CN1818710A

CN1818710A - 8基元超短基线定位系统相位测量系统及其校准方法

Info

Publication number: CN1818710A
Application number: CN 200610009812
Authority: CN
Inventors: 孙大军; 卢逢春; 张殿伦; 吕云飞; 李想
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: CN100520441C

Abstract

本发明是一种8基元超短基线定位系统相位测量系统及其校准方法，它包括声源和被测声呐系统、数据采集电路、计算机、基阵转动装置。其中声源又包括信号源、功率放大器和换能器，声呐系统又包括超短基线基阵、接收电路，而数据采集电路和计算机可以是测量设备，也可以是被测声呐系统的一部分。本发明采用数据采集技术和自适应测相技术，使测量方法简便灵活、测量效率高，一次测量可采集多组数据，通过计算机进行处理，可以减小测量过程中的随机误差。本发明充分利用被测系统自身所带的数据采集电路和计算机，减少了测量用仪器设备，可应用于对4基元、6基元、8基元等4n基元的十字阵附加相位差的测量，也适用于其它平面基阵轴线上两基元间附加相位差的测量与校准。

Description

8基元超短基线定位系统相位测量系统及其校准方法

技术领域

本发明属于8个基元超短基线定位系统相位测量系统及其校准方法。

背景技术

超短基线是一种常用的水声定位技术。传统的超短基线定位系统多采用孔径(两基元间的间距)小于半波长的三个基元排列成的等腰直角三角形或等边三角形，还有采用4个基元排列成的两个正交的直线阵。定位原理是利用每个基元接收信号的相位差进行解算，从而得到目标的方位和距离信息。其定位精度主要取决于相邻基元接收信号相位差的估计精度。而换能器、接收机和其它电路均会产生附加相移，在定位测量过程中必须加以补偿(修正)。测量附加相移便成为相位校准的关键。接收机和其它电路测得的附加相移可以在实验室测得，并予以补偿。而换能器产生的附加相移则不易测量，需要在水中进行测量。以往采用的测量方法是将超短基线基阵水平置于开阔远场水域中，声源或应答器置于超短基线基阵的下方。可见参考文献“采用自适应相位计的超短基线水声跟踪系统”，应用声学，1993.12.P19～23，蔡平等。先调整基阵或声源位置使基阵的两个相邻基元对准声源，测量两个相邻基元接收信号的相位差Δ₂₁，然后将基阵水平旋转180°，再次测量两个相邻基元接收信号的相位差Δ₂₁′，通过计算便可得到一组相邻基元产生的附加相位差为：

按照相同的方法便可得到其它相邻基元产生的附加相位差。这种相位差的测量方法，一方面，需要测量4次，才可以得到两个轴线上两个基元的附加相位差；另一方面，对于新型8基元超短基线基阵(见附图1)的附加相位差，在近场条件下则很难依此方法进行测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统的超短基线基阵附加相位差测量校准方法不方便用于新型8基元超短基线基阵附加相位差的测量校准中，提供一种8基元超短基线定位系统基阵校准方法。该方法解决了传统的测量方法测量次数多，要得到两两基元的附加相位差需要测量(基阵数一2)次的问题，和声源与基阵不易对准的问题。使得测量时间和难度大为下降，只需2次便可以获得所需的所有基元两两之间的附加相位差。

本发明所用的测量系统(见附图2)的构成主要由声源[9]、被测声纳系统[10]、数据采集电路[11]、计算机[12]和基阵转动装置[13]组成。其中声源[9]由信号源[14]和换能器[15]组成，声纳系统[10]包括超短基线基阵[16]、接收电路[17]是被测系统，而数据采集电路[11]和计算机[12]可以是测量设备，也可以是被测声纳系统的一部分。其中数据采集电路[11]、计算机[12]之间电信号连接，并依次与信号源[14]和换能器[15]电信号连接；基阵转动装置[13]和超短基线基阵[16]具有机械连接；超短基线基阵[16]和接收电路[17]、数据采集电路[11]、计算机[12]依次电信号连接。

本发明的测量方法是：第一步测量前的准备工作，将声源[9]置于超短基线基阵正下方。启动声源[9]向水中发射幅度合适的CW脉冲，转动基阵转动装置[13]使超短基线基阵[16]转角置于初始位置，超短基线基阵[16]接收水中的回波信号经接收电路[17]，输出信号加到数据采集电路[11]的输入端；第二步进行数据采集，在声源[9]不断向水中发射幅度合适的CW脉冲的同时，数据采集电路[11]根据同步脉冲采集数据，存储在计算机[12]内；第三步，转动基阵转动装置[13]，将超短基线基阵[16]水平旋转180°，重复第二步的操作过程；第四步进行附加相位差的解算，利用第一步和第二步测量得到的数据Δ_i1′和第三步测量得到的数据Δ_i2″，计算出系统相位校准参数。每个轴线上的两两基元间附加相位差Δ_i1可以利用公式

求解出来，其中_i1′和_i1″分别为第二步和第三步测量得到的第i号基元与1号基元间的相位差，是利用自适应测相技术测得的。Δ_i1表示第i号基元与1号基元间的附加相位差，d₁为参考基元(这里取1号基元为参考基元)到基阵中心的距离，d_i为第i号基元到基阵中心的距离，H为声源与超短基线基阵之间的垂直距离，λ为信号波长。在系统进行实际定位测量时，目标的回波相位差可以按公式_i1′＝Δ_i1′+Δ_i1进行修正，其中i₁为第i号基元与1号基元接收到的目标回波的理论相位差(几何相位差)，_i1′表示测量得到的第i号基元与1号基元接收到的目标回波的相位差，Δ_i1表示第i号基元与1号基元间的附加相位差。声源换能器[15]与超短基线基阵[16]的距离应事先测量，并装入计算机[12]；在解算基元附加相位差时，可以利用自编程序进行解算，也可以利用MATLAB进行解算；基阵转动装置[13]与超短基线基阵[16]机械连接，使超短基线基阵[16]可以水平任意方向转动；数据采集电路[11]、计算机[12]可以是测量系统的一部分，也可以是被测声纳系统[10]的一部分；相位校准过程中还应注意：声源[9]应尽量置于超短基线基阵[16]正下方的位置，如果相对位置有误差，则校准精度会产生误差，相对位置误差越大，校准误差也越大。当位置误差在0.2m时，1、2基元校准误差为0.1‰，但对称基元如附图1的基元[1]和[4]的相位校准则不受声源与基阵相对位置的影响。另外，在整个测量过程中，信号不能有多途效应，以避免相位差测量错误。

综上所述，本发明由于采用了数据采集技术，使该测量方法具备了简便灵活、测量效率高，一次测量可以采集多组数据，通过计算机进行处理，可以减小测量过程中的随机误差。此外，本测量方法充分利用被测系统自身所带的数据采集电路[11]和计算机[12]，减少了测量所用仪器设备。本发明完全适用于对4基元、6基元、8基元等4n基元的十字阵附加相位差的测量，也适用于其它平面基阵轴线上两两基元间附加相位差的测量与校准。

附图说明

图18基元超短基线定位系统基阵结构示意图

图28基元超短基线定位系统相位校准测量系统组成框图

具体实施方式

本发明测量系统中所采用的仪器均为市场上可以购买到的常规仪器；其中信号源[14]可以是一般实验用仪器，如AGILENT33120A型号的信号源，其可以产生周期可调、幅度可调的CW脉冲信号；换能器[15]为与声纳系统工作频率相匹配的换能器；数据采集电路[11]可以是LA1600数据采集器，也可以是其它的标准数据采集器，还可以是被测声纳系统[10]的一部分；基阵转动装置[13]为测量水池专用的转动装置。

本发明以6基元超短基线定位系统为例(见附图1)，其具体测量方法是：第一步，将换能器[15]置于超短基线基阵正下方1米远处，用AGILENT33120A型号的信号源产生200mV的CW脉冲，向水中发射，转动基阵转动装置[13]使超短基线基阵[16]转角置于初始位置，接收电路[17]的输出信号加到数据采集器LA1600[11]的输入端；第二步，在声源[9]不断向水中发射CW脉冲的同时，数据采集器[11]根据同步脉冲采集数据；第三步，转动基阵转动装置[13]，将超短基线基阵[16]水平旋转180°，重复第二步的操作过程；第四步，利用自适应测相技术，测算第i号基元(这里i＝1，2，3，4，5，6，7，8)与第1号基元之间的相位差Δ_i1′和Δ_i1″，通过公式

解算出第i号基元与1号基元间的附加相位差Δ_i1。在系统进行实际定位测量时，目标的回波相位差可以按公式_i1＝_i1′+Δ_i1进行修正。

本发明利用了数据采集技术和自适应测相技术，使该测量方法具有简便灵活、测量效率高，测量误差小的特点，它不但可以用在水池，也可以用在其它江、河、湖、海等水域中对基元相位差的测量。本发明可应用于超短基线基阵基元相位的校准测量，也可以应用于十字阵基元相位的测量，也适用于其它平面基阵轴线上两两基元间附加相位差的测量与校准。

Claims

1.一种8基元超短基线定位系统相位测量系统及其校准方法，校准系统包括由超短基线基阵[16]和接收电路[17]之间电信号连接并组成的被测声纳系统[10]，其特征在于它还包括由依次电信号相连的信号源[14]和换能器[15]组成的声源[9]；其中超短基线基阵[16]与基阵转动装置[13]具有机械连接，信号源[14]又与数据采集电路[11]电信号连接。

2.如权利要求1所述的8基元超短基线定位系统相位测量系统及其校准方法，其特征在于其校准方法如下：

第一步测量前的准备工作，将声源[9]置于超短基线基阵正下方。启动声源[9]向水中发射幅度合适的CW脉冲，转动基阵转动装置[13]使超短基线基阵[17]转角置于初始位置，超短基线基阵[17]接收水中的回波信号经接收电路[18]，输出信号加到数据采集电路[11]的输入端；

第二步进行数据采集，在声源[9]不断向水中发射幅度合适的CW脉冲的同时，数据采集电路[11]根据同步脉冲采集数据，存储在计算机[12]内；

第三步，转动基阵转动装置[13]，将超短基线基阵[17]水平旋转180°，重复第二步的操作过程；

第四步进行附加相位差的解算，通过

给出系统相位校准参数。

3.如权利要求1所述的8基元超短基线定位系统相位测量系统及其校准方法，其特征在于数据采集电路[11]、计算机[12]可以是测量系统的一部分也可以是被测声纳系统的一部分。

4.如权利要求1所述的8基元超短基线定位系统相位测量系统及其校准方法，其特征在于若将超短基线基阵[16]换成4基元、6基元等4n基元的十字型阵，n＝1，2，3，…，该方法仍然适用。

5.如权利要求1所述的8基元超短基线定位系统相位测量系统及其校准方法，其特征在于若将超短基线基阵[16]换成平面阵，该方法还适用于测量平面基阵轴线上两两基元间的附加相位差。