CN112558010A - 一种烷基苯介质中的声源精确定位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种烷基苯介质中的声源精确定位装置及方法，属于信号与信息处理领域；包括主控计算机、接口分机、发射换能器和接受换能器；发射换能器设置于被定位的ROV上，ROV位于充满烷基苯介质的球形容器内；发射换能器按照设定周期，定时发射声学信标信号，利用授时同步装置，同时检测记录到达接收换能器的信号的时刻；8个接受换能器均布于充满烷基苯介质的球形容器内壁上，阵列位置分别位于空间立方体的8个顶点处，接收来自发射换能器的声学信号。再通过最小二乘优化ROV的空间定位坐标精度，将空间上离散点的拟合应用到烷基苯介质中的定位。按照一定的优化准则对ROV的位置精度进行优化，可以在30米球范围内，达到对ROV位置的距离测量误差精度不大于30cm。
Description
技术领域
本发明属于信号与信息处理领域，具体涉及一种烷基苯介质中的声源精确定位装置及方法。
背景技术
烷基苯介质中的声源精确定位是中微子研究试验装置的重要内容之一，也是水声短基线定位技术的一个典型应用。
中微子是构成物质世界的最基本的单元之一，与其他基本粒子——夸克和带电轻子相比,它们性质独特,而且很难探测,是人们了解最少的粒子,存在众多未解之谜.对中微子未知问题的研究,不仅将完善我们对物质世界最基本规律的认识,也很有可能导致对现有粒子物理理论体系。步入21世纪,中微子研究蓬勃发展,成为粒子物理最重要的分支之一,而且扩展到天文学、宇宙学、地球物理等多个学科,形成了“中微子科学”。中微子的实验研究有60多年的历史,取得了许多重大发现,包括发现3种中微子、发现中微子振荡等,先后3次被授予诺贝尔奖。我国的中微子实验研究起步很晚,但取得了很好的成绩.2003年提出大亚湾反应堆中微子实验的构想,2011年底实验建成,短短2个多月后就发现了新的中微子振荡模式,震惊了国际粒子物理界,被美国Science杂志评为当年的十大科学突破。2008年提出了下一步测量中微子质量顺序的设想，2013年江门中微子实验(JiangmenUnderground Neutrino Observatory，简称JUNO系统)得以立项,预期2020年建成。该项目以确定质量顺序和精确测量混合参数为主要物理目标,同时可以开展超新星中微子、太阳中微子、地球中微子、大气中微子等多项国际领先水平的研究。JUNO项目在广东省江门的开平市建立实验站,位于距阳江核电站和台山核电站53km处.实验将建设一个充满质量为2万吨的液体闪烁体探测容器，液体闪烁介质采用烷基苯介质，位于地下700m。该项目可以开展反应堆中微子能谱测量等相关研究，以及进行其它多项科学前沿研究。该项目的试验装置如图2所示。
整个试验装置正式工作前，或使用过程中，需要对光电倍增管进行校准。进行校准工作时，将有一个携带放射性吊舱的小型航行器(ROV)在指令控制下于球罐内运动，根据试验要求，需要实时测得ROV的精确位置，定位误差不超过30mm。可以采用的定位系统包括激光定位、电磁定位和声学定位等，由于中微子试验的特殊性，电磁和激光都会对试验产生影响，声学办法成为唯一选择。因此需要研制一套定位系统以实现对ROV小型航行器准确定位，该系统统称为朱诺(JUNO)刻度系统或JUNO定位系统。
水声定位系统已经有很长的发展历史，已经取得了许多重要成果。水声定位系统由多个基元组成，基元间的连线称为基线。可按照基线长度和探测距离的相对关系对水声定位系统进行分类，也可按照基线的绝对尺寸进行分类。按照基线的绝对尺寸进行分类，可将水声定位系统分为长基线系统、短基线系统和超短基线系统。长基线大约100～6000米，短基线1～50米，超短基线<1米。
国内外水声定位技术已经有了很好的发展，也已经实现了水声定位系统的产品化、产业化、系列化，国际上主要的水声定位系统生产厂商有：挪威、法国、英国等多家公司。挪威的公司目前是行业内发展最为突出的公司，Kongsberg公司旗下有众多成熟的HIRAP系列产品，在民用市场和军用市场都有众多用户。1997年该公司推出了HIRAP350系列产品，该型号是长程超短基线定位系统的里程碑式产品，其作用距离可达到3000米；其次是HIPAP500，该型号作用距离进一步增加达到4000米；该公司新近推出的主打产品是IHPAP10，在10000米的作用距离下，可提供优于50厘米的测距精度。目前该公司已成为行业标准的实际引导者，系列产品已经是性能优异的综合定位系统，可以工作在两种模式：长基线和超短基线。
法国的Ixsea公司也有多款产品在水下定位、导航、测绘等多个领域实现了商用，产品涵盖超短基线、短基线、长基线系统。该公司的高精度短基线水下定位系统POSIDONIA6000在行业内较有知名度，该型号在恶劣条件下仍然可以保证高性能，最大作用距离可达到6000米，国内多艘科考船也有采用。该公司的MIPS系统是一个为跟踪水下目标而设计的小型超短基线定位系统，作业距离可达1500米，由于其价格低廉，安装和使用方便，也取得了广泛的应用。
英国的Sonardyne公司是另外一家专注于水声学产品设备研发的公司，该公司的产品主要涉及水下建筑物(比如钻井平台)的定位、反蛙人、海洋测量等，产品线也涵盖超短基线、短基线、长基线系统。该公司的Ranger系列超短基线定位系统有普通版和升级版两个型号，普通版的最大作用距离可覆盖2000米，能同时定位跟踪4个目标；升级版型号的最大作用距离可达到4000米以上，能同时定位跟踪10个目标。
国内水声定位技术研究也已经有了很大进展，研究单位有西北工业大学、哈尔滨工程大学，715研究所，726研究所和中科院声学所等。也已经研制出一些长短基线定位系统，并且在海洋工程方面获得了应用。
就目前国内外现有技术中的研究和相关产品来看，有关系统的定位精度大多大于10米，为了进一步提高定位精度，在海水或湖泊环境中通常采用提高信噪比等方法来提高定位精度。而在JUNO系统的有机玻璃环境内会存在大量混响，通过提高信噪比的同时会产生更多的噪声，导致更大的定位误差。因此现有技术无法满足JUNO系统高精度定位的要求，必须寻找新的办法。本项目设计了一个全新的烷基苯介质中的精确声源定位系统，可以完全满足JUNO系统的定位要求。
本发明烷基苯介质中的声学信标精确定位装置，就是为JUNO专门设计的声学定位系统的一部分。球体的填充的介质是烷基苯介质，因此该系统的定位系统即成为烷基苯介质中的声学定位问题。由于烷基苯介质的比重与水介质相近，介质中的声速也与水相近，因此可以采用水中声学定位相关方法。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种烷基苯介质中的声源精确定位装置及方法，利用发射换能器和多元接收阵的精确定位装置，该装置可以精确确定小型航行器ROV的位置，实现了ROV在内径为30米的充满烷基苯介质的球形容器内的定位距离误差不超过30mm的精确定位指标，完全满足JUNO系统的定位要求。
本发明的技术方案是：一种烷基苯介质中的声源精确定位装置，其特征在于：包括主控计算机、接口分机、发射换能器和接受换能器，各部分之间通过电缆连接；
所述主控计算机包括显控模块和综合处理模块，显控模块用于实现定位系统的综合人机交互，综合处理模块用于实现定位系统的核心控制和定位解算功能；
所述接口分机包括信号产生模块和信号接收模块，信号产生模块用于实现发射信号波形的产生及驱动发射，信号接收模块用于实现接收信号的预处理及信号检波；
所述发射换能器设置于被定位的ROV上，ROV位于充满烷基苯介质的球形容器内；发射换能器按照设定周期，定时发射声学信标信号，利用授时同步装置，同时检测记录到达接收换能器的信号的时刻；
8个所述接受换能器均布于充满烷基苯介质的球形容器内壁上，阵列位置分别位于空间立方体的8个顶点处，用于接收来自发射换能器的声学信号。
本发明的进一步技术方案是：所述电缆为多芯电缆，通过绞车收放并调节长度。
本发明的进一步技术方案是：所述显控模块包括目标定位信息的显示和ROV传感器参数的显示，用于设定发射、接收模块相关参数和ROV运行轨迹。
本发明的进一步技术方案是：所述综合处理模块包括距离信息解算、位置信息解算、发射接收模块控制，实现与ROV系统的综合通信，以及与上位机系统的综合通信。
一种采用烷基苯介质中的声源精确定位装置进行定位的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：在所述显控模块的人机交互界面输入希望ROV到达的目标位置点；
步骤二：通过所述综合处理模块调用信号产生模块，以驱动发射换能器发射超声波信号；然后由接收换能器接收超声波信号，并通过信号接收模块对超声波信号进行处理；
步骤三：通过综合处理模块对步骤二处理后的接收信号进行时延估计，并根据多组时延信息解算发射换能器与接收换能器之间距离；
步骤四：由综合处理模块根据多组发射换能器与接收换能器之间距离的信息解算当前ROV所在位置与姿态；
步骤五：综合处理模块将步骤四中得到的ROV当前位置和姿态，以及步骤一中目标位置点下达给ROV系统控制，ROV系统向目标位置移动；
步骤六：ROV到达目标位置附近后，再次进行位置与姿态解算，直至ROV系统在目标位置稳定悬停，最后将当前目标位置发送给定位装置的上位机。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中发射换能器与接收换能器之间距离的计算方法：利用授时同步装置，检测记录到达接收换能器信号的时刻，得到所述发射换能器发射声波信号与接收换能器接收声波信号的时间差t，接收时间为接收信号幅值到达门限阈值的时刻；
然后，通过公式Si＝υti,i＝1,2,3...8,计算出发射换能器和第i个接收换能器之间的距离Si，其中，υ是声波在介质中的传播速度，ti表示发射换能器发射声波信号与第i个接收换能器接收声波信号的时间差。
本发明的进一步技术方案是：所述门限阈值为自适应门限阈值，首先获取发射换能器发射信号的幅度，再将发射信号幅度高低的2/3峰值幅度设为门限阈值。
本发明的进一步技术方案是：所述声波在介质中的传播速度υ，随着深度不同而变化，首先测量声波从发射换能器发射速度υ0和第i个接收换能器的接收速度υti,然后求平均值得到传播速度υ，再通过以下公式计算出发射换能器和第i个接收换能器之间的距离Si：
本发明的进一步技术方案是：步骤四中，根据测得的ROV上发射换能器和接收换能器之间的距离，和对应的几何位置，实时获得ROV的精确空间位置；设定充满烷基苯介质的球形容器的球心为坐标系的中点，令ROV的当前位置坐标为(x,y,z)，对位置坐标采用最小二乘算法进行求解，求f(X)＝(AX-b)T(AX-b)的极小点即下式，就是航行器的x、y、z的位置坐标；
其中A，b通过4个接收点和对应的4组距离信息构成
随后采用模拟退火方法求当前位置信息的最优解，用于定位的模拟退火算法求解最小值F的函数为：
其中(x,y,z)为当前位置坐标，(xi,yi,zi)为第i个阵元的坐标，si为第i个接收换能器接收到的时延对应的距离；
通过迭代获取目标函数F的最小值即得到最优解，使得接收换能器位置的最大误差控制在8mm以内，整体定位误差达到25mm以内，ROV的x和y坐标的定位误差达到25mm内。
有益效果
本发明的有益效果在于：
目前，在现有技术中没有将声学定位技术应用于烷基苯介质中的相关研究，现有的一般是对海水环境中的ROV进行定位，海水环境是一种比较开阔的环境，声波在进行传播的过程中不需要考虑反射声波的干扰，因此可以通过提高信噪比提高精度；而本发明是采用声波在有限的空间内进行测速和定位，同时在该有限空间内充满了烷基苯介质，因此必须将声波的信噪比控制在大于6dB范围内，这样反射声波的干扰相对于测试声波才能够忽略，不会对测试声波造成干扰，进而影响定位精度。
本发明在内径为30米的充满烷基苯介质的球形容器内表面布置8只接收换能器，在ROV上布置发射换能器；8只接收换能器构成立方体的8个顶点，同一水平面内沿周向均匀布置的A、B、C、D共计4只接收换能器，分别位于第1、2、3、4象限，在其铅垂方向对应4只换能器a、b、c、d，采用这种阵列方式能够达到定位系统的误差精度指标要求；由于在烷基苯介质内对辐射的要求较高，如果辐射超标会影响对中微子的探测，在本发明中8个接收换能器的设定能够将辐射控制在标准要求以下，保证了中微子探测不受干扰。
通常情况下最小二乘应用于线性拟合中，解决的是离散点的线性化问题；而本发明通过最小二乘优化ROV的空间定位坐标精度，将空间上离散点的拟合应用到烷基苯介质中的定位；仿真结果表明，在阵元位置最大误差控制在8mm以内，整体定位误差可以达到25mm以内，航行器x和y坐标的定位误差可以达到25mm内。按照一定的优化准则对ROV的位置精度进行优化，可以在30米球范围内，达到对ROV位置的距离测量误差精度不大于30cm(单坐标方向)。
附图说明
图1球内正立方体布阵模型示意图；
图2中微子探测试验装置示意图；
图3JUNO定位系统示意图；
图4测距原理；
图5声波幅度导致的计时误差示意图；
图6空间几何定位原理图；
图7单点角度误差示意图；
图8系统模块组成示意图；
图9系统硬件组成；
图10试验布局示意图；
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参照图3、图8、图9所示，本发明一种烷基苯介质中的声源精确定位装置，包括主控计算机、接口分机、发射换能器和接受换能器，各部分之间通过电缆连接；所述电缆为多芯电缆，通过绞车收放并调节长度。
所述主控计算机包括显控模块和综合处理模块，同时作为作为数据处理及命令中心；显控模块用于实现定位系统的综合人机交互，包括目标定位信息的显示和ROV传感器参数的显示，具体用于设定发射、接收模块相关参数和ROV运行轨迹。综合处理模块用于实现定位系统的核心控制和定位解算功能，包括距离信息解算、位置信息解算、发射接收模块控制，实现与ROV系统的综合通信，以及与上位机系统的综合通信。
所述接口分机包括信号产生模块和信号接收模块，信号产生模块用于实现发射信号波形的产生及驱动发射，信号接收模块用于实现接收信号的预处理及信号检波；主要完成如下功能：
发送控制命令，经由发射匹配电路，通过电缆使ROV上的发射换能器发射超声波，包含相应的控制电路，使得信号发生源产生的电信号在传输给换能器时可以更加稳定，减小错误信号的概率。
标定工况下，经由发射匹配电路，通过钢丝缆使钢丝缆末端的发射换能器发射超声波信号。
接收多路(暂定为12通道，按16通道设计)接收传感器(安装在大球内壁的接收换能器)回波信号，对多路信号进行信号预处理，包括对信号的滤波、放大、信号检波等，并将每路信号对应的触发脉冲回送给主控计算机。
发射换能器将接口分机提供的电信号转换为声信号，实现超声波信号的发射。接收换能器将接收到的超声波信号转换为电信号，进行初级放大后送给接口分机。
所述发射换能器设置于被定位的ROV上，ROV位于充满烷基苯介质的球形容器内；发射换能器按照设定周期，定时发射声学信标信号，利用授时同步装置，同时检测记录到达接收换能器的信号的时刻；
通过主控计算机给ROV系统的控制命令及姿态信息、给接口分机的命令、ROV位置信息显示、ROV姿态显示、辅助信息显示及ROV相关信息同步发送给上位机。
完成计算ROV的位置、姿态；将目标点位置信息并将有关命令发送给ROV系统实现ROV运动的控制。
参照图1所示，8个所述接受换能器均布于充满烷基苯介质的球形容器(参照图2所示)内壁上，阵列位置分别位于空间立方体的8个顶点处，用于接收来自发射换能器的声学信号。
采用本发明烷基苯介质中的声源精确定位装置进行定位的方法，具体步骤如下：
步骤一：在所述显控模块的人机交互界面输入希望ROV到达的目标位置点；
步骤二：通过所述综合处理模块调用信号产生模块，以驱动发射换能器发射超声波信号；然后由接收换能器接收超声波信号，并通过信号接收模块对超声波信号进行处理；
步骤三：通过综合处理模块对步骤二处理后的接收信号进行时延估计，并根据多组时延信息解算发射换能器与接收换能器之间距离；
发射换能器与接收换能器之间距离的计算方法，参照图4所示原理，发射换能器向外发射声波，接收换能器接收声波，利用授时同步装置，检测记录到达接收换能器信号的时刻，得到所述发射换能器发射声波与接收换能器接收声波的时间差为t，接收时间是由接收信号幅值超过门限阈值的时刻确定；通过公式Si＝υti,i＝1,2,3...8,计算出发射换能器和第i个接收换能器之间的距离Si，其中，υ是声波在介质中的传播速度，ti表示发射换能器发射声波信号与第i个接收换能器接收声波信号的时间差。
参照图5所示，由于测量距离、超声波的入射角度、声传播介质等方面的不同，使得接收换能器所获得的声波幅度相差很大，由于声波幅度的差异带来的计时误差。在同样阈值条件下，幅度不同的声波的到达时刻存在计时差别t2-t1，导致的计时误差最终会耦合到测距误差中。为了减小有门限阈值差异造成的计时误差，提高测距精度，我们采用了自适应门限阈值调节技术，通过先获取信号幅度大小，再根据信号幅度高低按2/3峰值幅度设立门限的方法，将计时差别尽可能缩减为0，以保证测距精度。
所述声波在介质中的传播速度υ，随着深度不同而变化，首先测量声波从发射换能器发射速度υ0和第i个接收换能器的接收速度υti,然后求平均值得到传播速度υ，再通过以下公式计算出发射换能器和第i个接收换能器之间的距离Si：
步骤四：由综合处理模块根据多组发射换能器与接收换能器之间距离的信息解算当前ROV所在位置与姿态；
将8个接收换能器布置在大球内的8个位置(坐标已知)，需要计算ROV的位置时，通过ROV上的发射换能器(定位声源)发射声信号，声信号经过传播到达预先布置好的多个接收换能器上，通过判断声波到达的时刻和声信号发出时刻的时间差来解算出定位声源到各个不同的接收换能器上的距离，再通过多组距离信息和接收换能器位置坐标点的位置信息来解算出发射声源(即ROV)当前所在位置信息。
参照图6所示，定位原理采用基本的几何空间定位方法来实现对目标的坐标定位。图中有三个不同的参考点Pi(xi,yi,zi)，(i＝1,2,3)，要得到目标点的位置T(x,y,z)，只要通过计算信号在两个节点T和Pi之间的传播时间差进而得到节点之间的距离Ri＝D(T,Pi)，通过目标节点和已知参考点之间的距离关系，得到下列方程组，解算出方程组中的(x,y,z)，即得到了目标点位置，实现了目标定位。
具体计算为：设定充满烷基苯介质的球形容器的球心为坐标系的中点，令ROV的当前位置坐标为(x,y,z，对位置坐标采用最小二乘算法进行求解，求
的极小点即下式，就是航行器的x、y、z的位置坐标；
其中A，b通过4个接收点和对应的4组距离信息构成
随后采用模拟退火方法求当前位置信息的最优解，用于定位的模拟退火算法求解最小值F的函数为：
其中(x,y,z)为当前位置坐标，(xi,yi,zi)为第i个阵元的坐标，si为第i个接收换能器接收到的时延对应的距离；
通过迭代获取目标函数F的最小值即得到最优解，使得接收换能器位置的最大误差控制在8mm以内，整体定位误差达到25mm以内，ROV的x和y坐标的定位误差达到25mm内。
参照图7所示，ROV姿态确定:由于整个测试场内实施了地磁屏蔽，ROV的姿态只能通过外测法给出，对于竖筒形ROV，拟在其壳体表面以上、沿其轮廓边沿、以中心对称方式布置4只发射换能器，在中心再布置1只发射换能器，5只换能器构成平面发射换能器阵。通过对发射换能器阵的定位测试、与自带高精度压力传感器(精度0.02％)组合的测试配合，即可获得ROV的位置和姿态。由于对称布置的4只姿态测试换能器的测试位置中心可与中心声源定位换能器的测试位置相互参验，即可提高ROV位置测试的精度，而4只换能器的测试位置可以给出ROV的姿态信息，由于ROV对于姿态信息的精度要求不高，该方案能够满足ROV位置和姿态的测试要求。
以ΔΣ＝30mm的位置测试误差估算ROV的水平姿态角度，设ROV半径为0.15m，单点角度误差示意如图4所示，单点最大角度误差为：
通过5个测点复合最小二乘法估算，姿态误差可按照10°给出，可满足ROV运动解算要求。
步骤五：综合处理模块将步骤四中得到的ROV当前位置和姿态，以及步骤一中目标位置点下达给ROV系统控制，ROV系统向目标位置移动；
步骤六：ROV到达目标位置附近后，再次进行位置与姿态解算，直至ROV系统在目标位置稳定悬停，最后将当前目标位置发送给定位装置的上位机。
参照图10所示的水池测试：通过本试验验证声学定位系统(以下简称“定位系统”)测距、定位工作原理，验证定位方法的有效性，检验是否可以达到定位精度，并提出系统改进建议。
试验中采用的声学中心频率为150kHz，与实际定位系统保持一致，使用4个接收水听器(单层)和1个发射换能器进行测距定位试验，且位置需用光学标定装置准确标定；要求接收水听器的布放位置与实际采用阵型类似；光学标定装置与定位系统的测距定位结果，分析误差产生原因。
试验原理
1、测距试验
在水池中通过光学标定装置实现声源与水听器的精确位置布放，得到准确的声源与水听器之间的距离，通过定位系统实现对距离的测量。记录多组距离测量结果，分析系统测距性能。
2、定位试验
在水池中通过光学标定装置实现声源与4个换能器的精确位置布放，得到准确的声源与4个换能器的空间坐标(建立x,y,z坐标)，通过定位系统实现对4组距离(声源至4个换能器)的测量。得到4组距离信息后通过水听器坐标进行声源坐标的解算，并与光学标定声源坐标进行比对，获得定位误差信息。保持4个换能器的坐标不变，改变声源的坐标，进行多次定位试验，验证定位效果。
3、试验布局图
试验设备连接示意图如图9所示，试验中共用到4个接收换能器和1个发射换能器，4个接收换能器的布放位置如图所示，构成了一个基本位于同一平面的矩形接收阵，接收阵长约7m，宽约6.7m，发射换能器可以随意更换位置。参考原点如图中红点所示，位于图中左上角。
4、试验步骤
布放4个接收换能器和1个发生换能器，连接定位系统及示波器等，调试设备，保证系统工作正常；使用光学标定装置建立坐标系并标定4个接收换能器的位置(坐标如图10所示)；布放发射换能器，使用光学标定装置标定发射换能器的位置坐标；使用定位系统测量发射换能器产生的声信号传播到4个接收换能器的时间，解算出4组距离信息；更换发射换能器的位置，分别使用光学标定装置和定位系统进行多次测量，完成数据记录。
5、试验数据分析
测距结果分析
本次试验中发射换能器更换了6次位置，4个接收换能器共得到了24组测距结果如下表所示：
表1发射换能器位于第1个位置处的测距结果
表2发射换能器位于第2个位置处的测距结果
表3发射换能器位于第3个位置处的测距结果
表4发射换能器位于第4个位置处的测距结果
表5发射换能器位于第5个位置处的测距结果
表6发射换能器位于第6个位置处的测距结果
表7测距误差与距离的关系
从表1～6的数据可以看出，定位系统测距的稳定性很好，测距标准差基本保持在1mm以内，最大标准差不超过4mm。与光学定标系统的测距结果之间的误差主要是由于选用的声速值与真实声速之间存在差异造成的，本次试验中选用的声速值为1488m/s。
从表7可以看出，测距误差基本上是随着距离的增大而增大，这是因为信号幅度随着距离的增加而减弱，本次试验采用固定门限来确定信号到达时刻，当信号减弱时，检测门限过高会使检测到的信号到达时刻滞后，因此测距误差增大。由于各个水听器的接收灵敏度不同，因此在相同距离上的误差大小不同。
6、定位结果分析
引起定位系统的位置解算误差的因素包括水中的实时声速误差、发射到接收所经历的时间误差、以及试验过程中的随机误差(包括光学定标误差及布放装置误差等)。
试验中最主要的误差是由声速误差引起的，本次试验中将所有误差通过声速修订进行补偿，补偿方法如下：定位系统获得的原始数据是超声波从发射到接收所经历的时间T，通过光学标定距离S/时间T得到修订声速C，求平均后得到C’作为实时声速使用，得到修订距离S’，最终通过修订距离S’来进行发射源位置解算，声速修订见表8～11，定位结果及误差见表12和表13。
表8接收1距离修订
表9接收2距离修订
表10接收3距离修订
表11接收4距离修订
表12定位结果
表13定位误差
从表13可以看出，通过最简单的误差修正，获得的x，y坐标误差基本控制在20mm以内，(x，y)的总体误差基本控制在30mm以内。在z坐标上由于4个接收点基本位于同一水平面内，z方向没有足够的孔径，因此误差较大，实际中采用立方体阵型，误差应能够得到有效控制。
7、试验结论
测距结果具有很好的稳定性，修正后的测距误差基本控制在20mm以内，在x，y方向上的总体定位误差，可以控制在30mm以内，满足ROV的精确定位要求。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种烷基苯介质中的声源精确定位装置，其特征在于：包括主控计算机、接口分机、发射换能器和接受换能器，各部分之间通过电缆连接；
所述主控计算机包括显控模块和综合处理模块，显控模块用于实现定位系统的综合人机交互，综合处理模块用于实现定位系统的核心控制和定位解算功能；
所述接口分机包括信号产生模块和信号接收模块，信号产生模块用于实现发射信号波形的产生及驱动发射，信号接收模块用于实现接收信号的预处理及信号检波；
所述发射换能器设置于被定位的ROV上，ROV位于充满烷基苯介质的球形容器内；发射换能器按照设定周期，定时发射声学信标信号，利用授时同步装置，同时检测记录到达接收换能器的信号的时刻；
8个所述接受换能器均布于充满烷基苯介质的球形容器内壁上，阵列位置分别位于空间立方体的8个顶点处，用于接收来自发射换能器的声学信号。
2.根据权利要求1所述烷基苯介质中的声源精确定位装置，其特征在于：所述电缆为多芯电缆，通过绞车收放并调节长度。
3.根据权利要求1所述烷基苯介质中的声源精确定位装置，其特征在于：所述显控模块包括目标定位信息的显示和ROV传感器参数的显示，用于设定发射、接收模块相关参数和ROV运行轨迹。
4.根据权利要求1所述烷基苯介质中的声源精确定位装置，其特征在于：所述综合处理模块包括距离信息解算、位置信息解算、发射接收模块控制，实现与ROV系统的综合通信，以及与上位机系统的综合通信。
5.一种采用权利要求1所述烷基苯介质中的声源精确定位装置进行定位的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：在所述显控模块的人机交互界面输入希望ROV到达的目标位置点；
步骤二：通过所述综合处理模块调用信号产生模块，以驱动发射换能器发射超声波信号；然后由接收换能器接收超声波信号，并通过信号接收模块对超声波信号进行处理；
步骤三：通过综合处理模块对步骤二处理后的接收信号进行时延估计，并根据多组时延信息解算发射换能器与接收换能器之间距离；
步骤四：由综合处理模块根据多组发射换能器与接收换能器之间距离的信息解算当前ROV所在位置与姿态；
步骤五：综合处理模块将步骤四中得到的ROV当前位置和姿态，以及步骤一中目标位置点下达给ROV系统控制，ROV系统向目标位置移动；
步骤六：ROV到达目标位置附近后，再次进行位置与姿态解算，直至ROV系统在目标位置稳定悬停，最后将当前目标位置发送给定位装置的上位机。
6.根据权利要求5所述烷基苯介质中的声源精确定位装置进行定位的方法，其特征在于：所述步骤三中发射换能器与接收换能器之间距离的计算方法：利用授时同步装置，检测记录到达接收换能器信号的时刻，得到所述发射换能器发射声波信号与接收换能器接收声波信号的时间差t，接收时间为接收信号幅值到达门限阈值的时刻；
然后，通过公式Si＝υti,i＝1,2,3...8,计算出发射换能器和第i个接收换能器之间的距离Si，其中，υ是声波在介质中的传播速度，ti表示发射换能器发射声波信号与第i个接收换能器接收声波信号的时间差。
7.根据权利要求6所述烷基苯介质中的声源精确定位装置进行定位的方法，其特征在于：所述门限阈值为自适应门限阈值，首先获取发射换能器发射信号的幅度，再将发射信号幅度高低的2/3峰值幅度设为门限阈值。
8.根据权利要求6所述烷基苯介质中的声源精确定位装置进行定位的方法，其特征在于：所述声波在介质中的传播速度υ，随着深度不同而变化，首先测量声波从发射换能器发射速度υ0和第i个接收换能器的接收速度υti,然后求平均值得到传播速度υ，再通过以下公式计算出发射换能器和第i个接收换能器之间的距离Si：
9.根据权利要求5所述烷基苯介质中的声源精确定位装置进行定位的方法，其特征在于：步骤四中，根据测得的ROV上发射换能器和接收换能器之间的距离，和对应的几何位置，实时获得ROV的精确空间位置；设定充满烷基苯介质的球形容器的球心为坐标系的中点，令ROV的当前位置坐标为(x,y,z)，对位置坐标采用最小二乘算法进行求解，求f(X)＝(AX-b)T(AX-b)的极小点即下式，就是航行器的x、y、z的位置坐标；
其中A，b通过4个接收点和对应的4组距离信息构成
随后采用模拟退火方法求当前位置信息的最优解，用于定位的模拟退火算法求解最小值F的函数为：
其中(x,y,z)为当前位置坐标，(xi,yi,zi)为第i个阵元的坐标，si为第i个接收换能器接收到的时延对应的距离；
通过迭代获取目标函数F的最小值即得到最优解，使得接收换能器位置的最大误差控制在8mm以内，整体定位误差达到25mm以内，ROV的x和y坐标的定位误差达到25mm内。
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