CN112904345A - 定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定位技术领域，公开了一种定位系统及定位方法。本发明的定位系统包括环形发射器阵列，环形接收器阵列，以及定位器；其中，环形发射器阵列用于向目标物体发射多个涡旋波信号，以使多个涡旋波信号到达目标物体时，产生多个携带反馈相位信息的反射回波信号，其中多个涡旋波信号的发射频率相同，且多个涡旋波信号所携带的初始相位信息不同；环形接收器阵列用于接收多个携带反馈相位信息的反射回波信号；定位器用于根据多个携带反馈相位信息的反射回波信号，获得目标物体的目标位置信息；解决了现有技术中采用现有的水下定位方法，获得目标物体的位置信息的精确性较差的问题。

Description

定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种定位系统及定位方法。

背景技术

在水下目标物体的定位领域中，公布了一种水下定位方法，通过接收水听 器阵列形成波束，并向目标物体发射波束，接收水听器阵列接收目标物体基于 波束的回波后，根据回波获得目标物体的位置信息。

但是，采用现有的水下定位方法，获得的位置信息仅是目标物体大概的位 置信息，即获得目标物体的位置信息的精确性较差。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种定位系统和方法，旨在解决现有技术中采用 现有的水下定位方法，获得目标物体的位置信息的精确性较差的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种定位系统，所述定位系统包括：

环形发射器阵列，环形接收器阵列，以及定位器；

所述环形发射器阵列，用于向目标物体发射多个涡旋波信号，以使所述多 个涡旋波信号到达所述目标物体时，产生多个携带反馈相位信息的反射回波信 号；其中，多个所述涡旋波信号的发射频率相同，且多个所述涡旋波信号所携 带的初始相位信息不同；

所述环形接收器阵列，用于接收所述多个携带反馈相位信息的反射回波信 号；

所述定位器，用于根据所述多个携带反馈相位信息的反射回波信号，获得 所述目标物体的目标位置信息。

可选的，

所述环形发射器阵列，还用于向目标物体发射多种阶数的多个所述涡旋波 信号，以使多种阶数的多个所述涡旋波信号到达所述目标物体时，产生多种阶 数的多个携带反馈相位信息的反射回波信号；

所述环形接收器阵列，还用于接收所述多种阶数的多个携带反馈相位信息 的反射回波信号；

所述定位器，还用于根据所述多种阶数的多个携带反馈相位信息的反射回 波信号，获得所述目标物体的目标位置信息。

可选的，

所述环形发射器阵列包括多个发射器，所述环形接收器阵列包括多个接收 器；其中，每个发射器按照预设排列规则在所述环形发射器阵列中进行排列， 每个接收器按照所述预设排列规则在所述环形接收器阵列中进行排列。

可选的，

所述每个发射器等间距地分布在所述环形发射器阵列中；

和，

所述每个接收器等间距地分布在所述环形接收器阵列中。

可选的，所述环形发射器阵列，还用于：

获取所述每个发射器在所述环形发射器阵列的排列信息，所述环形发射器 阵列包括的发射器的总个数，以及轨道角动量阶数；

根据所述每个发射器在所述环形发射器阵列的排列信息，所述总个数，以 及所述轨道角动量阶数，获得所述每个发射器的初始相位信息；

确定所述每个发射器的发射频率；其中，所述每个发射器的发射频率相同；

向目标物体发射所述每个发射器对应的发射频率和初始相位信息的涡旋波 信号。

可选的，所述定位器，还用于：

获取携带反射相位信息的多个反射回波信号；

对所述多个反射回波信号进行移相处理，获得多个移相结果信息；

对所述多个移相结果信息进行求和，获得信号幅值；

根据所述信号幅值，获得所述目标物体的目标位置信息。

可选的，所述定位器，还用于：

获取所述每个接收器在所述环形接收器阵列的排列信息，所述每个接收器 的坐标位置信息，以及轨道角动量阶数；

根据所述每个接收器在所述环形接收器阵列的排列信息，所述每个接收器 的坐标位置信息，以及所述轨道角动量阶数，对所述多个反射回波信号进行移 相处理，获得多个移相结果信息。

可选的，所述定位器，还用于：

根据所述信号幅值，获得波束信息图；

从所述波束信息图中，获得最高峰值对应的俯仰角和方位角；

将所述俯仰角和方位角确定为所述目标物体的目标位置。

此外，为实现上述目的，本发明还提出了一种定位方法，应用于如上所述 的定位系统，所述定位方法包括以下步骤：

利用所述环形发射器阵列向目标物体发射多个涡旋波信号，以使所述多个 涡旋波信号到达所述目标物体时，产生多个携带反馈相位信息的反射回波信号； 其中，多个所述涡旋波信号的发射频率相同，且多个所述涡旋波信号所携带的 初始相位信息不同；利用所述环形接收器阵列接收所述多个携带反馈相位信息 的反射回波信号；

利用所述定位器根据所述多个携带反馈相位信息的反射回波信号，获得所 述目标物体的目标位置信息。

可选的，

所述利用所述环形发射器阵列向目标物体发射多个涡旋波信号，以使所述 多个涡旋波信号到达所述目标物体时，产生多个携带反馈相位信息的反射回波 信号的步骤，包括：

利用所述环形发射器阵列向目标物体发射多种阶数的多个涡旋波信号，以 使多种阶数的多个所述涡旋波信号到达所述目标物体时，产生多种阶数的多个 携带反馈相位信息的反射回波信号；

所述利用所述环形接收器阵列接收所述多个携带反馈相位信息的反射回波 信号的步骤，包括：

利用所述环形接收器阵列接收所述多种阶数的多个携带反馈相位信息的反 射回波信号；

所述利用所述定位器根据所述多个携带反馈相位信息的反射回波信号，获 得所述目标物体的目标位置信息的步骤，包括：

利用所述定位器根据所述多种阶数的多个携带反馈相位信息的反射回波信 号，获得所述目标物体的目标位置信息。

本发明技术方案提出了一种定位系统和定位方法，定位系统包括环形发射 器阵列，环形接收器阵列，以及定位器；其中，环形发射器阵列用于向目标物 体发射多个涡旋波信号，以使多个涡旋波信号到达目标物体时，产生多个携带 反馈相位信息的反射回波信号，其中多个涡旋波信号的发射频率相同，且多个 涡旋波信号所携带的初始相位信息不同；环形接收器阵列用于接收多个携带反 馈相位信息的反射回波信号；定位器用于根据多个携带反馈相位信息的反射回 波信号，获得目标物体的目标位置信息；解决了现有技术中采用现有的水下定 位方法，获得目标物体的位置信息的精确性较差的问题。

也即本发明技术方案中，环形发射器阵列发射多个涡旋波，且发射的多个 涡旋波携带着不同的初始相位信息，从而环形接收器阵列接收到该涡旋波反射 回的回波信号也携带着不同的反馈相位信息，因此可以根据该携带着不同反馈 相位信息的多个回波信号精确获得目标物体的目标位置信息，相对于现有技术 而言，提升了获得目标物体的位置信息的精确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例方案涉及的定位器结构示意图；

图2为本发明定位系统第一实施例的结构框图；

图3为本发明环形发射器阵列中每个发射器等间距分布的示意图；

图4为本发明环形接收器阵列中每个接收器等间距分布的示意图；

图5为本发明轨道角动量拓扑阶数的示意图；

图6为本发明环形接收器阵列接收携带反馈相位信息的反射回波信号的示 意图；

图7-1为现有技术中采用现有的环形阵列水下定位方法的波束图；

图7-2为采用本发明环形阵列涡旋波的波束图；

图8为本发明定位方法第一实施例的流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说 明。

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的一部分实施例，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作出创 造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的定位器结构示意图。

定位器可以是移动电话、智能电话、笔记本电脑、数字广播接收器、个人 数字助理(PDA)、平板电脑(PAD)等用户设备(User Equipment，UE)、手持设备、 车载设备、可穿戴设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其它处理设备、 移动台(Mobile station，MS)等。定位器可能被称为用户定位器、便携式定位器、 台式定位器等。

通常，定位器包括：至少一个处理器301、存储器302以及存储在存储器上 并可在处理器上运行的定位程序，定位程序配置为实现如前的定位方法的步骤。

处理器301可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器 等。处理器301可以采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、 FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器301也可 以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理 的处理器，也称CPU(CentralProcessingUnit，中央处理器)；协处理器是用于对 在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器301 可以在集成有GPU(Graphics Processing Unit，图像处理器)，GPU用于负责显示 屏所需要显示的内容的渲染和绘制。处理器301还可以包括AI(Artificial Intelligence，人工智能)处理器，该AI处理器用于处理有关定位方法操作，使得 定位方法模型可以自主训练学习，提高效率和准确度。

存储器302可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介 质可以是非暂态的。存储器302还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存 储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。在一些实施例中，存储 器302中的非暂态的计算机可读存储介质用于存储至少一个指令，该至少一个指 令用于被处理器301所执行以实现本申请中方法实施例提供的定位方法。

在一些实施例中，定位器还可选包括有：通信接口303和至少一个外围设备。 处理器301、存储器302和通信接口303之间可以通过总线或信号线相连。各个外 围设备可以通过总线、信号线或电路板与通信接口303相连。具体地，外围设备 包括：射频电路304、显示屏305和电源306中的至少一种。

通信接口303可被用于将I/O(Input/Output，输入/输出)相关的至少一个外围 设备连接到处理器301和存储器302。在一些实施例中，处理器301、存储器302 和通信接口303被集成在同一芯片或电路板上；在一些其他实施例中，处理器301、 存储器302和通信接口303中的任意一个或两个可以在单独的芯片或电路板上实 现，本实施例对此不加以限定。

射频电路304用于接收和发射RF(Radio Frequency，射频)信号，也称电磁信 号。射频电路304通过电磁信号与通信网络以及其他通信设备进行通信。射频电 路304将电信号转换为电磁信号进行发送，或者，将接收到的电磁信号转换为电 信号。可选地，射频电路304包括：天线系统、RF收发器、一个或多个放大器、 调谐器、振荡器、数字信号处理器、编解码芯片组、用户身份模块卡等等。射 频电路304可以通过至少一种无线通信协议来与其它定位器进行通信。该无线通 信协议包括但不限于：城域网、各代移动通信网络(2G、3G、4G及5G)、无线局 域网和/或WiFi(Wireless Fidelity，无线保真)网络。在一些实施例中，射频电路 304还可以包括NFC(Near Field Communication，近距离无线通信)有关的电路， 本申请对此不加以限定。

显示屏305用于显示UI(User Interface，用户界面)。该UI可以包括图形、文 本、图标、视频及其它们的任意组合。当显示屏305是触摸显示屏时，显示屏305 还具有采集在显示屏305的表面或表面上方的触摸信号的能力。该触摸信号可以 作为控制信号输入至处理器301进行处理。此时，显示屏305还可以用于提供虚 拟按钮和/或虚拟键盘，也称软按钮和/或软键盘。在一些实施例中，显示屏305 可以为一个，电子设备的前面板；在另一些实施例中，显示屏305可以为至少两 个，分别设置在电子设备的不同表面或呈折叠设计；在一些实施例中，显示屏 305可以是柔性显示屏，设置在电子设备的弯曲表面上或折叠面上。甚至，显示 屏305还可以设置成非矩形的不规则图形，也即异形屏。显示屏305可以采用LCD(LiquidCrystal Display，液晶显示屏)、OLED(Organic Light-Emitting Diode, 有机发光二极管)等材质制备。

电源306用于为电子设备中的各个组件进行供电。电源306可以是交流电、 直流电、一次性电池或可充电电池。当电源306包括可充电电池时，该可充电电 池可以支持有线充电或无线充电。该可充电电池还可以用于支持快充技术。

本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对定位器的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

此外，本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介 质上存储有定位程序，定位程序被处理器执行时实现如上文的定位方法的步骤。 因此，这里将不再进行赘述。另外，对采用相同方法的有益效果描述，也不再 进行赘述。对于本申请所涉及的计算机可读存储介质实施例中未披露的技术细 节，请参照本申请方法实施例的描述。确定为示例，程序指令可被部署为在一 个定位器上执行，或者在位于一个地点的多个定位器上执行，又或者，在分布 在多个地点且通过通信网络互连的多个定位器上执行。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程， 是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述的程序可存储于一计算 机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。 其中，上述的计算机可读存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

请参见图2所示，图2为本发明定位系统第一实施例的结构框图。

本实施例中的定位系统包括：环形发射器阵列10、环形接收器阵列20，以 及定位器30；

环形发射器阵列10，用于向目标物体发射多个涡旋波信号，以使多个涡旋 波信号到达目标物体时，产生多个携带反馈相位信息的反射回波信号；其中， 多个涡旋波信号的发射频率相同，且多个涡旋波信号所携带的初始相位信息不 同；

环形接收器阵列20，用于接收多个携带反馈相位信息的反射回波信号；

定位器30，用于根据多个携带反馈相位信息的反射回波信号，获得目标物 体的目标位置信息。

需要说明的是，本实施例中的环形发射器阵列10和环形接收器阵列20所 提及的“环形”可以是圆环形、椭圆环形等，在实际应用中，可以根据具体应 用场景做灵活调整。

应当明确的是，本实施例中的环形发射器阵列10包括多个发射器，其中发 射器可以是换能器；在实际应用中，环形发射器阵列10包括的发射器可以根据 具体应用场景做灵活调整。其中，环形发射器阵列10用于向目标物体发射多个 涡旋波信号，其中多个涡旋波信号的发射频率相同，且多个涡旋波信号所携带 的初始相位信息不同，指的是环形发射器阵列10向目标物体发射发射频率相同， 但初始相位信息不同的多个涡旋波信号。

应当明确的是，本实施例中的环形接收器阵列30包括多个接收器，其中接 收器可以是接收水听器；在实际应用中，环形接收器阵列30包括的接收器可以 根据具体应用场景做灵活调整。其中，由于环形发射器阵列10向目标物体发射 发射频率相同，但初始相位信息不同的多个涡旋波信号，相应地，环形接收器 阵列20接收到的是携带不同反馈相位信息的多个反射回波信号。

需要说明的是，本实施例中的环形发射器阵列10包括的多个发射器是按照 预设排列规则在环形发射器阵列中进行排列，以及环形接收器阵列30包括的多 个接收器同样是按照预设排列规则在环形接收器阵列中进行排列；在实际应用 中，预设排列规则可以根据具体应用场景做灵活调整。

本实施例中，每个发射器可以等间距地分布在环形发射器阵列10中，例如 请参见图3所示，为每个发射器等间距地分布在环形发射器阵列中的示意图。 相应地，本实施例中，每个接收器可以等间距地分布在环形接收器阵列20中， 例如请参见图4所示，为每个接收器等间距地分布在环形接收器阵列中的示意 图。同时，在图3和图4中的圆心位置建立了坐标系，每个发射器与每个接收 器的坐标位置相同，即环形发射器阵列10和环形接收器阵列20完全重合；在 实际应用中，可以根据具体应用场景做灵活调整。

在一些示例中，每个发射器不等间距地分布在环形发射器阵列中；具体地， 可以是以其中某一个发射器为基准，按照每相邻一个依次增加或减少间隔距离， 或者也可以是随机生成的多个不同的间隔距离，进而根据该多个不同的间隔距 离，实现不等间距地分布在环形发射器阵列中。相应地，在一些示例中，每个 接收器不等间距地分布在环形接收器阵列中；具体地，可以是以其中某一个接 收器为基准，按照每相邻一个依次增加或减少间隔距离，或者也可以是随机生 成的多个不同的间隔距离，进而根据该多个不同的间隔距离，实现不等间距地 分布在环形发射器阵列中。

可以理解的是，携带轨道角动量的涡旋声场其典型特征表现为沿角度方向 呈现出的螺旋状分布的相位、位于声场轴向中心处的相位奇点，以及沿着轴中 心对称的场强分布；其所携带的轨道角动量通常用拓扑阶数来表征，体现了涡 旋声场相位扭曲的程度，例如请参见如图5所示，分别为轨道角动量拓扑阶数 为2，4和8阶的涡旋声场的示意图。因此，本实施例中可以发射出多种不同阶 数的涡旋波，从而以得到多种阶数的反射回波信号，并根据多种阶数的反射回 波信号获得目标物体的目标位置信息，从而以进一步提升获得的目标物体的位 置信息的精确性。

具体地：

环形发射器阵列10，还用于向目标物体发射多种阶数的多个涡旋波信号， 以使多种阶数的多个涡旋波信号到达目标物体时，产生多种阶数的多个携带反 馈相位信息的反射回波信号；

环形接收器阵列20，还用于接收多种阶数的多个携带反馈相位信息的反射 回波信号；

定位器30，还用于根据多种阶数的多个携带反馈相位信息的反射回波信号， 获得目标物体的目标位置信息。

应当明确的是，环形发射器阵列可以每次发射一种阶数的涡旋波，同时环 形接收器阵列接收一种阶数的反射回波；在实际应用中，为了保证获得的目标 物体的目标位置信息精确性更高，需要利用环形发射器阵列进行多次涡旋波的 发射，每次发射不同种阶数的涡旋波，以使环形接收器阵列接收不同种阶数的 反射回波。例如，环形发射器阵列分别发射6次，即发射了6种阶数的涡旋波， 环形接收器阵列接收6次，即接收到6种阶数的反射回波。

在本实施例中，环形发射器阵列10，还可以用于：

首先，获取每个发射器在环形发射器阵列的排列信息，环形发射器阵列包 括的发射器的总个数，以及轨道角动量阶数；

然后，根据每个发射器在环形发射器阵列的排列信息，总个数，以及轨道 角动量阶数，获得每个发射器的初始相位信息；

其次，确定每个发射器的发射频率；其中，每个发射器的发射频率相同；

最后，向目标物体发射每个发射器对应的频率和初始相位信息的涡旋波信 号。

应当明确的是，环形发射器阵列10发射涡旋波信号，即为环形发射器阵列 10包含的发射器发射涡旋波信号，因此，需要先获得每个发射器的初始相位信 息，具体地，每个发射器的初始相位信息与其所处环形发射器阵列的位置信息、 环形发射器阵列包括的发射器的总个数，以及轨道角动量阶数相关；其中，不 同发射器所处环形发射器阵列的位置信息不同，因此不同发射器的初始相位信 息也是不同的；然后在获得每个发射器的初始相位信息之后，确定出每个发射 器对应的发射频率，其中每个发射器对应的发射频率相同，即发射频率为同一 频率，这样能够避免由于发射频率不同造成的干扰；进而每个发射器以相同的 发射频率向目标物体发射其对应的初始相位信息的涡旋波信息。

具体地，可以通过如下方式获得涡旋波信号：

请再参见图3所示，携带有轨道角动量的涡旋声场的发射由图1所示的环形发射器阵列完成，其中共N个换能器等间距地排布在半径为a的圆周上，圆心为坐标原点，所有阵元位于同一平面。

具体地，先计算得到第n个换能器的方位角为φ_n＝2πn/N，进而根据该方位 角计算得到第n个换能器的初始相位信息

进而再根据该初始相位信 息计算得到第n个换能器的涡旋波信号为

相应地，可以计 算得到共N个换能器发射的涡旋波信号，从而进行发射。

其中，第n＝1个换能器位于圆环和x轴的交界处，N为环形发射器阵列包含 的换能器的总个数，α为轨道角动量的阶数，t为发射的时刻，exp为指数函数， i为复数单位，f为信号频率。

值得注意的是，涡旋波信号的获得方式并不局限于上述的具体示例，在实 际应用中，可以根据具体应用场景做灵活调整。

在本实施例中，定位器30，还可以用于：

首先，获取携带反射相位信息的多个反射回波信号；

然后，对多个反射回波信号进行移相处理，获得多个移相结果信息；

其次，对多个移相结果信息进行求和，获得信号幅值；

最后，根据信号幅值，获得目标物体的目标位置信息。

应当明确的是，由于环形发射器阵列10与环形接收器阵列20相对应，环 形发射器阵列10包含的多个发射器发射涡旋波，环形接收器阵列20包含的多 个接收器便接收到多个反射回波信号；因此，定位器30需要先从环形接收器阵 列20处获取得到携带反射相位信息的多个反射回波信号，然后对获取得到携带 反射相位信息的多个反射回波信号进行移相处理，获得多个移相结果信息，并 进一步对多个移向结果信息进行求和，获得信号幅值，进而根据信号幅值，获 得目标物体的目标位置信息；其中目标物体的目标位置信息包括但不限于方位 角、俯仰角和距离的三维信息。

在一些示例中，定位器30用于对多个反射回波信号进行移相处理，获得多 个移相结果信息，可以是：

首先，获取每个接收器在环形接收器阵列的排列信息，每个接收器的坐标 位置信息，以及轨道角动量阶数；

然后，根据每个接收器在环形接收器阵列的排列信息，每个接收器的坐标 位置信息，以及轨道角动量阶数，对多个反射回波信号进行移相处理，获得多 个移相结果信息。

应当明确的是，定位器30对多个反射回波信号进行移相处理与每个接收器 在环形接收器阵列的排列信息，接收器的坐标位置信息，以及轨道角动量阶数 相关；因此，需要先获取每个接收器在环形接收器阵列的排列信息，每个接收 器的坐标位置信息，以及轨道角动量阶数，进而根据获取得到的每个接收器在 环形接收器阵列的排列信息，每个接收器的坐标位置信息，以及轨道角动量阶 数，对多个反射回波信号进行移相处理，获得多个移相结果信息。

具体地，可以通过如下方式获得多个移相结果信息：

请参见图6所示，为环形发射器阵列10向目标物体P发射相同频率，不同初 始相位信息的涡旋波信号，涡旋波信号到达目标物体P时，产生反射回波信号， 环形接收器阵列30接收到携带反馈相位信息的反射回波信号的示意图。

具体地，先获取接收器R1在环形接收器阵列中的排列信息n，接收器R1的 坐标位置信息R1(x_n，y_n)，以及轨道角动量阶数α；此时对反射回波信号进行 移相处理，计算得到移相结果信息exp(iksinθ(x_ncosφ+y_nsinφ))exp(iαφ)。

其中，exp为指数函数，i为复数单位，k为信号的波数，k＝2π/λ即在波传播 的方向上单位长度内的波周数，λ为波长，x_n，y_n为接收器R1在环形接收器阵列 的坐标位置，θ为目标物体P距离环形接收器阵列的方向角，φ为目标物体P距离 环形接收器阵列的圆周角；可以理解的是，反射回波信号中包含了目标物体P 距离环形接收器阵列中心的方向角，以及目标物体P距离环形接收器阵列中心的 圆周角。

可选地，为了更加准确地得到目标物体的目标位置信息，还可以对移相结 果信息exp(iksinθ(x_ncosφ+y_nsinφ))exp(iαφ)做进一步处理；具体地，处理得到

其中，σ为散射系数，r为目标物体P距离环形接收器阵列中心的距离，N为 环形接收器阵列包含的接收器的总个数，i为复数单位，α为轨道角动量阶数， exp为指数函数，ω为信号的圆频率，J_α为α阶贝塞尔函数，t为与接收器对应的 发射器发射的时刻。

值得注意的是，这里仅是定位器对一个接收器接收到的反射回波信号进行 移相处理，获得移相结果信息的示例，以此类推，可以对预设环形接收阵列中 包含的多个接收器接收到的反射回波信号进行移相处理，获得多个移相结果信 息，进而再对多个移相结果信息进行求和，获得信号幅值。

在一些示例中，定位器30用于根据信号幅值，获得目标物体的目标位置信 息，可以是：

首先，根据信号幅值，获得波束信息图；

然后，从波束信息图中，获得最高峰值对应的俯仰角和方位角；

其次，将俯仰角和方位角确定为目标物体的目标位置。

应当明确的是，为了更加方便快捷地获得目标物体的目标位置信息，因此 在对多个移相结果信息进行求和，获得信号幅值之后，可以根据信号幅值，先 获得对应的波束信息图，然后从波束信息图中，可以直接获得最高峰值对应的 俯仰角和方位角，从而以确定出目标物体的目标位置。

在一些示例中，还可以生成不同频率的涡旋波，对于每一种频率的涡旋波 发射多种阶数的涡旋波，以获得不同频率涡旋波分别对应的目标物体的多个目 标位置信息，其中，一种频率的多种阶数的涡旋波对应一个目标位置信息；根 据多个目标位置信息，确定目标物体的最终目标位置信息，从而进一步提升目 标物体的目标位置信息的精确性。

本实施例中，环形发射器阵列发射多个涡旋波，且发射的多个涡旋波携带 着不同的初始相位信息，从而环形接收器阵列接收到该涡旋波反射回的回波信 号也携带着不同的反馈相位信息，因此可以根据该携带着不同反馈相位信息的 多个回波信号精确获得目标物体的目标位置信息，相对于现有技术而言，提升 了获得目标物体的位置信息的精确性。

进一步地，请参见图7-1至图7-2所示，图7-1和图7-2均为环形发射器阵 列和环形接收器阵列包含的32个阵元进行目标物体位置探测的波束图；其中， 图7-1为现有技术中采用现有的水下定位方法的波束图，图7-2为采用本发明 涡旋波的波束图。通过对比不难发现，采用现有的水下定位方法探测出的目标 物体的目标位置信息已经被掩盖在波束形成的杂波当中，且出现了伪像，而采 用本发明涡旋波则能较好的探测出目标物体的目标位置信息；由此可见，本实 施例中提供的定位系统，相对于现有技术而言，能够更加精确地获得目标物体 的位置信息。

参照图8，图8为本发明定位方法第一实施例的流程图，该定位方法应用 于如上述的定位系统，定位方法包括以下步骤：

步骤80：利用环形发射器阵列向目标物体发射多个涡旋波信号，以使多个 涡旋波信号到达目标物体时，产生多个携带反馈相位信息的反射回波信号；其 中，多个涡旋波信号的发射频率相同，且多个涡旋波信号所携带的初始相位信 息不同；

步骤81：利用环形接收器阵列接收多个携带反馈相位信息的反射回波信号；

步骤82：利用定位器根据多个携带反馈相位信息的反射回波信号，获得目 标物体的目标位置信息。

在一些示例中，步骤80利用环形发射器阵列向目标物体发射多个涡旋波信 号，以使多个涡旋波信号到达目标物体时，产生多个携带反馈相位信息的反射 回波信号，包括：

利用环形发射器阵列向目标物体发射多种阶数的多个涡旋波信号，以使多 种阶数的多个涡旋波信号到达目标物体时，产生多种阶数的多个携带反馈相位 信息的反射回波信号；

在一些示例中，步骤81利用环形接收器阵列接收多个携带反馈相位信息的 反射回波信号，包括：

利用环形接收器阵列接收多种阶数的多个携带反馈相位信息的反射回波信 号；

在一些示例中，步骤82利用定位器根据多个携带反馈相位信息的反射回波 信号，获得目标物体的目标位置信息，包括：

利用定位器根据多种阶数的多个携带反馈相位信息的反射回波信号，获得 目标物体的目标位置信息。

需要说明的是，本实施例中定位方法还可选的包括有对应的其他步骤，以 实现上述定位系统获得目标物体的目标位置。

本发明的定位方法采用了上述所有定位系统实施例的全部技术方案，因此 至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡 是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换， 或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种定位系统，其特征在于，所述定位系统包括：环形发射器阵列，环形接收器阵列，以及定位器；

所述环形发射器阵列，用于向目标物体发射多个涡旋波信号，以使所述多个涡旋波信号到达所述目标物体时，产生多个携带反馈相位信息的反射回波信号；其中，多个所述涡旋波信号的发射频率相同，且多个所述涡旋波信号所携带的初始相位信息不同；

所述环形接收器阵列，用于接收所述多个携带反馈相位信息的反射回波信号；

所述定位器，用于根据所述多个携带反馈相位信息的反射回波信号，获得所述目标物体的目标位置信息。

2.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于，

所述环形发射器阵列，还用于向目标物体发射多种阶数的多个所述涡旋波信号，以使多种阶数的多个所述涡旋波信号到达所述目标物体时，产生多种阶数的多个携带反馈相位信息的反射回波信号；

所述环形接收器阵列，还用于接收所述多种阶数的多个携带反馈相位信息的反射回波信号；

所述定位器，还用于根据所述多种阶数的多个携带反馈相位信息的反射回波信号，获得所述目标物体的目标位置信息。

3.如权利要求1或2所述的定位系统，其特征在于，

所述环形发射器阵列包括多个发射器，所述环形接收器阵列包括多个接收器；其中，每个发射器按照预设排列规则在所述环形发射器阵列中进行排列，每个接收器按照所述预设排列规则在所述环形接收器阵列中进行排列。

4.如权利要求3所述的定位系统，其特征在于，

所述每个发射器等间距地分布在所述环形发射器阵列中；

和，

所述每个接收器等间距地分布在所述环形接收器阵列中。

5.如权利要求3所述的定位系统，其特征在于，所述环形发射器阵列，还用于：

获取所述每个发射器在所述环形发射器阵列的排列信息，所述环形发射器阵列包括的发射器的总个数，以及轨道角动量阶数；

根据所述每个发射器在所述环形发射器阵列的排列信息，所述总个数，以及所述轨道角动量阶数，获得所述每个发射器的初始相位信息；

确定所述每个发射器的发射频率；其中，所述每个发射器的发射频率相同；

向目标物体发射所述每个发射器对应的发射频率和初始相位信息的涡旋波信号。

6.如权利要求5所述的定位系统，其特征在于，所述定位器，还用于：

获取携带反射相位信息的多个反射回波信号；

对所述多个反射回波信号进行移相处理，获得多个移相结果信息；

对所述多个移相结果信息进行求和，获得信号幅值；

根据所述信号幅值，获得所述目标物体的目标位置信息。

7.如权利要求6所述的定位系统，其特征在于，所述定位器，还用于：

获取所述每个接收器在所述环形接收器阵列的排列信息，所述每个接收器的坐标位置信息，以及轨道角动量阶数；

根据所述每个接收器在所述环形接收器阵列的排列信息，所述每个接收器的坐标位置信息，以及所述轨道角动量阶数，对所述多个反射回波信号进行移相处理，获得多个移相结果信息。

8.如权利要求6所述的定位系统，其特征在于，所述定位器，还用于：

根据所述信号幅值，获得波束信息图；

从所述波束信息图中，获得最高峰值对应的俯仰角和方位角；

将所述俯仰角和方位角确定为所述目标物体的目标位置。

9.一种定位方法，其特征在于，应用于如权利要求1-8中任一项所述的定位系统，所述定位方法包括以下步骤：

利用所述环形发射器阵列向目标物体发射多个涡旋波信号，以使所述多个涡旋波信号到达所述目标物体时，产生多个携带反馈相位信息的反射回波信号；其中，多个所述涡旋波信号的发射频率相同，且多个所述涡旋波信号所携带的初始相位信息不同；

利用所述环形接收器阵列接收所述多个携带反馈相位信息的反射回波信号；

利用所述定位器根据所述多个携带反馈相位信息的反射回波信号，获得所述目标物体的目标位置信息。

10.如权利要求9所述的定位方法，其特征在于，

所述利用所述环形发射器阵列向目标物体发射多个涡旋波信号，以使所述多个涡旋波信号到达所述目标物体时，产生多个携带反馈相位信息的反射回波信号的步骤，包括：

利用所述环形发射器阵列向目标物体发射多种阶数的多个涡旋波信号，以使多种阶数的多个所述涡旋波信号到达所述目标物体时，产生多种阶数的多个携带反馈相位信息的反射回波信号；

所述利用所述环形接收器阵列接收所述多个携带反馈相位信息的反射回波信号的步骤，包括：

利用所述环形接收器阵列接收所述多种阶数的多个携带反馈相位信息的反射回波信号；

所述利用所述定位器根据所述多个携带反馈相位信息的反射回波信号，获得所述目标物体的目标位置信息的步骤，包括：

利用所述定位器根据所述多种阶数的多个携带反馈相位信息的反射回波信号，获得所述目标物体的目标位置信息。

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