CN114994606A - 一种载人潜水器搜寻水下声信标的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种载人潜水器搜寻水下声信标的方法，将换能器Ⅰ、换能器Ⅱ、换能器Ⅲ设置在潜水器上并接收声信标的声信号；对接收的声信号进行处理，根据目标信标信号制式，判别接收的声信号是否为目标信号；若换能器Ⅰ、Ⅲ同时接收目标信号，则目标信标在潜水器艏向上；若换能器Ⅰ、Ⅲ接收目标信号有时间差，则根据时间差计算出目标信标距离潜水器艏向的角度偏移；对换能器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ接收的目标信号进行相干和非相干处理，并利用换能器Ⅱ、Ⅲ接收的目标信号进行相关得到换能器Ⅱ、Ⅲ接收目标信号的时延差；根据时延差计算粗信号入射方位角，利用粗信号入射方位角对角度偏移进行解模糊，得到准目标方向。本发明精度高、且简单，易实现。
Description
技术领域
本发明涉及水下搜寻技术领域，具体涉及一种载人潜水器搜寻水下声信标的方法。
背景技术
海洋是潜力巨大的资源，是人类未来生存和发展的战略高地，也是国际竞争的重要舞台，近年来，随着海洋调查技术和装备的不断提升，载人潜水器携带众多水下作业装置在深海开展海洋科学研究、资源勘探、打捞救生等工作，对水下声信标搜寻的需求也日益突出。
传统的海底装置的搜寻方式，是潜水器航行到装备在海底布放的位置，依靠潜航员肉眼去搜寻水下目标。其缺点在于载人潜水器依靠的位置信息来自于超度基线定位声纳，而一般超度基线定位声纳定位精度为0.5％斜距左右，在万米深度其定位误差为±50米，远远超出10米左右的人眼可见范围，即使是下潜经验非常丰富的潜航员，也难以迅速找到甚至是数小时都无法找到目标物，为海底作业带来巨大的困难和不确定性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种载人潜水器搜寻水下声信标的方法，精度高、且简单，易实现。
本发明采用的技术方案如下：
一种载人潜水器搜寻水下声信标的方法，包括以下步骤：
步骤1，将换能器Ⅰ、换能器Ⅲ设置在潜水器两侧，且关于潜水器轴线对称，将换能器Ⅱ设置在换能器Ⅲ内侧，二者相距10～20cm；
步骤2，换能器Ⅰ、换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收声信标的声信号；
步骤3，对步骤2接收的声信号进行放大、模拟滤波和AD转换；
步骤4，根据目标信标信号制式，判别接收的声信号是否为目标信号；
步骤5，若换能器Ⅰ、换能器Ⅲ同时接收目标信号，则目标信标在潜水器艏向上；若换能器Ⅰ、换能器Ⅲ接收目标信号有时间差，则根据所述时间差计算出目标信标距离潜水器艏向的角度偏移；
步骤6，对换能器Ⅰ、换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收的目标信号进行相干和非相干处理，并利用换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收的目标信号进行相关得到换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收目标信号的时延差；
步骤7，根据所述时延差计算粗信号入射方位角，利用粗信号入射方位角对所述角度偏移进行解模糊，得到准目标方向。
进一步地，所述步骤4中，根据潜水器噪声的统计分布特征，对接收的声信号采用动态检测门限，当声信号超过检测门限后认为是目标信号。
进一步地，所述步骤4中，对目标信号进行短时傅里叶变换，将接收信号频谱上传到人机交互界面，由操作人员观察目标信号的实时频谱数据，并手动调节滤波参数进行滤波。
进一步地，所述步骤2中，潜水器到达装有声信标的设备周边100m，换能器Ⅰ、换能器Ⅱ、换能器Ⅲ开始接收声信标的声信号。
进一步地，所述步骤3中，采用高精度高速模数转换器对声信号进行AD转换。
进一步地，根据dcosθ＝ct计算粗信号入射方位角θ，式中，t是换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收的目标信号延迟差，d是换能器Ⅱ、换能器Ⅲ间距。
有益效果：
1、本发明所采用的换能器设备具有尺寸小、结构简单、拆装灵活简便、成本低等的特点，载人潜水器可对已知和未知的多种频率、多种信号体制声信标进行搜寻，通过实时测量声信标发出声信号到各个换能器的相位差或时延差来估算目标与载人潜水器艏向的角度，搜寻方法精度高、且简单，易实现。
2、本发明采用的目标信标信号制式方法，能够提高接收信号信噪比，提高搜寻方法精度。
3、本发明采用的判别目标信号的噪声统计分布特征方法，能够有效鉴别出目标信号。
附图说明
图1为水下信标搜寻处理流程图。
图2为换能器安装示意图。
图3为Ⅱ、Ⅲ通道测向示意图(Ⅱ、Ⅲ通道接收的信号分别来自于换能器Ⅱ、换能器Ⅲ)。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种载人潜水器搜寻水下声信标的方法，以搜寻水下装备一般携带的通用声学释放器TELEDYNE BENTHOS R12K为例，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，本实施例中，换能器阵采用三个换能器，分别为换能器Ⅰ、换能器Ⅱ、换能器Ⅲ，也可以采用更多数量的换能器，超出三个的其他换能器作为备份。如图2所示，将换能器Ⅰ、换能器Ⅲ设置在潜水器两侧，且关于潜水器轴线对称，将换能器Ⅱ设置在换能器Ⅲ内侧，二者相距10～20cm；将换能器Ⅱ、换能器Ⅲ之间的距离作为参数通过显控界面输入。换能器Ⅰ、换能器Ⅱ、换能器Ⅲ面朝向正前方，正前方不要有其它设备遮挡。
声信标搜寻电子舱(用于信号处理)根据载人潜水器预留位置固定，并通过电缆连接换能器和载人潜水器舱内操控计算机。
步骤2，载人潜水器到达装有声信标的设备附近100m左右，开启声信标搜寻，换能器Ⅰ、换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收声信标的声信号。
步骤3，对步骤2接收的声信号进行放大、模拟滤波和AD转换。
其中，接收机部分对来自接收换能器的宽频带的微弱信号进行放大、滤波和增益调整，由前放、AGC(自动增益控制)、带通滤波器、放大器和电平调整组成，完成1kHz～50kHz的宽带信号的动态增益调整或者远程增益控制。AGC电路完成对信号起伏的补偿，使得接收信号始终保持适当的幅度，既能够避免信号失真，又使得AD结果有足够的动态。AGC的控制信号由数字系统给出，数字系统对放大后的信号进行采样，得到信号的包络，根据信号包络的大小计算出合适的补偿增益，实现时变的增益控制。
采用高精度高速模数转换器对信号进行AD转换。
步骤4，根据目标信标信号制式，判别接收的声信号是否为目标信号。
具体地，步骤401，采用多制式信标信号捕获技术，通过滤波、匹配、谱分析等方法提高信噪比、提高捕获概率和捕获距离；研究高精度的测向技术，通过滤波、特征提取、信号匹配等方式提高相位检测精度，从而提高测向精度。
步骤402，对捕获到的有用信息进行进一步分析，提取信号频率、带宽、脉宽、调制方式、回波幅度、发射周期等特征信息。在已知信标信号制式的情况下，对信号进行解调、解扩和脉冲压缩等处理，实现信号的匹配。根据潜水器噪声的统计分布特征，对接收的声信号采用动态检测门限，当声信号超过检测门限后认为是目标信号。
同时对目标信号进行短时傅里叶变换，将接收信号频谱上传到人机交互界面，由操作人员观察目标信号的实时频谱数据，并手动调节滤波参数进行滤波。利用调节后的滤波器提高接收信号信噪比。
步骤5，若换能器Ⅰ、换能器Ⅲ同时接收目标信号，也就是L1(换能器Ⅰ与目标信标距离)与L2(换能器Ⅲ与目标信标距离)距离相同，根据等腰三角形原理，则目标信标在潜水器艏向上；
若换能器Ⅰ、换能器Ⅲ接收目标信号有时间差，意味着L1与L2距离不相同，目标信标不在潜水器艏向上，则根据该时间差计算出目标信标距离潜水器艏向的角度偏移。
换能器Ⅱ目的是为了更高精度的确定目标信标与潜水器艏向的角度。连续存储三只换能器接收到的声信号强度，随着潜水器的移动，画出声信号强度变化的曲线，以此来判断潜水器和信标之间的距离变化。
步骤6，对换能器Ⅰ、换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收的目标信号进行相干和非相干处理，并利用换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收的目标信号进行相关得到换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收目标信号的时延差。
步骤7，如图3所示，根据dcosθ＝ct计算粗信号入射方位角θ，式中，t是换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收的目标信号时延差，d是换能器Ⅱ、换能器Ⅲ间距。
利用粗信号入射方位角θ对由步骤5换能器Ⅰ、换能器Ⅲ得到的角度偏移进行解模糊，得到准目标方向，以此搜寻水下声信标。
解模糊得到精准目标方向指的是：
换能器Ⅰ、换能器Ⅲ得到的方位角(即角度偏移)由于换能器Ⅰ、换能器Ⅲ之间距离有可能大于被测信号的半波长，通过相位测得的时延差是存在相位模糊的情况。而换能器Ⅱ、换能器Ⅲ之间距离在小于半波长时，其测得的时延差是没有模糊的，但是其精度较低。解模糊就是用换能器Ⅱ、换能器Ⅲ的时延差和换能器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的安装尺寸去计算换能器Ⅰ、换能器Ⅲ的模糊度，得到高精度的结果。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种载人潜水器搜寻水下声信标的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将换能器Ⅰ、换能器Ⅲ设置在潜水器两侧，且关于潜水器轴线对称，将换能器Ⅱ设置在换能器Ⅲ内侧，二者相距10～20cm；
步骤2，换能器Ⅰ、换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收声信标的声信号；
步骤3，对步骤2接收的声信号进行放大、模拟滤波和AD转换；
步骤4，根据目标信标信号制式，判别接收的声信号是否为目标信号；
步骤5，若换能器Ⅰ、换能器Ⅲ同时接收目标信号，则目标信标在潜水器艏向上；若换能器Ⅰ、换能器Ⅲ接收目标信号有时间差，则根据所述时间差计算出目标信标距离潜水器艏向的角度偏移；
步骤6，对换能器Ⅰ、换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收的目标信号进行相干和非相干处理，并利用换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收的目标信号进行相关得到换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收目标信号的时延差；
步骤7，根据所述时延差计算粗信号入射方位角，利用粗信号入射方位角对所述角度偏移进行解模糊，得到准目标方向。
2.如权利要求1所述的载人潜水器搜寻水下声信标的方法，其特征在于，所述步骤4中，根据潜水器噪声的统计分布特征，对接收的声信号采用动态检测门限，当声信号超过检测门限后认为是目标信号。
3.如权利要求1或2所述的载人潜水器搜寻水下声信标的方法，其特征在于，所述步骤4中，对目标信号进行短时傅里叶变换，将接收信号频谱上传到人机交互界面，由操作人员观察目标信号的实时频谱数据，并手动调节滤波参数进行滤波。
4.如权利要求1所述的载人潜水器搜寻水下声信标的方法，其特征在于，所述步骤2中，潜水器到达装有声信标的设备周边100m，换能器Ⅰ、换能器Ⅱ、换能器Ⅲ开始接收声信标的声信号。
5.如权利要求1所述的载人潜水器搜寻水下声信标的方法，其特征在于，所述步骤3中，采用高精度高速模数转换器对声信号进行AD转换。
6.如权利要求1所述的载人潜水器搜寻水下声信标的方法，其特征在于，根据dcosθ＝ct计算粗信号入射方位角θ，式中，t是换能器Ⅱ、换能器Ⅲ接收的目标信号延迟差，d是换能器Ⅱ、换能器Ⅲ间距。
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