拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置。硬件主要包括標(biāo)定聲源、接收水聽器陣列、信號采集傳輸模塊陣列和數(shù)據(jù)處理模塊。陣形標(biāo)定過程主要包括以下步驟：（1）系統(tǒng)同步時鐘下，標(biāo)定聲源發(fā)射標(biāo)定水聲信號；（2）根據(jù)系統(tǒng)同步時鐘，在發(fā)射聲信號的同時，各采集傳輸模塊陣列開始工作，定時器開始計時，水聽器采集數(shù)據(jù)；（3）采集傳輸模塊采集到發(fā)射標(biāo)定水聲信號的同時，記錄定時器的計時時間，傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊；（4）根據(jù)計時時間，估計各接收水聽器與標(biāo)定聲源之間的距離；（5）數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)上述估計結(jié)果并結(jié)合深度傳感器數(shù)據(jù)，估計各水聽器的坐標(biāo)，實現(xiàn)陣形標(biāo)定。本發(fā)明所述裝置及方法可方便的實現(xiàn)拖曳陣各陣元位置標(biāo)定。
【專利說明】拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置及方法，屬于水聲【技術(shù)領(lǐng)域】。 技術(shù)背景
[0002] 拖曳線列陣不受艦體和拖體空間的制約，水聽器數(shù)量多，聲陣長度長、孔徑大，可 接受低頻乃至甚低頻聲波，探測距離遠遠大于傳統(tǒng)的殼體聲吶和拖曳變深聲吶，現(xiàn)已得到 普遍的軍事以及非軍事應(yīng)用。但其在應(yīng)用中存在著一些固有的弊端。如拖線陣的聲學(xué)段是 柔性的，在水下拖曳時，易受艦艇機動與洋流的影響，出現(xiàn)陣型畸變，導(dǎo)致探測性能下降，甚 至無法工作。
[0003] 有文獻提出技術(shù)上可利用拖線陣接受的平面波信號進行陣型測量和畸變補償；在 陣內(nèi)通過布放多個航向傳感器，按各部位航向變化擬合出陣型進行陣型畸變補償；或者在 陣內(nèi)布置聲測系統(tǒng)測量陣型，進行陣型畸變的補償?shù)鹊取?br> [0004] 本發(fā)明所述拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置及方法，可用于改善陣形畸變導(dǎo)致的拖曳線 列陣探測性能下降問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置及方法，利用聲學(xué)方法來進行拖線陣陣 元位置標(biāo)定，實施方法簡單，價格低廉。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置，其特征是，包括標(biāo)定聲源、接收 水聽器陣列、信號采集傳輸模塊陣列和數(shù)據(jù)處理模塊，
[0007] 所述標(biāo)定聲源為兩個發(fā)射換能器，分別安裝在艦體頭部和尾部，與接收水聽器陣 列工作在同一系統(tǒng)時鐘下，發(fā)射陣形標(biāo)定用水聲信號；
[0008] 所述接收水聽器陣列，接收經(jīng)水聲信道傳播到各自的標(biāo)定水聲信號，并將其轉(zhuǎn)變 為電信號，每個水聽器配備一個深度傳感器，實時獲得各個接收水聽器的深度信息；
[0009] 所述信號采集傳輸模塊陣列在發(fā)射聲信號的同時開始工作，定時器開始計時，在 采集到發(fā)射標(biāo)定水聲信號的同時，記錄定時器的計時時間，傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊；
[0010] 所述數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)水中聲速與定時器計時時間，估計各接收水聽器與標(biāo)定聲 源之間的距離，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)上述估計結(jié)果并結(jié)合深度傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)運算得到各個 水聽器的估計坐標(biāo)，實現(xiàn)陣形標(biāo)定。
[0011] 前述的拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置，其特征是，所述的標(biāo)定聲源發(fā)射的水聲信號采 用不同GOLD序列編碼，具有最優(yōu)的距離估計精度和用戶識別能力。
[0012] 前述的拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置，其特征是，所述信號采集傳輸模塊陣列內(nèi)部預(yù) 置有標(biāo)定聲源所使用的GOLD序列，以完成接收信號的判定。
[0013] 前述的拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置，其特征是，所述數(shù)據(jù)處理模塊基于拖線陣的數(shù) 據(jù)處理平臺或另行配備高速數(shù)字信號處理平臺，以滿足實時信號處理要求，實現(xiàn)實時的位 置標(biāo)定，并將結(jié)果應(yīng)用于線陣實時數(shù)據(jù)處理。
[0014] 基于拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置的判斷方法，其特征是，包括以下步驟：
[0015] (1)在系統(tǒng)同步時鐘下，標(biāo)定聲源發(fā)射使用GOLD序列編碼的標(biāo)定水聲信號；
[0016] (2)在系統(tǒng)同步時鐘下，發(fā)射聲信號的同時，各采集傳輸模塊陣列開始工作，定時 器開始計時，采集數(shù)據(jù)；
[0017] (3)采集傳輸模塊采集到發(fā)射標(biāo)定水聲信號的同時，記錄定時器的計時時間，傳輸 至數(shù)據(jù)處理模塊；
[0018] (4)根據(jù)水中聲速與定時器計時時間，估計各接收水聽器與標(biāo)定聲源之間的距 離；
[0019] (5)數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)上述估計結(jié)果以及深度傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)運算得到各個水聽 器的估計坐標(biāo)，實現(xiàn)陣形標(biāo)定。
[0020] 前述的基于拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置的判斷方法，其特征是，所述采集傳輸模塊 的采集傳輸過程為：采用AD采集芯片，在超聲源發(fā)射超聲信號的同時，MCU打開定時器，同 時控制AD采集芯片在一定采樣頻率下開始信號采集，在AD芯片采集到發(fā)射標(biāo)定信號的同 時，定時器記錄此時的定時標(biāo)志，得到各個傳輸時間，并將其傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊。
[0021] 前述的基于拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置的判斷方法，其特征是，所述數(shù)據(jù)處理模塊 的水聽器坐標(biāo)解算過程為：根據(jù)三維空間兩點間距離公式，在標(biāo)定聲源和N個拖曳線列陣 水聽器間，可得2N個距離方程：
[0022] (x(. - X01)' + (yt - ym Y + (Zj - z01)' = Rn =
[0023] (Xj-x〇2f+iyj-y〇2f +(Zi-z〇2y- = fn (i = 1,2,…，K)
[0024] 其中，（xQ1, yQ1, zQ1)和（xQ2, yQ2, zQ2)為標(biāo)定聲源的坐標(biāo)，（Xi, yi; Zi)為各待定位 水聽器的坐標(biāo)，為估計所得的各水聽器與標(biāo)定聲源的距離，N個水聽器的空間坐標(biāo) (Xi，yi，Zi)總計有未知數(shù)3N個，其中各水聽器所處深度值可直接由纜中安裝的深度傳感器 獲得，及實際只有2N個未知數(shù)，聯(lián)立上述2N個方程構(gòu)成方程組，即可解得水聽器坐標(biāo)，實現(xiàn) 陣形標(biāo)定。
[0025] 本發(fā)明所達到的有益效果：
[0026] 1.本發(fā)明利用聲學(xué)手段，通過對標(biāo)定聲源到拖曳陣各陣元水聲傳播時間的測量， 得到其兩兩之間的距離信息，然后根據(jù)空間兩點間距離公式寫出距離方程組，通過對方程 組的求解達到對陣元坐標(biāo)進行標(biāo)定的目的。
[0027] 2.本發(fā)明所屬裝置及方法不需對目標(biāo)拖曳陣進行改裝，僅需在拖體上安裝標(biāo)定聲 源，并將標(biāo)定聲源系統(tǒng)和拖曳線列陣系統(tǒng)在時間上進行同步即可實現(xiàn)所述陣元位置標(biāo)定工 作，實現(xiàn)簡單，易于現(xiàn)場操作，特別適用于配備有拖曳線列陣的艦艇在進行陣列拖曳、目標(biāo) 探測時使用。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0028] 圖1為系統(tǒng)整體不意圖；
[0029] 圖2為距離估計示意圖；
[0030] 圖3為標(biāo)定聲源系統(tǒng)框圖；
[0031] 圖4為GOLD序列生成流程圖；
[0032] 圖5為采集傳輸部分的組成方框圖。

【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0034] 如圖1至圖5所示，拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置，包括標(biāo)定聲源、接收水聽器陣列、信 號采集傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。
[0035] 本發(fā)明所述的標(biāo)定聲源模塊主要包括：CPU、同步模塊、D/A模塊、GPS模塊、換能器 驅(qū)動電路、換能器等，如圖3所示，其中只有換能器屬于濕端部分，需要工作于水下，其余部 分均在甲板上。為了最大程度上減少系統(tǒng)誤差，現(xiàn)場安裝時須將換能器使用硬連接布放，并 將GPS模塊至于換能器垂直正上方，同時測量換能器到GPS模塊的距離，以期得到標(biāo)定聲源 的絕對地理坐標(biāo)（xQ1, yQ1, zQ1)和（xQ2, yQ2, zQ2)。
[0036] CPU是整個標(biāo)定聲源模塊的控制中心，其實現(xiàn)GOLD序列的產(chǎn)生、載頻信號的產(chǎn)生， 進一步生成調(diào)制信號并送至D/A轉(zhuǎn)換模塊。
[0037] 同步模塊將兩個標(biāo)定聲源系統(tǒng)和拖曳線列陣系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的時間 同步：換能器發(fā)射標(biāo)定信號的同時，拖曳線列陣系統(tǒng)中用于陣形標(biāo)定的分計時系統(tǒng)開始工 作，用于精確測量收發(fā)之間的水聲信號傳播時間。
[0038] D/A模塊負責(zé)將CPU產(chǎn)生的已調(diào)GOLD序列從數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號以便于后續(xù) 驅(qū)動電路使用。
[0039] 驅(qū)動電路將D/A后的模擬信號進行功率放大，并加以換能器阻抗匹配處理，驅(qū)動 換能器福射標(biāo)定水聲信號。
[0040] GPS模塊用來提供實時時間信息以及空間位置坐標(biāo)，CPU根據(jù)需要定時從GPS模塊 讀取上述信息，并結(jié)合現(xiàn)場測量所得GPS模塊與換能器之間的高度差信息，計算出換能器 在各個時間點所處的空間絕對地理坐標(biāo)。
[0041] 通信模塊采用有線或者無線通信方式將上述換能器在各個時間點所處的空間絕 對地理坐標(biāo)信息傳送給拖曳線列陣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊，供坐標(biāo)標(biāo)定運算處理用。
[0042] CPU產(chǎn)生GOLD序列的流程圖如圖4所示，兩個m序列，如果它們的互相關(guān)函數(shù)的絕 對值有界，且滿足以下條件：
[0043]

【權(quán)利要求】
1. 拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置，其特征是，包括標(biāo)定聲源、接收水聽器陣列、信號采集傳 輸模塊陣列和數(shù)據(jù)處理模塊， 所述標(biāo)定聲源為兩個發(fā)射換能器，分別安裝在艦體頭部和尾部，與接收水聽器陣列工 作在同一系統(tǒng)時鐘下，發(fā)射陣形標(biāo)定用水聲信號； 所述接收水聽器陣列，接收經(jīng)水聲信道傳播到各自的標(biāo)定水聲信號，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡?信號，每個水聽器配備一個深度傳感器，實時獲得各個接收水聽器的深度信息； 所述信號采集傳輸模塊陣列在發(fā)射聲信號的同時開始工作，定時器開始計時，在采集 到發(fā)射標(biāo)定水聲信號的同時，記錄定時器的計時時間，傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊； 所述數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)水中聲速與定時器計時時間，估計各接收水聽器與標(biāo)定聲源之 間的距離，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)上述估計結(jié)果并結(jié)合深度傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)運算得到各個水聽 器的估計坐標(biāo)，實現(xiàn)陣形標(biāo)定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置，其特征是，所述的標(biāo)定聲源發(fā)射 的水聲信號采用不同GOLD序列編碼，具有最優(yōu)的距離估計精度和用戶識別能力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置，其特征是，所述信號采集傳輸模 塊陣列內(nèi)部預(yù)置有標(biāo)定聲源所使用的GOLD序列，以完成接收信號的判定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置，其特征是，所述數(shù)據(jù)處理模塊基 于拖線陣的數(shù)據(jù)處理平臺或另行配備高速數(shù)字信號處理平臺，以滿足實時信號處理要求， 實現(xiàn)實時的位置標(biāo)定，并將結(jié)果應(yīng)用于線陣實時數(shù)據(jù)處理。
5. 基于權(quán)利要求1所述的拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置的判斷方法，其特征是，包括以下 步驟： (1) 在系統(tǒng)同步時鐘下，標(biāo)定聲源發(fā)射使用GOLD序列編碼的標(biāo)定水聲信號； (2) 在系統(tǒng)同步時鐘下，發(fā)射聲信號的同時，各米集傳輸模塊陣列開始工作，定時器開 始計時，采集數(shù)據(jù)； (3) 采集傳輸模塊采集到發(fā)射標(biāo)定水聲信號的同時，記錄定時器的計時時間，傳輸至數(shù) 據(jù)處理模塊； (4) 根據(jù)水中聲速與定時器計時時間，估計各接收水聽器與標(biāo)定聲源之間的距離； (5) 數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)上述估計結(jié)果以及深度傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)運算得到各個水聽器的 估計坐標(biāo)，實現(xiàn)陣形標(biāo)定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置的判斷方法，其特征是，所述 采集傳輸模塊的采集傳輸過程為：采用AD采集芯片，在超聲源發(fā)射超聲信號的同時，MCU打 開定時器，同時控制AD采集芯片在一定采樣頻率下開始信號采集，在AD芯片采集到發(fā)射標(biāo) 定信號的同時，定時器記錄此時的定時標(biāo)志，得到各個傳輸時間，并將其傳輸至數(shù)據(jù)處理 模塊。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于拖曳線列陣陣形標(biāo)定裝置的判斷方法，其特征是，所述 數(shù)據(jù)處理模塊的水聽器坐標(biāo)解算過程為：根據(jù)三維空間兩點間距離公式，在標(biāo)定聲源和N 個拖曳線列陣水聽器間，可得2N個距離方程：
其中，（XQ1，yQ1，ZQ1)和（xQ2,yQ2,zQ2)為標(biāo)定聲源的坐標(biāo)，（Xi,yi;Zi)為各待定位水聽器的 坐標(biāo)，為估計所得的各水聽器與標(biāo)定聲源的距離，N個水聽器的空間坐標(biāo)（Xi，yi，Zi) 總計有未知數(shù)3N個，其中各水聽器所處深度值可直接由纜中安裝的深度傳感器獲得，及實 際只有2N個未知數(shù)，聯(lián)立上述2N個方程構(gòu)成方程組，即可解得水聽器坐標(biāo)，實現(xiàn)陣形標(biāo)定。
【文檔編號】G01S7/52GK104407340SQ201410720288
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】李建, 時從斌, 葛新日, 溥德陽, 賀朝暉 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)