CN117761711A - 一种基于超短基线定位原理的水下近距离激光定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超短基线定位原理的水下近距离激光定位方法，包括：发射端使用激光器来产生线性调频激光并分为N个本振光和1个测量光；测量光对目标水域进行扫描；接收端使用透镜基阵来接收水下近距离目标的反射光，透镜基阵以超短基线定位阵元的分布方式排列，总共包含N个接收透镜；对N个接收透镜的回波光信号和N个本振光信号进行处理得到N个中频信号；根据调频连续波和超短基线定位的相关公式计算水下近距离目标的三维坐标位置。本发明在超短基线定位原理的基础上使用调频连续波激光测距来替代传统的水声测距，充分利用了调频连续波激光测距在水下近距离的高精度、高实时性优势，能够有效地对水下近距离目标实现准而快的定位。

Description

一种基于超短基线定位原理的水下近距离激光定位方法

技术领域

本发明涉及水下定位领域，涉及激光定位方法，具体涉及一种基于超短基线定位原理的水下近距离激光定位方法。

背景技术

超短基线(Ultra-short Baseline，USBL)定位是一种水声定位技术，被广泛应用于海洋科学研究、海洋勘探和水下工程等领域。其原理是根据测量目标的方位角和斜距进行定位，其精度由方位角和斜距的估计精度共同决定。对于方位角和斜距的计算，均离不开不同阵元与测量目标之间的距离测量结果，因此水下测距精度与超短基线定位的精度息息相关。

在水下测距技术中，水声测距与激光测距是最常见的两种方式。它们分别利用水声信号与激光信号在水中的传播特性来进行距离测量。由于水声信号在水中可以实现长距离传播且受水质影响较小，因此水声测距具有高精度、远距离探测能力强和适用于复杂水下环境的特点，适用于远距离的水下目标探测。而对于近距离的水下目标，由于激光的传播速度极快且受到多径效应影响较小，所以激光测距可以实现比水声测距精度更高、速度更快的测量。激光测距中调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)相较于相位式、脉冲式等激光测距方式，具有极高的测距精度、极快的测量速度、并且能够同时测量目标物体的距离和速度等优点，广泛用于目标的定位与追踪。

目前超短基线定位均以水声测距技术为基础，通过不同阵元与测量目标之间的距离测量结果间接计算得到方位角和斜距，适合于水下远距离目标的定位。但对于水下近距离目标，采用水声测距的方式时，不同阵元与测量目标之间的距离测量结果远没有激光测距的精度高，从而对于方向角和斜距的估计精度也没有激光测距高。

发明内容

针对上述情况，本发明提供一种基于超短基线定位原理的水下近距离激光定位方法。这种定位方法同时结合了超短基线定位与调频连续波激光测距的技术优势，适合于水下近距离目标的精确定位。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于超短基线定位原理的水下近距离激光定位方法，包括如下步骤：

步骤1)，发射端使用蓝绿光波段的可调谐激光器来产生调频带宽为吉赫兹(GHz)级别的线性调频激光，以保证调频连续波激光测距具有厘米(cm)级的测距精度；通过多个光分路器对线性调频激光进行分束，分为N个本振光和1个测量光；对测量光的发射方向进行改变以对目标水域进行扫描；

步骤2)，接收端使用透镜基阵来接收测量光照射到水下近距离目标的反射光；透镜基阵以超短基线定位阵元的分布方式排列，总共包含N个接收透镜；N个接收透镜的回波光信号与对应的N个本振光信号分别进行干涉和光电转换，得到N个中频信号；

步骤3)，对N个中频信号进行模数转换，得到N个中频信号对应的N个频率值；根据调频连续波激光测距的距离计算公式得到N个频率值对应的N个距离值，即不同阵元与水下近距离目标之间的距离测量结果；根据透镜基阵的排列方式和N个距离值，按照超短基线定位原理计算出水下近距离目标的方位角与斜距；根据方位角与斜距计算水下近距离目标的三维坐标位置。

本发明的优点或有益效果：

本发明在超短基线定位原理的基础上使用调频连续波激光测距替代传统的水声测距。此时相较于水声测距而言，不同阵元与测量目标之间的距离测量结果更精确，从而对于方向角和斜距的估计精度更高，最终获得更高的定位精度，对水下近距离目标实现快而准的定位。

附图说明

图1为实施例中基于超短基线定位原理的水下近距离激光定位方法的流程图；

图2为实施例中基于超短基线定位原理的水下近距离激光定位方法的实施原理示意图；

图3为实施例中接收基阵仅含有透镜1和透镜3的接收效果示意图；

图4为实施例中接收基阵仅含有透镜2和透镜4的接收效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作详细描述，所述实施例的示例在附图中示出。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。

实施例：

如图1所示，一种基于超短基线定位原理的水下近距离激光定位方法，包含以下过程步骤：

步骤(1)，发射端使用蓝绿光波段的可调谐激光器来产生调频带宽为吉赫兹(GHz)级别的线性调频激光，以保证调频连续波激光测距具有厘米(cm)级的测距精度；通过多个光分路器对线性调频激光进行分束，分为N个本振光和1个测量光；通过旋转镜结构对测量光的发射方向进行改变以对目标水域进行扫描；

步骤(1)包括如下步骤：

步骤(1-1)，建立三维直角坐标系，如图2所示，坐标轴x轴、y轴和z轴相互垂直，假设目标水域中存在水下近距离目标S，坐标为(X,Y,Z)，X、Y、Z分别为S在x轴、y轴、z轴的投影，S'为S在水面上的投影，坐标为(X,Y,0)，根据三角关系，有

其中，R为斜距，cosθ_x为水下近距离目标S与x轴夹角θ_x的余弦值，cosθ_y为水下近距离目标S与y轴夹角θ_y的余弦值；

步骤(1-2)，发射端光源采用波长调谐的可调谐激光器，位于坐标系原点处，如图2所示，其中心波长532nm，调谐方式为锯齿型线性调频方式，调谐速率200nm/s，调谐时间40μs；

激光器线宽与频率的对应关系：

其中，c表示光速，λ表示波长，Δλ表示用nm表示的线宽，Δv表示用Hz表示的线宽；调频连续波激光测距的距离分辨率与带宽的关系：

其中，c表示光速，B表示发射信号的带宽，ΔR表示距离分辨率；

根据公式(2)和公式(3)可以计算得到激光器在上述调制参数下的调制带宽为8.5GHz，距离分辨率为1.76cm，从而保证了调频连续波激光测距的高精度与高速率测量；

步骤(1-3)，将可调谐激光器输出的线性调频激光通过1×2光分路器，按照90％与10％的比例分为本振光和测量光；本振光通过1×4光分路器，按照各25％的比例分为4个本振光；4个本振光分别进入4个光混频器，各作为光混频器中的其中一路输入信号，测量光通过准直器进行聚焦，然后通过旋转镜结构来调整测量光的发射方向以对目标水域进行扫描；

步骤(2)，接收端使用透镜基阵来接收测量光照射到水下近距离目标的反射光；透镜基阵以超短基线定位阵元的分布方式排列，总共包含N个接收透镜；N个接收透镜的回波光信号与对应的N个本振光信号分别进行干涉和光电转换，得到N个中频信号；

步骤(2)包括如下步骤：

步骤(2-1)，接收端使用透镜基阵来接收测量光照射到水下近距离目标的反射光，透镜基阵共有4个聚焦光信号的接收透镜，与本振光的数量对应，分别为透镜1、透镜2、透镜3和透镜4，每个透镜可类比于超短基线定位原理中的阵元，分别位于2个相互垂直的坐标轴x轴和y轴上，且各方向上透镜间距即基线均为dcm，透镜基阵的具体分布情况如图2所示；

步骤(2-2)，当测量光照射到水下近距离目标S时，其反射光分别被透镜基阵中的4个接收透镜接收；

首先4个接收透镜分别形成4个回波光信号，即回波光信号1，回波光信号2，回波光信号3和回波光信号4；

然后4个回波光信号与对应的4个本振光信号分别在4个光混频器中发生干涉并产生4个中频光信号，即中频光信号1，中频光信号2，中频光信号3和中频光信号4；

最后4个中频光信号分别通过4个雪崩光电二极管进行光电转换并产生4个中频信号，即中频信号1，中频信号2，中频信号3和中频信号4；

步骤(3)，对N个中频信号进行模数转换，根据傅里叶变换计算得到N个中频信号对应的N个频率值；根据调频连续波激光测距的距离计算公式得到N个频率值对应的N个距离值，即不同阵元与水下近距离目标之间的距离测量结果；根据透镜基阵的排列方式和N个距离值，按照超短基线定位原理计算出水下近距离目标的方位角与斜距；根据方位角与斜距计算水下近距离目标的三维坐标位置；

步骤(3)包括如下步骤：

步骤(3-1)，将4个中频信号进行4通道的模数转换并使用傅里叶变换计算得到中频信号的频率值，分别为f_b1,f_b2,f_b3和f_b4；

调频连续波激光测距的距离计算公式为：

其中，c表示光速，B表示调制带宽，T表示调制时宽，f_b表示中频信号的频率；

根据公式(4)，得到四个频率值对应的四个测量距离值，即R₁,R₂,R₃和R₄；

步骤(3-2)，因为透镜基阵是十字阵排列且阵元之间的间距极小，坐标系原点位于透镜基阵的中间位置，大部分情况下斜距即坐标系原点与水下近距离目标的距离的值，处于四个阵元与水下近距离目标S的测量距离值的中间部分，所以可以根据测量距离值R₁,R₂,R₃,R₄，计算它们的平均值并作为斜距R的近似，即

步骤(3-3)，当测量光照射到水下近距离目标S后反射回来的光信号到达透镜基阵时，由于透镜基阵中阵元间的相互距离极小，所以可以认为反射到透镜基阵的光线平行且与x轴的夹角为θ_x、与y轴的夹角为θ_y；

x轴上透镜1、透镜3光照接收情况如图3所示，透镜1首先收到反射光，然后再经过距离d×cosθ_x后透镜3收到反射光，即R₃-R₁＝d×cosθ_x，则

y轴上透镜2、透镜4光照接收情况如图4所示，透镜4首先收到反射光，然后再经过距离d×cosθ_y后透镜2收到反射光，即R₂-R₄＝d×cosθ_y，则

步骤(3-4)，将斜距R、cosθ_x、cosθ_y三个值带入公式(1)得到水下近距离目标S的坐标。

经过上述步骤，从而实现对水下近距离目标S的精确定位。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于超短基线定位原理的水下近距离激光定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)，发射端使用蓝绿光波段的可调谐激光器来产生调频带宽为吉赫兹(GHz)级别的线性调频激光；通过多个光分路器对线性调频激光进行分束，分为N个本振光和1个测量光；对测量光的发射方向进行改变以对目标水域进行扫描；

步骤2)，接收端使用透镜基阵来接收测量光照射到水下近距离目标的反射光；透镜基阵以超短基线定位阵元的分布方式排列，总共包含N个接收透镜；N个接收透镜的回波光信号与对应的N个本振光信号分别进行干涉和光电转换，得到N个中频信号；

步骤3)，对N个中频信号进行模数转换，得到N个中频信号对应的N个频率值；根据调频连续波激光测距的距离计算公式得到N个频率值对应的N个距离值，即不同阵元与水下近距离目标之间的距离测量结果；根据透镜基阵的排列方式和N个距离值，按照超短基线定位原理计算出水下近距离目标的方位角与斜距；根据方位角与斜距计算水下近距离目标的三维坐标位置。

2.根据权利要求1所述的基于超短基线定位原理的水下近距离激光定位方法，其特征在于，步骤1)包括如下步骤：

步骤(1-1)，建立三维直角坐标系，坐标轴x轴、y轴和z轴相互垂直，假设目标水域中存在水下近距离目标S，坐标为(X,Y,Z)，X、Y、Z分别为S在x轴、y轴、z轴的投影，S'为S在水面上的投影，坐标为(X,Y,0)，根据三角关系，有

其中，R为斜距，cosθ_x为水下近距离目标S与x轴夹角θ_x的余弦值，cosθ_y为水下近距离目标S与y轴夹角θ_y的余弦值；

步骤(1-2)，发射端光源采用波长调谐的可调谐激光器，位于坐标系原点处，其中心波长532nm，调谐方式为锯齿型线性调频方式，调谐速率200nm/s，调谐时间40μs；

激光器线宽与频率的对应关系：

其中，c表示光速，λ表示波长，Δλ表示用nm表示的线宽，Δv表示用Hz表示的线宽；

调频连续波激光测距的距离分辨率与带宽的关系：

其中，c表示光速，B表示发射信号的带宽，ΔR表示距离分辨率；

根据公式(2)和公式(3)可以计算得到激光器在上述调制参数下的调制带宽为8.5GHz，距离分辨率为1.76cm；

步骤(1-3)，将可调谐激光器输出的线性调频激光通过1×2光分路器，按照90％与10％的比例分为本振光和测量光；本振光通过1×4光分路器，按照各25％的比例分为4个本振光；4个本振光分别进入4个光混频器，各作为光混频器中的其中一路输入信号，测量光通过准直器进行聚焦，然后通过旋转镜结构来调整测量光的发射方向以对目标水域进行扫描。

3.根据权利要求1所述的基于超短基线定位原理的水下近距离激光定位方法，其特征在于，步骤2)包括如下步骤：

步骤(2-1)，接收端使用透镜基阵来接收测量光照射到水下近距离目标的反射光，透镜基阵共有4个聚焦光信号的接收透镜，与本振光的数量对应，分别为透镜1、透镜2、透镜3和透镜4，每个透镜可类比于超短基线定位原理中的阵元，分别位于2个相互垂直的坐标轴x轴和y轴上，且各方向上透镜间距即基线均为dcm；

步骤(2-2)，当测量光照射到水下近距离目标S时，其反射光分别被透镜基阵中的4个接收透镜接收；

首先4个接收透镜分别形成4个回波光信号，即回波光信号1，回波光信号2，回波光信号3和回波光信号4；

然后4个回波光信号与对应的4个本振光信号分别在4个光混频器中发生干涉并产生4个中频光信号，即中频光信号1，中频光信号2，中频光信号3和中频光信号4；

最后4个中频光信号分别通过4个雪崩光电二极管进行光电转换并产生4个中频信号，即中频信号1，中频信号2，中频信号3和中频信号4。

4.根据权利要求1所述的基于超短基线定位原理的水下近距离激光定位方法，其特征在于，步骤3)包括如下步骤：

步骤(3-1)，将4个中频信号进行4通道的模数转换并使用傅里叶变换计算得到中频信号的频率值，分别为f_b1,f_b2,f_b3和f_b4；

调频连续波激光测距的距离计算公式为：

其中，c表示光速，B表示调制带宽，T表示调制时宽，f_b表示中频信号的频率；

根据公式(4)，得到四个频率值对应的四个测量距离值，即R₁,R₂,R₃和R₄；

步骤(3-2)，透镜基阵是十字阵排列且阵元之间的间距极小，坐标系原点位于透镜基阵的中间位置，斜距即坐标系原点与水下近距离目标的距离的值，处于四个阵元与水下近距离目标S的测量距离值的中间部分，根据测量距离值R₁,R₂,R₃,R₄，计算它们的平均值并作为斜距R的近似，即

步骤(3-3)，当测量光照射到水下近距离目标S后反射回来的光信号到达透镜基阵时，反射到透镜基阵的光线平行且与x轴的夹角为θ_x、与y轴的夹角为θ_y；

透镜1收到反射光，然后再经过距离d×cosθ_x后透镜3收到反射光，即R₃-R₁＝d×cosθ_x，则

透镜4收到反射光，然后再经过距离d×cosθ_y后透镜2收到反射光，即R₂-R₄＝d×cosθ_y，则

步骤(3-4)，将斜距R、cosθ_x、cosθ_y三个值带入公式(1)得到水下近距离目标S的坐标。