CN202093165U - 基于扩频通信的超短基线水声定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及水声定位与通信设备领域，公开了一种基于扩频通信的超短基线水声定位装置，包括甲板控制单元，超短基线声头，方位姿态参考单元，若干个水声应答器和GPS卫星。本实用新型采用扩频通信方式，可同时对多个水声应答器进行定位，缩短系统定位时间，提高工作效率；在超短基线声头垂直方向上设置一定的孔径尺寸，极大提高水平大开角方向上坐标定位精度；水声应答器组成一个无线网络，每一个都有其ID地址，采用码分多址系统可以为每个应答器分配各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息，在频率、时间和空间上都可以重叠，灵活有效地使用系统频带资源，可以扩展传输信号带宽，因而具有很强的抗干扰能力。

Description

基于扩频通信的超短基线水声定位装置

技术领域

本实用新型涉及水声定位与通信设备领域，特别是涉及一种基于扩频通信的超短基线水声定位装置。

背景技术

随着科学技术的发展，水声定位技术在民用方面也得到了广泛的应用，例如海洋资源开发、水下油气管道的布设、水下电缆的铺设、水下救险、沉船打捞、潜水员定位以及航道异物清除等都要用到水声定位技术，为人类从事海洋活动提供了更广阔的前景。拥有全天候、高精度、高可靠性的水声定位系统也为人类的海洋资源开发提供了更加可靠的保障。随着我国对海洋资源的开发和保护越来越重视，如目前的水下考古研究、各种海洋工程的建设、海洋油气和深海矿产资源的调查和开发等方面的投入日益加大，因而对海洋调查测量的精度和手段的要求也越来越高，高精度的定位系统是获取各种高精度测量数据的最基本保证。

水声定位系统在海洋科学领域应用广泛，就目前的技术而言，水声定位和通信技术仍然是水下目标定位导航的主要方法，在海底需要定位的设备上绑缚若干水声应答器，通过对应答器的询问，测定应答器应答信号的时延和相位差来确定自身的位置，从而实现定位导航精度高，具有便于操作，携带方便等特点。

超短基线水声定位是水下目标定位与导航的重要设备，但是目前国内的超短基线系统大多或设备庞大、操作复杂，或定位范围小、精度低，很难真正满足使用需求。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是简化超短基线水声定位系统的结构和操作繁琐性，扩大其定位范围，提高定位精度。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于扩频通信的超短基线水声定位装置，其包括：

甲板控制单元，设置在工作船只上，用于发出控制命令给超短基线声头，接收超短基线声头、方位姿态参考单元和GPS卫星回传的信号，并处理该信号获得被定位目标的位置信息；

超短基线声头，固定安装在工作船只上，按照所述甲板控制单元的控制命令发出声信号给水声应答器，并采集水声应答器的应答信号，经预处理之后通过通讯网络传输至所述甲板控制单元；

方位姿态参考单元，设置在所述超短基线声头连接杆上，实时测量所述超短基线声头的运动信息，并通过通讯网络将所测得的信息传输给所述甲板控制单元；

若干个水声应答器，设置在被定位目标上，通过水声无线信道通信接收所述超短基线声头发出的声信号，并对所述声信号进行处理和做出应答；

GPS卫星，监测所述超短基线声头的绝对地理坐标，并将所监测到的坐标信息传输至所述甲板控制单元。

其中，所述甲板控制单元包括：主处理机和分别与所述主处理机相连的DGPS、监控终端和声速剖面仪；所述主处理机与所述监控终端利用串口通信，所述主处理机接收所述DGPS和声速剖面仪的信息数据，处理获得所述水声应答器的位置信息，传输给所述监控终端进行被定位目标的实时位置显示。

其中，所述超短基线声头包括：

四阵元接收水听器，用于接收所述水声应答器的应答信号；

前置放大模块，与所述四阵元接收水听器相连，对四阵元接收水听器接收的应答信号进行低噪声放大；

带通滤波模块，与所述前置放大模块相连，对低噪声放大的信号进行干扰滤除；

自动增益控制模块，与所述低通滤波模块相连，对滤波后的信号进行可变增益放大；

A/D转换模块，与所述自动增益控制模块和微处理器模块相连，将所述自动增益控制模块输出的模拟信号转换为数字信号，并传输给所述微处理器模块进行数字信号处理；

数据存储和网络通信模块，与所述微处理器模块相连，将所述数字信号传输给所述主处理机；

功放模块，与所述微处理器模块相连，将所述数字信号放大，并传输给发射换能器进行发送；

发射换能器，与所述功放模块相连，用于信号的发送。

其中，所述水声应答器包括：

收发合置水声换能器，用于声信号的接收和发射；

发射接收模块，与所述收发合置水声换能器相连，对其发射和接收的信号分别进行处理；

核心信号处理模块，与所述发射接收模块相连，用于信号的识别和处理；

电池组，与所述核心信号处理模块相连，为所述水声应答器供电。

其中，所述收发合置水声换能器内设置有收发转换开关，进行所述收发合置水声换能器发射和接收声信号的切换。

其中，所述核心信号处理模块包括顺次相连的接收与处理模块、单片机值班电路模块和数字处理模块；所述单片机值班电路模块由检波电路、噪声门限电路、比较器和积分电路组成。

其中，所述超短基线声头设置为正交垂直十字阵。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的基于扩频通信的超短基线水声定位装置中，采用扩频通信方式，可同时对多个水声应答器进行定位，缩短系统定位时间，提高系统工作效率；在超短基线声头垂直方向上设置一定的孔径尺寸，极大提高水平大开角方向上的坐标定位精度；水声应答器组成一个无线网络，每一个都有其ID地址，采用码分多址系统可以为每个应答器分配各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息，在频率、时间和空间上都可以重叠，灵活有效地使用系统频带资源，可以扩展传输信号带宽，因而具有很强的抗干扰能力；系统具有低功耗的宽带水声应答器，工作时间长。

附图说明

图1是本实用新型实施例的基于扩频通信的超短基线水声定位装置的结构组成示意图；

图2是本实用新型实施例的甲板控制单元的功能结构图；

图3是本实用新型实施例的超短基线声头的工作原理图；

图4是本实用新型实施例的水声应答器的功能结构图。

其中，1：甲板控制单元；2：超短基线声头；3：方位姿态参考单元；4：GPS卫星；5：第一水声应答器；6：第二水声应答器；7：第n水声应答器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

图1示出了本实用新型实施例的基于扩频通信的超短基线水声定位装置的结构组成示意图，其包括甲板控制单元1、方位姿态参考单元3、超短基线声头2、GPS卫星4和利用水声扩频通信技术询问应答的若干个宽带水声应答器，若干个水声应答器分别记作第一水声应答器5，第二水声应答器6，......，第n水声应答器7。

超短基线声头2根据需要安装在工作船只的船侧或船底，甲板控制单元1安置在船上，通过TCP/IP协议通讯网络接收超短基线声头2的信号以及方位姿态参考单元3的信号，以及GPS卫星4的信号的处理，并对这些数据联合处理。方位姿态参考单元3外置在超短基线声头2的连接杆上，其数据和超短基线声头2的数据通过TCP/IP协议通讯网络传送给甲板控制单元1。若干个宽带水声应答器绑缚在需要定位的目标上，具体个数取决于待定位的目标大小及形状，分散固定在目标上，超短基线声头2与水声应答器通过水声无线信道通信。

甲板控制单元1负责声阵信号的采集和超短基线声头2方位姿态信号的接收，以及GPS数据的接收，并对这些数据联合处理，显示人机界面，输出定位指令，对宽带水声应答器2进行编码、测试等工作。甲板控制单元1的组成结构图如图2所示，其主要包括：监控终端，主处理机，DGPS(Difference Global Positioning System，差分全球定位系统)和声速剖面仪四个部分，监控终端，DGPS和声速剖面仪分别与主处理机相连接。监控终端实时显示被定位目标的实时位置，主处理机主要完成算法实现与网络传输，协调各个处理器之间的协同工作关系与存储器之间的协同工作关系，同时接收控制网络与运动参考单元的数据，将定位数据传给监控终端，声速剖面仪对声速进行实时修正，以提高定位精度。主处理机接收DGPS以及声速剖面仪的数据，并且和监控终端利用串口进行通信，向监控终端发送应答器的位置信息，接收监控终端的控制命令。

甲板控制单元1的主处理机接收方位姿态参考单元3的数据，并和超短基线声头2之间进行数据传输。超短基线声头2和宽带水声应答器通过水声信道进行无线通信。

超短基线声头2完成数据采集、预处理和传输的任务，其工作原理图如图3所示，主要包括一个四阵元接收水听器和一个发射器构成的声头、前置放大模块、带通滤波模块、自动增益控制模块、AD转换模块、微处理器模块、数据存储与网络通信模块和功放模块。

其中超短基线声头2结构采用正交垂直十字阵是系统设计的独特之处，使系统可以实现大开角范围内高精度的目标定位；所谓正交垂直十字阵即类似于正交十字阵子天线的设计结构。

前置放大模块与四阵元接收水听器相连，其作用是对接收到的微弱信号进行低噪声放大，以便后续的滤波采集处理。

带通滤波模块与前置放大模块相连，其作用是将信号的有用频率成分粗略的提取出来，滤除掉干扰，为后级放大提供更好的信号，同时也为AD采集做好低通滤波的准备，避免高频重叠的AD采集对信号带来的影响。

自动增益控制模块与带通滤波模块相连，其作用是对滤波后的信号进行可变增益的放大，目的是为了使其输出的电压均匀分布在AD的转换范围内，使信号的信噪比大大提高，是提高系统精度的必要模块。

AD转换模块与自动增益控制模块相连，其功能是将模拟信号转换成数字信号，再通过接口与微处理器模块相连，以便进行后续的数字信号处理。

数据存储与网络通信模块与自动增益控制模块、AD转换模块相连，其主要功能是与主处理机进行实时通信，将采集的数字信号传输给主处理机进行定位解算。

功放模块与微处理器模块相连，将数字信号放大，并传输给发射换能器进行发送。

宽带水声应答器的功能结构图如图4所示，其用于声信号接收、处理和应答，主要包括发射和接收合置的水声换能器，核心信号处理模块，发射接收模块，高性能电池四个部分。

发射和接收合置的水声换能器主要功能是声信号接收和发射，发射和接收的切换采用收发转换开关。

核心信号处理板主要实现对唤醒信号的识别、信号的预处理以及ID号的匹配解算。

核心信号处理板主要由接收预处理、单片机值班电路、数字处理部分三个模块组成。单片机值班电路由检波电路、噪声门限电路、比较器、积分电路组成，其功能是判断当前接收信号是否是唤醒信号。如果信号的幅值和宽度都达到门限值，那么就认为此信号为唤醒信号，便向单片机发送中断请问求，从而给数字处理模块上电，准备对此后到来的扩频信号进行处理。

发射和接收模块主要实现对换能器发射信号进行功率放大、阻抗匹配、滤波等功能；对换能器接收的小信号进行前置放大、滤波、后置放大等功能。

高性能电池组对应答器进行供电，水声应答器长期工作在水下，靠电池供电，需要+2.5V、-2.5V、3.3V、1.2V供电，采用一块电池组为整个系统供电，满足大压差、高效率、低功耗、大电流的供电要求。

在上述四个组成部分当中，模拟接收和模拟值守电路为常开电路，单片机工作在待机状态下，等待模拟值守电路的唤醒；数字信号处理部分和发射模块平时工作在掉电状态，由单片机控制其工作状态。

方位姿态参考单元3用于测量超短基线声头纵倾、横摇和航向角的信息，是超短基线定位装置获取水下绝对地理坐标不可或缺的设备。

使用上述基于扩频通信的超短基线水声定位装置进行目标定位的工作流程如下：

当系统准备就绪，首先由甲板控制单元1通过显控计算机向超短基线声头2下达发射指令，且同时向专用信号处理机提供若干个水声应答器的预先分组情况。

超短基线声头2接收到指令后，通过功率放大器驱动发射换能器发送声信号，在宽带发射信号之前预置应答器唤醒信号，正处于低功耗待机状态的水声应答器一旦收到先期抵达的唤醒信号后即刻进入正常工作状态，应答发射内置的特定扩频信号。

超短基线声头2接收经水声通道传播的应答信号，并将其传输至甲板控制单元1的专用信号处理机，完成应答信号同步和解码，解得水声应答器的相对坐标。

同时利用方位姿态参考单元3以及GPS卫星4所测得的信息给出水声应答器的绝对地理坐标，从而给出被定位目标或设备的定位信息，并将定位信息实时传输给显控终端。

采用上述超短基线水声定位装置进行目标定位，具有以下显著优点：

1、采用扩频通信方式，可同时对多个水声应答器进行定位，缩短系统定位时间，提高系统工作效率；

2、为了提高系统对水平远距离入射声线的测向精度，在超短基线声头垂直方向上设置一定的孔径尺寸，极大提高水平大开角方向上的坐标定位精度。由于水平远距离入射声线的定位误差主要来源于垂直方向上的坐标定位误差，所以垂直孔径的引入提高了水平远距离应答信号的定位精度，从而提高整个系统的定位精度。

3、甲板控制单元在测距的同时能够识别水声应答器的地址码信息，参照无线移动网CDMA中多用户分区的概念，利用较小的发射功率覆盖某一区域内的水声应答器，而该区中的水声应答器拥有不同的组号，相同的组号中又拥有互相关性很小的地址码号，利用两层搜寻方式大大提高了地址码的识别效率。水下的水声应答器组成一个无线网络，每一个都有其ID地址，采用码分多址系统可以为每个应答器分配各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息，在频率、时间和空间上都可以重叠，灵活有效地使用系统频带资源，可以扩展传输信号带宽，因而具有很强的抗干扰能力。

4、该系统具有低功耗的宽带水声应答器，工作时间长。在电源管理方面，模拟接收模块、值班电路模块、数字处理模块和发射模块电源全部可控，只有在应答模式下数字处理模块和发射模块才接通电源。电源转化模块采用高效率芯片，提高电池利用率，MCU及DSP在低功耗模式下有极低的待机电流。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.基于扩频通信的超短基线水声定位装置，其特征在于，包括：

甲板控制单元，设置在工作船只上，用于发出控制命令给超短基线声头，接收超短基线声头、方位姿态参考单元和GPS卫星回传的信号，并处理该信号获得被定位目标的位置信息；

超短基线声头，固定安装在工作船只上，按照所述甲板控制单元的控制命令发出声信号给水声应答器，并采集水声应答器的应答信号，经预处理之后通过通讯网络传输至所述甲板控制单元；

方位姿态参考单元，设置在所述超短基线声头连接杆上，实时测量所述超短基线声头的运动信息，并通过通讯网络将所测得的信息传输给所述甲板控制单元；

若干个水声应答器，设置在被定位目标上，通过水声无线信道通信接收所述超短基线声头发出的声信号，并对所述声信号进行处理和做出应答；

GPS卫星，监测所述超短基线声头的绝对地理坐标，并将所监测到的坐标信息传输至所述甲板控制单元。

2.如权利要求1所述的基于扩频通信的超短基线水声定位装置，其特征在于，所述甲板控制单元包括：主处理机和分别与所述主处理机相连的DGPS、监控终端和声速剖面仪；所述主处理机与所述监控终端利用串口通信，所述主处理机接收所述DGPS和声速剖面仪的信息数据，处理获得所述水声应答器的位置信息，传输给所述监控终端进行被定位目标的实时位置显示。

3.如权利要求2所述的基于扩频通信的超短基线水声定位装置，其特征在于，所述超短基线声头包括：

四阵元接收水听器，用于接收所述水声应答器的应答信号；

前置放大模块，与所述四阵元接收水听器相连，对四阵元接收水听器接收的应答信号进行低噪声放大；

带通滤波模块，与所述前置放大模块相连，对低噪声放大的信号进行干扰滤除；

自动增益控制模块，与所述低通滤波模块相连，对滤波后的信号进行可变增益放大；

A/D转换模块，与所述自动增益控制模块和微处理器模块相连，将所述自动增益控制模块输出的模拟信号转换为数字信号，并传输给所述微处理器模块进行数字信号处理；

数据存储和网络通信模块，与所述微处理器模块相连，将所述数字信号传输给所述主处理机；

功放模块，与所述微处理器模块相连，将所述数字信号放大，并传输给发射换能器进行发送；

发射换能器，与所述功放模块相连，用于信号的发送。

4.如权利要求3所述的基于扩频通信的超短基线水声定位装置，其特征在于，所述水声应答器包括：

收发合置水声换能器，用于声信号的接收和发射；

发射接收模块，与所述收发合置水声换能器相连，对其发射和接收的信号分别进行处理；

核心信号处理模块，与所述发射接收模块相连，用于信号的识别和处理；

电池组，与所述核心信号处理模块相连，为所述水声应答器供电。

5.如权利要求4所述的基于扩频通信的超短基线水声定位装置，其特征在于，所述收发合置水声换能器内设置有收发转换开关，进行所述收发合置水声换能器发射和接收声信号的切换。

6.如权利要求4所述的基于扩频通信的超短基线水声定位装置，其特征在于，所述核心信号处理模块包括顺次相连的接收与处理模块、单片机值班电路模块和数字处理模块；所述单片机值班电路模块由检波电路、噪声门限电路、比较器和积分电路组成。

7.如权利要求1-6中任一项所述的基于扩频通信的超短基线水声定位装置，其特征在于，所述超短基线声头设置为正交垂直十字阵。

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