA-r0sinθg (公式九)。
参见图2说明本实施方式，本优选实施方式为，S3中，
Figure BDA0002242654370000071
其中，θ表示第一个信标相对于水下声学单元4的方位角；
表示水下声学单元4北偏东方向的航向角。
本优选实施方式中，
Figure BDA0002242654370000073
的获得可由罗经测量得到。
参见图3说明本优选实施方式，本优选实施方式中，
S1中，水下声学单元4的4个阵元以一个基点为圆心，周向均匀分布，4个阵元分别定义为第一至第四阵元，且第一阵元与第三阵元相对设置，第二阵元与第四阵元相对设置；
每个阵元距离圆心的距离为a。
参见图3说明本实施方式，本优选实施方式为，θ＝atan2(τ′24,τ′13)；
τ′24表示第二阵元与第四阵元接收的相同的高频宽带声信号的传播时间差；
τ′13表示第一阵元与第三阵元接收的相同的高频宽带声信号的传播时间差；
tan2(τ′24,τ′13)表示τ′24与τ′13的二维正切。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。

Claims (7)

1.声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法，其特征在于，该标定方法包括如下步骤：
S1、将第一个信标(1)固定在声学波浪滑翔机的水面浮体船(2)底部，将第二个信标(1)固定在声学波浪滑翔机的牵引机(3)底部；
使两个信标(1)向水下声学单元(4)发送高频宽带声信号，其中，水下声学单元(4)包括4个阵元；
S2、根据水下声学单元(4)的深度h0、第一个信标(1)的深度hA、第二个信标(1)的深度hB和水下声学单元(4)中任意一个阵元接收的两个高频宽带声信号的传播时间差τ12，获得水下声学单元(4)相对于第一个信标(1)的水平距离r0；
S3、根据第一个信标(1)发出的高频宽带声信号，获得第一个信标(1)相对于水下声学单元(4)在大地坐标系下的方位角θg；
S4、根据水下声学单元(4)相对于第一个信标(1)的水平距离r0和方位角θg，以及第一个信标(1)在大地坐标系下的平面坐标(xA,yA)，获得水下声学单元(4)在大地坐标系下的平面坐标(xarray，yarray)；
S5、根据水下声学单元(4)在大地坐标系下的水平坐标(xarray，yarray)和水下声学单元(4)的深度h0，从而获得水下声学单元(4)在大地坐标系下的三维坐标(xarray，yarray，h0)，从而完成对水下声学单元(4)位置的标定。
2.根据权利要求1所述的声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法，其特征在于，S2中，根据水下声学单元(4)的深度h0、第一个信标(1)的深度hA、第二个信标(1)的深度hB和水下声学单元(4)中任意一个阵元接收的两个高频宽带声信号的传播时间差τ12，获得水下声学单元(4)相对于第一个信标(1)的水平距离r0通过如下步骤实现：
S21、当两个信标(1)按照固定的时间间隔向水下声学单元(4)同时发送高频宽带声信号时，通过深度计测量第一个信标(1)相对于水面的深度hA、第二个信标(1)相对于水面的深度hB以及水下声学单元(4)相对于水面的深度h0；
S22、第一个信标(1)发出的高频宽带声信号到达水下声学单元(4)的传播时间为τ1和第二个信标(1)发出的高频宽带声信号到达水下声学单元(4)的传播时间为τ2，τ1、τ2与h0、hA、hB之间有如下关系；
Figure FDA0002242654360000022
c表示声音在水中传播的速度；
S23、根据τ1和τ2，获得两个高频宽带声信号的传播时间差τ12，其中，
τ12＝τ1-τ2 (公式三)；
S24、τ12、hA、hB和Δr，存在如下关系式：
Figure FDA0002242654360000023
对公式四进行求解，获得r0；
Figure FDA0002242654360000024
其中，Δr表示第一个信标(1)和第二个信标(1)之间的水平距离；
p1和p2均为中间变量，且
Figure FDA0002242654360000025
3.根据权利要求1所述的声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法，其特征在于，S4中、根据水下声学单元(4)相对于第一个信标(1)的水平距离r0和方位角θg，以及第一个信标(1)在大地坐标系下的平面坐标(xA,yA)，获得水下声学单元(4)在大地坐标系下的平面坐标(xarray，yarray)通过如下步骤实现：
S41、根据声学波浪滑翔机上的GPS(5)在大地坐标系下的平面坐标(xg,yg)，获得第一个信标(1)在大地坐标系下的平面坐标(xA,yA)；
xA＝xg+Δx0cosα-Δy0sinα (公式六)；
yA＝yg+Δx0sinα-Δy0cosα (公式七)；
其中，
Δx0表示第一个信标(1)所在的垂直于水面浮体船(2)船身中轴线的竖直平面与GPS(5)所在的垂于水面浮体船(2)船身中轴线的竖直平面间的距离，且第一个信标(1)所在的竖直平面与GPS(5)所在的竖直平面平行；
Δy0表示第一个信标(1)与水面浮体船(2)船身中轴线所在竖直平面间的水平距离；
α表示水面浮体船(2)北偏东方向的航向角；
S42、根据第一个信标(1)在大地坐标系下的平面坐标(xA,yA)、水下声学单元(4)相对于第一个信标(1)的水平距离r0和方位角θg，获得水下声学单元(4)在大地坐标系下的平面坐标(xarray，yarray)；
xarray＝xA-r0cosθg (公式八)；
yarray＝yA-r0sinθg (公式九)。
4.根据权利要求1所述的声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法，其特征在于，S3中，
Figure FDA0002242654360000031
其中，θ表示第一个信标相对于水下声学单元(4)的方位角；
Figure FDA0002242654360000032
表示水下声学单元(4)北偏东方向的航向角。
5.根据权利要求4所述的声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法，其特征在于，S1中，水下声学单元(4)的4个阵元以一个基点为圆心，周向均匀分布，4个阵元分别定义为第一至第四阵元，且第一阵元与第三阵元相对设置，第二阵元与第四阵元相对设置；
每个阵元距离圆心的距离为a。
6.根据权利要求5所述的声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法，其特征在于，θ＝atan2(τ′24,τ′13)；
τ′24表示第二阵元与第四阵元接收的相同的高频宽带声信号的传播时间差；
τ′13表示第一阵元与第三阵元接收的相同的高频宽带声信号的传播时间差；
tan2(τ′24,τ′13)表示τ′24与τ′13的二维正切。
7.根据权利要求1所述的声学波浪滑翔机的水下声学单元的位置标定方法，其特征在于，阵元采用声压传感器实现。
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