專利名稱：基于模糊模式識別的水聲定位測量裝置和測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及水聲定位測量技術，尤其是涉及基于模糊模式識別的水聲定位測量裝置和測量方法。
背景技術：
水聲定位測量技術是一個較為寬泛的多學科領域，其中包含水下聲學、物理海洋學、電聲傳感器設計、電子設計、水下建筑物、信號處理、概率、隨機過程、估算理論、控制理論等學科領域的內容。就實時的水聲定位系統而言，還涉及計算機及軟件設計知識。近年來，水聲定位技術在水下測深、定位、目標探測與識別、通信、導航、遙控、尋找油氣、開發(fā)礦產等方面得到了十分廣泛的應用。目前比較常用的定位測量方法有到達角(Angle of Arrival,A0A)定位、到達時間(Time of Arrival,T0A)定位、到達時間差(Time Difference of Arrival, TDOA)定位以及Α0Α/Τ0Α、A0A/TD0A等混合定位方法。但是由于多徑衰落，多普勒頻移，噪聲等因素的影響，使得整個定位系統的穩(wěn)定性差，測量精確度低，從而導致最后的定位精度不夠理想。通過采用模糊模式識別的方法可以較大程度的克服以上不利因素帶來的影響。
中國專利CN101576618公開一種基于小波變換的水聲定位測量方法和測量系統， 可以對采集的水中目標源信號進行小波變換，計算目標源的運動速度和距離，根據三角定位法，確定目標源的位置參數。其測量方法包括采集目標源的信號(Si)，對采集目標源的信號執(zhí)行小波變換(S2)，計算速度及距離(S3)，三角定位法估算目標源的位置(S4)，輸出位置參數(SO。其測量系統包括包括水聽器陣、信號采集模塊、信號處理系統、存儲器和輸出接口裝置。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種定位測量結果較準確的基于模糊模式識別的水聲定位測量裝置和測量方法。
所述基于模糊模式識別的水聲定位測量裝置設有信號發(fā)生模塊、功率放大模塊、 發(fā)射換能器、第1水聲接收換能器、第2水聲接收換能器、第1信號采集模塊、第2信號采集模塊和信號處理模塊；
信號發(fā)生模塊的信號輸出端接功率放大模塊輸入端，功率放大模塊輸出端接發(fā)射換能器輸入端，發(fā)射換能器輸出端分別接第1水聲接收換能器和第2水聲接收換能器的輸入端，第1水聲接收換能器和第2水聲接收換能器的輸出端分別接第1信號采集模塊和第2 信號采集模塊輸入端，第1信號采集模塊和第2信號采集模塊輸出端分別接信號處理模塊輸入端。
所述信號發(fā)生模塊用于產生所需特定參數的電測試信號。
所述功率放大模塊是一種以輸出較大功率為目的的放大電路，將信號發(fā)生模塊的微弱信號進行放大，以便信號能夠覆蓋整個區(qū)域。
所述發(fā)射換能器、第1水聲接收換能器和第2水聲接收換能器放置在水下，對信號進行電-聲轉換。
所述第1水聲接收換能器針對接收到的參考節(jié)點的數據，第2水聲接收換能器針對目標源節(jié)點的數據。
所述第1信號采集模塊和第2信號采集模塊為接收信號采樣數字化電路，把接收的信號進行數字化采樣，便于信號處理模塊處理。
所述信號處理模塊為處理運算中心，進行算法的實現，具有實施基于模糊模式識別的水聲定位測量方法的功能，對接收到的參考節(jié)點的數據進行構建參考圖表，然后對目標源節(jié)點的數據進行模糊識別匹配，估算目標源的位置，并采取三點內解三角形方法精確輸出目標源的坐標。
所述基于模糊模式識別的水聲定位測量方法，使用所述基于模糊模式識別的水聲定位測量裝置，所述方法包括以下步驟
1)固定發(fā)射換能器和劃分區(qū)域鋪設用來參考的接收換能器，采集接收換能器的信號，數據傳輸到信號處理系統，構建參考圖表；
2)對待定位目標源的接收換能器進行信號采集，數據傳輸到信號處理系統，采用模糊識別匹配算法估算出目標源的位置；
3)根據設定門限，若大于門限，則以參考點Ai的位置來逼近未知節(jié)點；若小于門限，則運用三點內解三角形方法來求解目標源節(jié)點的坐標。
以下給出本發(fā)明的測量原理
水聲定位與其他的定位不同，受傳輸環(huán)境的影響大，衰減也大，但是如果能利用這種衰減，反而把衰減變成一種可以利用的條件，將是有益的事情。設想在水下，是不是可以按照一種區(qū)分度來進行定位，就是在同一個點傳輸信號的情況下，接收點接收到的信號衰減大，可不可以認為是在遠端接收，接收點接收到的信號衰減小，可不可以認為是在近端接收，這是一個最簡單的例子，下面的水聲傳輸衰減和環(huán)境噪聲的物理模型將為詳細闡述物理的根據。
水聲傳輸衰減不僅僅是由發(fā)射端和接收端的距離決定，信號的頻率對其也有一定的影響。信號的頻率決定了由于聲能變?yōu)闊岬哪遣糠治論p耗。在頻率為f的情況下，路徑損耗和距離1的關系可以用下面的式子表示
A(l，f) = lka(f)1 (1)
其中k是擴散因子，a(f)是吸收系數，如果表達成dB的形式，水聲路徑損耗為
IOlogA (1，f) = k · 101ogl+l · IOloga(f) (2)
上式的第一項表示為擴散損耗，第二項表示為吸收損耗。由于不同的距離和頻率， 會產生不同的擴散損耗和吸收損耗，造成不同的衰減，所以提出一種運用發(fā)射不同頻率的信號，依靠衰減的區(qū)分度來進行水聲定位，也就是基于模糊模式識別的水聲定位測量方法。
設想有N個參考節(jié)點和1個發(fā)射節(jié)點，發(fā)射節(jié)點發(fā)送M個頻率的AM信號，N個參考節(jié)點接受到信號，進行采樣并計算均值和方差后，構建出聲信號的參考結果如表1所示。
表 權利要求
1.基于模糊模式識別的水聲定位測量裝置，其特征在于設有信號發(fā)生模塊、功率放大模塊、發(fā)射換能器、第1水聲接收換能器、第2水聲接收換能器、第1信號采集模塊、第2信號采集模塊和信號處理模塊；信號發(fā)生模塊的信號輸出端接功率放大模塊輸入端，功率放大模塊輸出端接發(fā)射換能器輸入端，發(fā)射換能器輸出端分別接第1水聲接收換能器和第2水聲接收換能器的輸入端， 第1水聲接收換能器和第2水聲接收換能器的輸出端分別接第1信號采集模塊和第2信號采集模塊輸入端，第1信號采集模塊和第2信號采集模塊輸出端分別接信號處理模塊輸入端。
2.如權利要求1所述的基于模糊模式識別的水聲定位測量裝置，其特征在于所述發(fā)射換能器、第1水聲接收換能器和第2水聲接收換能器放置在水下，對信號進行電-聲轉換。
3.如權利要求1所述的基于模糊模式識別的水聲定位測量裝置，其特征在于所述第1 水聲接收換能器針對接收到的參考節(jié)點的數據，第2水聲接收換能器針對目標源節(jié)點的數據。
4.如權利要求1所述的基于模糊模式識別的水聲定位測量裝置，其特征在于所述第1 信號采集模塊和第2信號采集模塊為接收信號采樣數字化電路，把接收的信號進行數字化采樣。
5.如權利要求1所述的基于模糊模式識別的水聲定位測量裝置，其特征在于所述信號處理模塊為處理運算中心。
6.基于模糊模式識別的水聲定位測量方法，其特征在于使用如權利要求1所述基于模糊模式識別的水聲定位測量裝置，所述方法包括以下步驟1)固定發(fā)射換能器和劃分區(qū)域鋪設用來參考的接收換能器，采集接收換能器的信號， 數據傳輸到信號處理系統，構建參考圖表；2)對待定位目標源的接收換能器進行信號采集，數據傳輸到信號處理系統，采用模糊識別匹配算法估算出目標源的位置；3)根據設定門限，若大于門限，則以參考點Ai的位置來逼近未知節(jié)點；若小于門限，則運用三點內解三角形方法來求解目標源節(jié)點的坐標。
全文摘要
基于模糊模式識別的水聲定位測量裝置和測量方法，涉及水聲定位測量技術。測量裝置設有信號發(fā)生模塊、功率放大模塊、發(fā)射換能器、第1水聲接收換能器、第2水聲接收換能器、第1信號采集模塊、第2信號采集模塊和信號處理模塊。測量方法為固定發(fā)射換能器和劃分區(qū)域鋪設用來參考的接收換能器，采集接收換能器的信號，數據傳輸到信號處理系統，構建參考圖表；對待定位目標源的接收換能器進行信號采集，數據傳輸到信號處理系統，采用模糊識別匹配算法估算出目標源的位置；根據設定門限，若大于門限，則以參考點Ai的位置來逼近未知節(jié)點；若小于門限，則運用三點內解三角形方法來求解目標源節(jié)點的坐標。
文檔編號G01S5/18GK102508202SQ20111030879
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月12日 優(yōu)先權日2011年10月12日
發(fā)明者程恩, 蘇為, 蔡立紹, 袁飛, 陳柯宇 申請人:廈門大學