一种超短基线五基元接收基阵及其水声定位方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103926563 A (43)申请公布日 2014.07.16 CN 103926563 A (21)申请号 201410150901.9 (22)申请日 2014.04.15 G01S 5/22(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工程大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通 大街 145 号哈尔滨工程大学科技处知 识产权办公室 (72)发明人 孙大军 郑翠娥 张居成 李昭 张殿伦 勇俊 李想 韩云峰 王永恒 (54) 发明名称 一种超短基线五基元接收基阵及其水声定位 方法 (57) 摘要 本发明涉及一种超短基线五基元接收基阵及 其水声定位方法。本。

2、发明为 5 个接收基元设置在 圆桶形基阵水密外壳内的底面上， 且以所述底面 中心为圆心沿圆周方向均匀分布。利用选取所述 基阵中任意 3 个接收基元的所有组合， 用每个组 合的三个基元求取目标方位值， 将得到所有组合 的目标方位值求平均值作为所测量目标的方位初 值， 所述初值满足设定的计算精度， 所述初值则作 为所测量目标的最终方位值。本发明提供的超短 基线五基元接收基阵， 使得最少的基元得到冗余 等精度测量基线， 利用 5 条等精度测量基线之间 的几何关系对目标定位进行复验解算使得系统解 决相位模糊问题的同时， 又保障了冗余数据判决 的有效性， 且提高了目标方位计算的有效性和可 靠性。 (51。

3、)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103926563 A CN 103926563 A 1/2 页 2 1. 一种超短基线五基元接收基阵， 包括 5 个接收基元和圆桶形基阵水密外壳， 其特征 在于 ： 5 个接收基元设置在圆桶形基阵水密外壳内的底面上， 所述 5 个接收基元以所述底面 中心为圆心沿圆周方向均匀分布 ； 5 个接收基元中任意非相邻的 2 个接收基元连线组成一 条测量基线。 2. 根据权利要求 1 所述的一种超短基线五基元接收。

4、基阵， 其特征在于 ： 所述 5 个接收 基元形成的圆周的直径为 30cm。 3. 根据权利要求 1 所述的一种超短基线五基元接收基阵， 其特征在于 ： 所述 5 个接收 基元均为采用高精度的激光切割技术在实体金属上切割成型的接收基元， 所述 5 个接收基 元通过绝缘树脂进行灌封固定在圆桶形基阵水密外壳内的底面上。 4. 一种超短基线五基元接收基阵水声定位方法， 其特征在于 ： 步骤一 ： 选取超短基线五基元接收基阵中任意 3 个接收基元形成一个基元组合， 根据 该基元组合中的每个接收基元测量目标的时延估计值， 构建目标方位解算方程， 获取目标 方位值 ； 步骤二 ： 重复步骤一， 改变选取的。

5、接收基元， 遍历所有基元组合， 统计不同接收基元组 合的情况下求解的目标方位值， 并根据得到的不同接收基元组合的目标方位值求平均值作 为所测量目标的方位初值 ； 步骤三 ： 判断步骤二求解的所测量目标的方位初值是否满足计算精度， 若满足， 则将所 述方位初值作为所测量目标的最终方位值， 若不满足， 则重新执行步骤一， 重新测量。 5. 根据权利要求 4 所述的一种超短基线五基元接收基阵水声定位方法， 其特征在于 ： 所述步骤一中， 构建目标方位解算方程为 ： 其中， Ri、 Rj和 Rz分别为选取的 3 个接收基元与所测量目标的距离值， 所述距离值是根 据时延估计值转换得到的， i、 j 和 。

6、z 分别取 1， 5 的任意不同的整数 ； L1 li,lj 和 L2 li,lz 均为接收基元位置参数向量， li为第 i 个接收基元的位置参数， lj第 j 个接收基元 的位置参数， lz第 z 个接收基元的位置参数 ； ,T为求解的目标方位结果， 为所测量目标与接收基阵 x 坐标轴的夹角， 为所测量目标与接收基阵的y坐标轴的夹角， 接收基阵的圆心作为xy轴直角坐标系中的 原点， x 坐标轴为任意一接收基元与接收基阵圆心的直线。 6. 根据权利要求 5 所述的超短基线五基元接收基阵进行水声定位的方法， 其特征在 于 ： 所述步骤三具体为 ： 若则将求解的作为所测量目标的最终方位值， 参量 。

7、为参考门限值，k为接收基阵中选取三个接收基 元的组合的编号， k 取 1， 10 中的正整数， n 等于 10， k为第 k 个组合的所测量目标与接 收基阵 x 坐标轴的夹角值， 所测量目标与接收基阵 x 坐标轴的夹角的平均值 k为第 k 个组合的所测量目标与接收基阵的 y 坐标轴的夹角， 所测量目标与接收基阵的 y 权 利 要 求 书 CN 103926563 A 2 2/2 页 3 坐标轴的夹角的平均值 权 利 要 求 书 CN 103926563 A 3 1/4 页 4 一种超短基线五基元接收基阵及其水声定位方法 技术领域 0001 本发明涉及一种超短基线五基元接收基阵及其水声定位方法。。

8、 背景技术 0002 超短基线是水声定位技术中安装最简单、 使用最方便的一种方法。最初的超短基 线定位系统基于接收信号相位差的估计， 为避免相位模糊， 只能采用孔径小于半波长的三 角阵型或者四元十字交叉阵型， 但带来的缺陷是定位精度不高。虽然 8 基元十字交叉基阵 可以通过大量冗余基元数据改善精度， 但其有效的等精度测量基线与四元十字交叉并无本 质区别， 对目标方位估计的起伏仍无法有效评判。 发明内容 0003 本发明的目的是为了解决目前基阵对目标方位的测量的稳定性和有效性差的问 题， 提供一种超短基线五基元接收基阵， 本发明的目的还在于提供一种利用该基阵的水声 定位方法。 0004 本发明的。

9、目的是这样实现的 ： 0005 超短基线五基元接收基阵， 包括 5 个接收基元和圆桶形基阵水密外壳， 5 个接收基 元设置在圆桶形基阵水密外壳内的底面上， 所述 5 个接收基元以所述底面中心为圆心沿圆 周方向均匀分布 ； 5 个接收基元中任意非相邻的 2 个接收基元连线组成一条测量基线。 0006 5 个接收基元形成的圆周的直径为 30cm。 0007 5 个接收基元均为采用高精度的激光切割技术在实体金属上切割成型的接收基 元， 所述 5 个接收基元通过绝缘树脂进行灌封固定在圆桶形基阵水密外壳内的底面上。 0008 超短基线五基元接收基阵水声定位方法 ： 0009 步骤一 ： 选取超短基线五基。

10、元接收基阵中任意 3 个接收基元形成一个基元组合， 根据该基元组合中的每个接收基元测量目标的时延估计值， 构建目标方位解算方程， 获取 目标方位值 ； 0010 步骤二 ： 重复步骤一， 改变选取的接收基元， 遍历所有基元组合， 统计不同接收基 元组合的情况下求解的目标方位值， 并根据得到的不同接收基元组合的目标方位值求平均 值作为所测量目标的方位初值 ； 0011 步骤三 ： 判断步骤二求解的所测量目标的方位初值是否满足计算精度， 若满足， 则 将所述方位初值作为所测量目标的最终方位值， 若不满足， 则重新执行步骤一， 重新测量。 0012 步骤一中， 构建目标方位解算方程为 ： 0013 。

11、0014 其中， Ri、 Rj和 Rz分别为选取的 3 个接收基元与所测量目标的距离值， 所述距离值 是根据时延估计值转换得到的， i、 j 和 z 分别取 1， 5 的任意不同的整数 ； L1 li,lj 和 L2 li,lz 均为接收基元位置参数向量， li为第 i 个接收基元的位置参数， lj第 j 个接收 说 明 书 CN 103926563 A 4 2/4 页 5 基元的位置参数， lz第 z 个接收基元的位置参数 ； 0015 ,T为求解的目标方位结果， 为所测量目标与接收基阵 x 坐标轴的 夹角， 为所测量目标与接收基阵的 y 坐标轴的夹角， 接收基阵的圆心作为 xy 轴直角坐标。

12、 系中的原点， x 坐标轴为任意一接收基元与接收基阵圆心的直线。 0016 步骤三具体为 ： 0017 若则 将 求 解 的作 为 所 测 量 目 标 的 最 终 方 位 值， 参 量 为参考门限值，k 为接收基阵中 选取三个接收基元的组合的编号， k 取 1， 10 中的正整数， n 等于 10， k为第 k 个组合的 所测量目标与接收基阵 x 坐标轴的夹角值， 所测量目标与接收基阵 x 坐标轴的夹角的平均 值k为第k个组合的所测量目标与接收基阵的y坐标轴的夹角， 所测量目标 与接收基阵的 y坐标轴的夹角的平均值 0018 本发明的有益效果为 ： 本发明提供的超短基线五基元接收基阵， 使得最。

13、少的基元 得到冗余等精度测量基线， 利用 5 条等精度测量基线之间的几何关系对目标定位进行复验 解算使得系统解决相位模糊问题的同时， 又保障了冗余数据判决的有效性， 且提高了目标 方位计算的有效性和可靠性。 附图说明 0019 图 1 为具体实施方式一所述的超短基线五基元接收基阵的布阵示意图。 0020 图 2 为具体实施方式一所述的超短基线五基元接收基阵的基阵坐标系的原理示 意图。 0021 图 3 为具体实施方式四所述的超短基线五基元接收基阵进行水声定位的方法流 程示意图。 具体实施方式 0022 下面结合附图对本发明做进一步描述。 0023 实施例一 ： 结合图1和图2说明本实施例， 本。

14、实施例所述的超短基线五基元接收基 阵， 它包括 5 个接收基元和圆桶形基阵水密外壳 ； 5 个接收基元设置在圆桶形基阵水密外壳 内的底面上， 所述 5 个接收基元以所述底面中心为圆心沿圆周方向均匀分布 ； 5 个接收基元 中任意非相邻的 2 个接收基元连线组成一条测量基线。 0024 超短基线五基元接收基阵布阵示意 ： 接收基阵的基元位于圆柱形基阵水密外壳的 底端端面上， 共有 5 个接收基元构成平面阵， 5 个接收基元均匀分布于同一圆周上， 相邻接 收基元与阵中心连线夹角为 72。 0025 实施例二 ： 本实施例是对实施例一所述的利用超短基线五基元接收基阵的进一步 限定， 所述超短基线五基。

15、元接收基阵形基阵形成的圆周的直径为 30cm。 0026 实施例三 ： 本实施例是对实施例一所述的利用超短基线五基元接收基阵的进一步 限定， 说 明 书 CN 103926563 A 5 3/4 页 6 0027 所述 5 个接收基元均为采用高精度的激光切割技术在实体金属上切割成型的接 收基元， 所述 5 个接收基元通过绝缘树脂进行灌封固定在圆桶形基阵水密外壳内的底面 上。 0028 本实施例保证了五个接收基元的高精度装配。 0029 对 5 个接收基元依照顺时针方向依次编号为 1-5 号， 规定基阵坐标系的 x 坐标轴 方向与 2 号、 5 号接收基元连线方向平行， 但通过基阵圆心， 基阵坐。

16、标系的 y 坐标轴方向为 通过 1 号接收基元与基阵圆心的直线。基阵的 x 坐标轴、 y 坐标轴构成正交坐标系。5 个 接收基元中任意非相邻的 2 个接收基元连线组成一条测量基线， 本设计共存在 5 条等精度 测量基线， 如附图 2 中虚线五角星所示， 形成冗余观测判决。与超短基线五基元接收基阵的 5 个接收基元对应的有 5 个通道， 各通道独立进行信号波形处理、 检测判决和计算参数时延 估计值， 所述时延估计值为对目标进行测量获得的目标信号到达各接收基元的传播时延。 0030 实施例四 ： 利用实施例一所述的超短基线五基元接收基阵进行水声定位的方法， 它包括如下步骤 ： 0031 步骤一 ：。

17、 选取所述超短基线五基元接收基阵中任意 3 个接收基元形成一个基元组 合， 根据该基元组合中的每个接收基元测量目标时的时延估计值， 构建目标方位解算方程， 求解目标方位值 ； 0032 步骤二 ： 重复步骤一， 改变选取的接收基元， 遍历所有基元组合， 统计不同接收基 元组合的情况下求解的目标方位值， 并根据得到的不同接收基元组合的目标方位值求平均 值作为所测量目标的方位初值 ； 0033 步骤三 ： 判断步骤二求解的所测量目标的方位初值是否满足设定的计算精度， 若 满足， 则将所述方位初值作为所测量目标的最终方位值， 若否， 则返回步骤一， 重新测量。 0034 本实施例通过五基元接收阵， 。

18、使得最少的接收基元得到冗余等精度测量基线， 利 用 5 条等精度测量基线之间的几何关系对目标定位进行复验解算使得系统解决相位模糊 问题的同时， 又保障了冗余数据判决的有效性。有效地提高了目标方位计算的有效性和可 靠性。解决了传统三角阵型或者四元、 八元十字交叉阵的问题。 0035 实施例五 ： 本实施例是对实施例四所述的利用超短基线五基元接收基阵进行水声 定位的方法的进一步限定， 所述步骤一中， 构建目标方位解算方程为 ： 0036 0037 其中， Ri、 Rj和 Rz分别为选取的 3 个接收基元与所测量目标的距离值， 所述距离值 是根据时延估计值转换得到的， i、 j 和 z 分别取 1，。

19、 5 的任意不同的整数 ； 0038 L1 li,lj 和 L2 li,lz 均为接收基元位置参数向量， li 为第 i 个接收基元 的位置参数， lj第 j 个接收基元的位置参数， lz第 z 个接收基元的位置参数 ； 0039 ,T为求解的目标方位结果， 为所测量目标与接收基阵 x 坐标轴的 夹角， 为所测量目标与接收基阵的 y 坐标轴的夹角， 接收基阵的圆心作为 xy 轴直角坐标 系中的原点， x 坐标轴为任意一接收基元与接收基阵圆心的直线。 0040 编号为 i 的接收基元与所测量目标的距离值 Ri ic， i为所测量目标至编 号 i 的接收基元的时延估计值， c 为声速值。声速值可通。

20、过 SVP 或 CTD 等声速测量设备得 说 明 书 CN 103926563 A 6 4/4 页 7 到。方程为非线性方程， 求解时可利用非线性方程求解方法迭代计算得 到未知数值。 0041 改变选取接收基元， 遍历所有基元组合， 分别计算目标的方位。 本实施方式中的基 阵共有5个接收基元， 计算一组目标方位需要三值接收基元信息， 因而共有10中组合方式。 实施中需将这 10 种组合方式分别计算， 统计不同接收基元组合解算的目标方位计算结果。 0042 实施例六 ： 本实施例是对实施例五所述的利用超短基线五基元接收基阵进行水声 定位的方法的进一步限定， 步骤三中， 判断步骤二求解的所测量目标。

21、的方位初值是否满足 设定的计算精度， 若满足， 则将所述方位初值作为所测量目标的最终方位值的方法为 ： 0043 若则 将 求 解 的作 为 所 测 量 目 标 的 最 终 方 位 值， 参 量 为参考门限值，k 为接收基阵中 选取三个接收基元的组合的编号， k 取 1， 10 中的正整数， n 等于 10， k为第 k 个组合的 所测量目标与接收基阵 x 坐标轴的夹角值， 所测量目标与接收基阵 x 坐标轴的夹角的平均 值k为第k个组合的所测量目标与接收基阵的y坐标轴的夹角， 所测量目标 与接收基阵的 y坐标轴的夹角的平均值 0044 在本实施中若某组合计算结果偏离其他组结果， 需将该结果剔除后求解均值作为 目标最终方位， 根据统计学规则计算结果超过 2 倍标准差范围为偏离其他组结果。 说 明 书 CN 103926563 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103926563 A 8 。