水面活动平台用的水声接收器位置实时自校准系统和方法
阅读说明：本技术 水面活动平台用的水声接收器位置实时自校准系统和方法 (System and method for real-time self-calibration of underwater acoustic receiver position for water surface movable platform ) 是由 龚浩亮 匡彪 于 2021-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明提出了水面活动平台用的水声接收器位置实时自校准系统及方法,可在近距离、有效开角范围内直接对水下水声接收器进行高精度定位,为基于水面活动平台的高精度水声定位跟踪测量基阵现场、实时校准提供可行、有效的技术手段,可解决在高海/湖况、大流速条件下,柔性长缆悬浮、吊放或拖曳基阵的水声接收器随流扰动导致系统定位精度降低的难题；同时采用高频、低声源级自校准信标设计方案,可有效规避校准装置与其他水下声纳的声干扰问题,大大提高了实用性。(The invention provides a real-time self-calibration system and a real-time self-calibration method for the position of an underwater acoustic receiver for a water surface movable platform, which can directly carry out high-precision positioning on the underwater acoustic receiver in a close range and an effective opening angle range, provide a feasible and effective technical means for high-precision underwater acoustic positioning, tracking and measuring array site and real-time calibration based on the water surface movable platform, and solve the problem that the positioning precision of the system is reduced due to the disturbance of the underwater acoustic receiver of a flexible long cable suspension, suspension or towing array along with flow under the conditions of high sea/lake condition and large flow speed; meanwhile, the design scheme of the high-frequency and low-sound-source-level self-calibration beacon is adopted, so that the problem of sound interference between the calibration device and other underwater sonars can be effectively avoided, and the practicability is greatly improved.)
技术领域
本发明涉及水下试验与测试技术领域，主要用于采用柔性连接布放(如吊放、悬浮或拖曳)方式的基于浮标、水面无人机动平台或舰船等水面活动平台，主要想解决其实际使用中存在的误差问题，具体为水面活动平台用的水声接收器位置实时自校准系统和方法。
背景技术
基于浮标、水面无人机动平台或舰船等水面活动平台搭载安装方式的水声跟踪定位系统在海/湖上使用时，为规避或降低恶劣水文条件、复杂水面工况以及近水面背景干扰噪声大等不利因素的影响，需将与水面活动平台连接的水声接收器(单水听器或基阵)通过柔性电缆布放至一定深度。但同时带来了另一个问题：受风浪、水流的影响，水声接收器与水面平台的相对位置摆动或漂移现象严重，如附图1所示，使得接收器的水下实际位置参数已无法直接使用水面平台的高精度卫星定位数据替代，若该问题不予解决，必然导致水声测量精度大大降低。若系统为多个水声测量节点构成的长基线系统，则水下基阵阵型一直处于随流摆动状态，特别是在恶劣水文或高海/湖况条件下问题更加突出，由此带来的定位误差可能造成系统无法有效使用。
对此，以往通常利用水声接收器的布放缆长、布放深度及水流流向等数据进行粗略补偿修正，取得了一定的改善效果。但水下航行器技术的发展对水声跟踪定位测量系统的测量精度、作用范围等能力及水平提出了越来越高的要求，传统补偿修正方式因参与计算的几个参数本身又存在较大的不确定性(如流向数据难以实现原位实时精细测量)，在高海/湖况、大流速条件下长缆布放使用时，仍然无法有效解决水声接收器位置的随流摆动难题。
发明内容
为解决上述现有技术存在的不足，发明人经过研发设计，提出了一种针对柔性连接式水声接收器水下位置的实时自校准方法，设计了一种超短基线水声自发自收定位校准装置方案，可为基于水面活动平台的高精度水声定位跟踪测量基阵的现场、实时校准提供可行、有效的技术途径，能够解决在高海/湖况、大流速条件下，柔性长缆悬浮、吊放或拖曳基阵的水声接收器随流摆动导致系统定位精度降低的难题，以保证水声测量系统的定位精度；同时，采用了高频、低声源级自校准信标设计方案，可有效规避校准装置与其他水下声纳的声干扰问题，能大大提高装置的实用性。本发明是这样实现的：
水面活动平台用的水声接收器位置实时自校准系统：
高频发射换能器(5)，通过柔性水密承重电缆连接并安装在与水声接收器(4)相近或相接触的位置上，用于向超短基线定位基阵(2)发射校准水声信号；
超短基线定位基阵(2)，安装在水面活动平台上，用于接收来自高频发射换能器(5)的校准水声信号，并将接收到的校准水声信号传输至校准信号处理设备(3)；
校准信号处理设备(3)，用于接收超短基线定位基阵(2)接收到的校准水声信号,完成信号检测处理及超短基线定位解算，得到水声接收器(4)水平位移信息，并发送至船基/岸基水声定位跟踪系统数据解算处理设备。
进一步的，所述超短基线定位基阵(2)，接收指向性为水平全向、垂直下半空间不小于±30°；自校准装置的水声校准信号工作频段不小于95kHz，发射声源级不大于175dB。
进一步的，所述超短基线定位基阵(2)、高频发射换能器(5)与水声接收器(4)的工作频段不同，所述水声接收器(4)和高频发射换能器(5)相接触式或近距离分布安装，高频发射换能器(5)与置于水密电子舱(8)内的水声信号发射器连接，受水声信号发射器控制发出水声信号。
进一步的，所述水面活动平台还包括有卫星定位设备(6)，与校准信号处理设备(3)数据连接。
进一步的，所述水声发射器(4)安装在水密电子舱内，所述水面活动平台为测量船、水面无人器、浮标等其中的一种。
本发明的另一方面提供了水面活动平台用的水声接收器位置实时自校准方法，包括以下步骤：
步骤S1、在水面活动平台的水下水声发射器(4)的相近位置靠近或相接触式地安装高频发射换能器(5)；
步骤S2、高频发射换能器(5)接收水声信号发射机的校准指令，基于校准指令发出校准水声信号；
步骤S3、安装在水面活动平台上的超短基线定位基阵(2)接收校准水声信号，并发送至校准信号处理设备(3)，
步骤S4、校准信号处理设备(3)完成信号检测处理及超短基线定位解算，得到水声接收器(4)水平位移信息，并发送至船基/岸基水声定位跟踪系统数据解算处理设备。
步骤S5、获取安装在水面活动平台上的卫星定位设备(6)的定位参数，并和水声接收器(4)的水平位移信息进行实时校准修正，得到真实的水声接收器(4)的实际坐标信息。
进一步的，高频发射换能器(5)和超短基线定位基阵(2)的水声校准信号工作频段：不小于95kHz；发射声源级：不大于175dB；接收指向性：水平全向、垂直下半空间不小于±30°；水平自定位精度：优于R×5‰(R为斜距)；重复周期：1s～10s，1s可调。
本发明的工作原理介绍：
在水面活动平台上安装一套小型化超短基线定位器，主要由装载于水面活动平台上的超短基线定位基阵及信号处理设备，连接于柔性电缆下端头的水声信号发射机(安装于水密电子舱内)和发射换能器组成，可在近距离、有效开角范围内直接对水下水声接收器进行高精度定位，每个水面活动平台下方的水声信号接收器用于接收来自水下深处的水声设备发出的水声信号并传输至校准信号处理设备等待处理，另一方面，水声发射器控制高频发射换能器向超短基线定位基阵发射出特定频段的校准水声信号，超短基线定位基阵接收到高频发射换能器的信号后通过校准信号处理设备，获得水声信号接收器的真实位置信息，从而可以根据卫星定位设备等多个参数传送至岸基或海面活动平台的终端处理设备进行位置计算，提高水声测量精度出，得到水下深处的水声设备的精准位置。
本发明的有益效果：
采用自发自收式超短基线高频水声定位方案，在低发射声源级条件下、良好接收开角范围内，实现短距离柔性连接(布放)的水声接收器水下位置的实时高精度自校准，也解决了传统测量方式在恶劣水况条件下布放过长和测量误差较大、测量不准确等问题。为基于水面活动平台的高精度水声定位跟踪测量基阵现场、实时校准提供可行、有效的技术手段，可解决在高海/湖况、大流速条件下，柔性长缆悬浮、吊放或拖曳基阵的水声接收器随流扰动导致系统定位精度降低的难题，同时采用声兼容设计方案，大大提高了实用性。
附图说明
图1:柔性连接式水声测量基阵随流漂移示意图；
图2:超短基线定位器组成结构示意图；
图3：工作原理框图。
其中：1、小型化超短基线定位器；2、超短基线定位基阵；3、校准信号处理设备；4、水声信号接收器；5、高频发射换能器；6、卫星定位设备；7、承重电缆；8水密电子舱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
当前，军民用两方面新的试验测试需求对水声跟踪定位系统的性能提出了较高的要求，主要为定位精度、作用范围指标大大提高，复杂测试环境下的声兼容难题，高海况、复杂海底地形及恶劣水文条件下可稳定测量难题同时出现。为了满足新的技术性能需求或要求，克服出现的新问题，水声跟踪测量系统的结构将更复杂，针对本发明所述的水面活动平台或潜标式测量设备，突出表现为基阵柔性布放缆加长，导致末端水声接收器的位置摇摆更突出，而传统短缆布放、低精度测量时，较易解决水下高精度校准问题，比如仅进行水面卫星定位，或者通过流向-缆长-深度粗略几何修正，就能满足要求，甚至无需进行水下接收器的高精度位置校准。本发明增加了系统的复杂度，一般来说无需考虑如此方案，但在新的特殊应用场景下，该方案能够同时解决恶劣或复杂测量海洋环境下的实时高精度校准、声兼容难题，从而满足较高的试验测试需求。
实施例：
本实施例采用自发自收式超短基线高频水声定位方案，在低发射声源级条件下、良好接收开角范围内，实现短距离柔性连接(布放)的水声接收器水下位置的实时高精度自校准。
自校准装置组成、功能及原理
组成：在水面活动平台上安装一套小型化超短基线定位器，主要由装载于水面活动平台上的超短基线定位基阵及信号处理设备，连接于柔性电缆下端头的水声信号发射机(安装于水密电子舱内)和发射换能器组成，如附图2所示。
功能：水下发射换能器/接收基阵水声自定位；水下基阵自定位位置信息上传。
由于发射换能器与水声接收器为一体化设计，空间位置近似重叠，发射换能器的位置即代表了接收器的位置，因此测出发射换能器位置就等同于测出了水声接收器的位置。
装置采用水声信号自发自收的超短基线水声定位方式进行水下基阵的位置校准，工作原理如附图3所示。
装置使用流程说明如下：
水声跟踪定位系统布放入水后，启动校准装置上电工作；
控制安装于柔性电缆端头的水声信号发射机通过发射换能器周期性(或根据控制指令)发射基阵校准水声脉冲信号；
装载于水面活动平台上的超短基线定位基阵接收基阵校准水声脉冲信号，信号处理设备完成信号检测处理及超短基线定位解算，得到接收器水平位移信息，并发送至船基/岸基水声定位跟踪系统数据解算处理设备；
船基/岸基水声定位跟踪系统数据解算处理设备利用校准装置上传的水声接收器位置信息，实时修正通过水面平台的卫星定位设备直接获取的基阵位置参数，达到降低长缆随流漂移误差的目的。
自校准装置主要性能指标
为避免与试验中可能同时使用的舰船/潜艇声纳设备、水下目标定位合作信标或鱼雷自导等水声信号的相互干扰，并保证良好的自校准能力，校准设备研制实施中建议的主要性能指标为：
水声校准信号工作频段：不小于95kHz；
发射声源级：不大于175dB；
接收指向性：水平全向、垂直下半空间不小于±30°；
水平自定位精度：优于R×5‰(R为斜距)；重复周期：1s～10s，1s可调。
本实施例所具备的特点：
采用高频水声信号自发自收的超短基线水声定位方式进行水声接收器的水下位置校准，校准装置与主测量功能的水声接收器工作于不同频段，可现场、实时完成水声接收器水下位置自校准；
校准装置发射换能器与水声接收器为一体化设计，空间位置近似重叠，使用时对校准用发射换能器定位即相当于对主测量功能的水声接收器定位；
在近距离(如校准距离R不大于100m)、一定开角范围(超短基线阵接收指向性为水平全向、垂直下半空间不小于±30°)内实现水下水声接收器的高精度位置校准，水平位置校准精度可优于R×5‰m；
采用高频(水声校准信号工作频段不小于95kHz)、低声源级(发射声源级不大于175dB)自校准信标设计方案，可有效解决校准装置与主功能水下声学系统及试验水域内其他水下声呐系统的声兼容问题。
发明利用了近距离高检测信噪比的优势，信号处理时采用单频窄脉冲信号包络前沿检测方法进行测距时延估计，通过高采样率A/D采样及插值处理，试延估计精度可优于2μs；基于接收器深度同时通过压力传感器直接测量获得的优势条件，通过水平面投影圆交会原理实现对水声接收器(4)的水平位置定位解算，再结合深度信息实现空间三维定位校准，而不是采用传统的基于相位估计的超短基线定位方法；利用超短基线阵(2)的冗余测距信息(无模糊定位校准的最低阵元数为3个，本发明提出4阵元冗余结构)、基于超定方程的最小二乘定位解算算法进行高精度定位解算。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
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