本發(fā)明涉及超短基線水聲定位方法技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種超短基線五基元立體空間基陣及其水聲定位方法。

背景技術(shù)：

超短基線水聲定位方法，基陣結(jié)構(gòu)形式簡單，安裝、使用方便。一般超短基線定位系統(tǒng)基于接收信號相位差的估計(jì)。采用孔徑小于半波長的三角陣型或者四元十字交叉陣型，可有效避免相位模糊問題；在四元十字交叉陣型基礎(chǔ)上擴(kuò)展的8基元十字交叉基陣可以通過大量冗余基元數(shù)據(jù)改善精度，但其有效的等精度測量基線與四元十字交叉陣實(shí)際上是相同的，而對目標(biāo)方位估計(jì)的起伏效果不理想。尤其重要的是，上述基陣均為平面結(jié)構(gòu)形式的基陣，應(yīng)用于水下大型結(jié)構(gòu)平臺時，當(dāng)定位目標(biāo)與定位基陣的定位基陣平面間的俯仰角變小時，豎直方向的定位計(jì)算結(jié)果誤差急劇增加，進(jìn)而導(dǎo)致空間定位測量效果變差，定位穩(wěn)定性和有效性差變差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種超短基線五基元立體空間基陣及其水聲定位方法，以解決目前聲源目標(biāo)方位接近定位基陣平面時，豎直方向的定位計(jì)算結(jié)果誤差急劇增加，導(dǎo)致測量的穩(wěn)定性和有效性差的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種超短基線五基元立體空間基陣，包括5個收發(fā)合置的水聲換能器基元和帶球冠的圓柱型基陣外殼， 5個水聲換能器基元分別位于空間五面體的各頂點(diǎn)，其中4個水聲換能器基元位于一個水平平面內(nèi)的四個頂點(diǎn)，成方形布局；共面的4個水聲換能器基元中對角的2個水聲換能器基元分別與第5個水聲換能器基元構(gòu)成豎直方向的定位平面，形成2個豎直方向的定位基準(zhǔn)面。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述5個水聲換能器基元位于五面體空間的各頂點(diǎn)上；位于水平平面內(nèi)的4個水聲換能器基元，每3個水聲換能器基元均構(gòu)成平面內(nèi)直角坐標(biāo)系的定位平面，其組合構(gòu)成的定位基陣包括1-2-3定位基陣，2-3-4定位基陣，3-4-1定位基陣，4-1-2定位基陣；底面對角兩個點(diǎn)與空間第五點(diǎn)分別構(gòu)成兩個正交的豎直方向的定位基陣，包括1-5-3定位基陣和2-5-4定位基陣，這兩個基陣面在空間成直角關(guān)系；底面相鄰兩個點(diǎn)與空間第五點(diǎn)分別構(gòu)成空間傾斜方向的定位基陣，包括1-5-2定位基陣和2-5-3定位基陣；底面4個水聲換能器基元構(gòu)成1-3、2-4兩個測量基線形成的4基元正交平面定位基陣。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述超短基線五基元立體空間基陣形成的圓柱面直徑為15cm。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述的5個水聲換能器基元均采用高精度數(shù)控加工技術(shù)在實(shí)體金屬上切割成型裝配基座，實(shí)現(xiàn)換能器基元裝配；所述5個換能器基元通過絕緣透聲橡膠進(jìn)行灌封，并固定在加工好的基陣外殼的安裝基座上。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述超短基線五基元立體空間基陣陣型還包括變形形式：在0點(diǎn)增加一個水聲換能器基元，該水聲換能器基元與1-5點(diǎn)中的兩個水聲換能器基元重新構(gòu)成子基陣，包括1-0-2基陣、2-0-5基陣；在1-5點(diǎn)的軸線方向各增加一個水聲換能器基元，形成差分形式的定位基陣。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述的超短基線五基元立體空間基陣進(jìn)行水聲定位的方法，包括以下步驟：

步驟一：選取超短基線五基元立體空間基陣中任一平面中構(gòu)成直角關(guān)系的3個水聲換能器基元組合形成定位基陣面，如1-2-3構(gòu)成的定位基陣面，根據(jù)該基元組合中的每個基元測量目標(biāo)的時延估計(jì)值，構(gòu)建目標(biāo)方位解算方程，獲取目標(biāo)方位值；

步驟二：重復(fù)步驟一，改變選取的基元，遍歷所有成直角關(guān)系的三基元組合，統(tǒng)計(jì)不同基元組合的情況下求解的目標(biāo)方位值，分別作為各自局部坐標(biāo)系內(nèi)的目標(biāo)方位初值；

步驟三：根據(jù)預(yù)定的俯仰角高低精度區(qū)間，確定目標(biāo)方位初值的加權(quán)值；

步驟四：將所有局部坐標(biāo)系下獲得的目標(biāo)方位初值轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系下，并判斷轉(zhuǎn)換后的測量目標(biāo)方位初值是否滿足設(shè)定的計(jì)算精度，若滿足，則對轉(zhuǎn)換后的方位初值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，取加權(quán)平均值，作為本次定位測量的目標(biāo)最終方位值；否則，則返回步驟一，重新測量。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟三中，確定不同俯仰角的定位精度區(qū)間，并根據(jù)精度區(qū)間設(shè)定定位結(jié)果修正權(quán)重，修正權(quán)值計(jì)算方法為：根據(jù)歸一化理論模型獲得的0-180°半空間范圍內(nèi)，超短基線定位理論值與真實(shí)值之間的相對誤差曲線，設(shè)定誤差最低閾值λ，根據(jù)最低閾值λ分割獲得的半空間俯仰角定位區(qū)間范圍，誤差大于λ為低精度俯仰角定位區(qū)間，誤差小于λ為高精度俯仰角定位區(qū)間，不同定位精度區(qū)間取不同的定位結(jié)果修正權(quán)重值Q，Q值范圍為[0,1]，高精度區(qū)間Q值取為1，低精度區(qū)間Q值取為0。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟四中，構(gòu)建定位基陣面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，將步驟一到步驟二獲得的目標(biāo)方位值轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)系下的目標(biāo)方位值，并根據(jù)步驟三獲得的修正權(quán)重對各基陣面的目標(biāo)方位值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，最終取所有基陣面的加權(quán)平均值作為水下定位目標(biāo)最終的目標(biāo)方位值；具體方法如下：構(gòu)建目標(biāo)方位轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣，將局部坐標(biāo)系下解算獲得的局部坐標(biāo)系方位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以01-02-05三個坐標(biāo)軸為方向的全局坐標(biāo)系的方位坐標(biāo)，

其中，是定位信號目標(biāo)通過局部坐標(biāo)系向全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換結(jié)果，定義為，分別是定位結(jié)果在x、y、z軸上的坐標(biāo)值；為旋轉(zhuǎn)矩陣，描述坐標(biāo)系的姿態(tài)；是平移矢量，描述坐標(biāo)系的原點(diǎn)在坐標(biāo)系下的矢量表示；坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)變換可用向量表示為：

，該矩陣為正交，即，分別是繞xyz軸旋轉(zhuǎn)矩陣；

最終，五基元立體空間基陣的最終定位結(jié)果為：

其中，i為各定位基陣的順序號。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的超短基線五基元立體空間基陣，采用有限基元在空間分布形成立體交錯的定位基陣面，通過不同法向的基陣面的定位精度區(qū)間不同對全空間來向聲源的定位結(jié)果進(jìn)行互補(bǔ)，將超短基線定位由平面結(jié)構(gòu)形式擴(kuò)展為空間多基陣面立體結(jié)構(gòu)形式。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)以水下定位基陣為中心全空間來向目標(biāo)的均衡誤差定位，且利用不同定位基陣面的組合幾何關(guān)系，可對目標(biāo)定位進(jìn)行復(fù)驗(yàn)解算，可有效解決聲源相對定位面的俯仰角接近基陣平面時定位解算誤差增大及相位模糊問題，同時多基陣面聯(lián)合定位保障了冗余數(shù)據(jù)判決的有效性，且提高了目標(biāo)方位計(jì)算的有效性和可靠性。

附圖說明

圖1為超短基線五基元立體空間基陣的布陣示意圖。

圖2為超短基線五基元立體空間基陣的原理示意圖。

圖3為超短基線五基元立體空間基陣進(jìn)行水聲定位的方法流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1

請參閱圖1～2，本發(fā)明實(shí)施例中，一種超短基線五基元立體空間基陣，包括5個收發(fā)合置的水聲換能器基元和帶球冠的圓柱型基陣外殼；水聲換能器基元中4個基元位于球冠與圓柱交接的一個水平平面內(nèi)，4個基元成方形布局，位于4個頂點(diǎn)位置；第5個基元位于球冠的頂部的中心位置；在交接面的4個基元中對角的2個基元分別可與位于球冠頂部的基元構(gòu)成豎直方向的定位平面，形成2個豎直方向的定位基準(zhǔn)參考系平面。

超短基線五基元立體空間基陣的布陣示意：基陣的5個基元的三三組合，構(gòu)成不同方向上的定位平面陣，其中位于水平面的4個基元可構(gòu)成4個三點(diǎn)直角坐標(biāo)系的定位平面，其組合構(gòu)成的定位基陣包括1-2-3定位基陣，2-3-4定位基陣，3-4-1定位基陣，4-1-2定位基陣；水平面對角兩個點(diǎn)與球冠頂部的5點(diǎn)分別可構(gòu)成兩個正交的豎直方向的定位基陣，包括1-5-3定位基陣、2-5-4定位基陣，這兩個基陣面在豎直方向以5點(diǎn)為直角頂點(diǎn)；水平面的4個基元也可構(gòu)成1-3、2-4兩個基元基線形成的4基元正交平面定位基陣。

實(shí)施例2

本實(shí)例是對實(shí)施例1所述的利用超短基線五基元立體空間基陣的進(jìn)一步限定，所述超短基線五基元立體空間基陣形成的圓柱面直徑為15cm，該尺寸可根據(jù)所采用的聲學(xué)信號中心頻率的不同而適當(dāng)調(diào)整，頻率越低，該直徑可增大，頻率越高，該直徑可減小。

實(shí)施例3

本實(shí)施例是對實(shí)施例一所述的利用超短基線五基元立體空間基陣的進(jìn)一步限定，所述的5個水聲換能器基元均為采用高精度數(shù)控加工技術(shù)在實(shí)體金屬上切割成型裝配基座，實(shí)現(xiàn)換能器基元裝配；所述5個換能器基元通過絕緣透聲橡膠進(jìn)行灌封，并固定在加工好的基陣外殼的安裝基座上。

本實(shí)施例保證了5個基元的高精度裝配。

對5個水聲換能器基元，其中在一個水平面的4個依照順時針方向依次編號為1-4號，剩余1個為5號。規(guī)定基陣全局坐標(biāo)系的x坐標(biāo)軸方向?yàn)?點(diǎn)向1號基元延伸的直線方向，一坐標(biāo)軸方向?yàn)?點(diǎn)向2號基元延伸的直線方向，z坐標(biāo)軸方向?yàn)?點(diǎn)向5號基元延伸的直線方向。基陣的xyz坐標(biāo)軸構(gòu)成正交坐標(biāo)系。5個基元中的3個可構(gòu)成局部正交坐標(biāo)系，形成局部定位基陣，本設(shè)計(jì)共存在4個水平面內(nèi)的3基元局部正交定位坐標(biāo)系和2個豎直方向3基元局部正交定坐標(biāo)系。上述6個定位坐標(biāo)系形成冗余定位判決。與5個基元對應(yīng)的有5個水聲信號處理通道，各通道獨(dú)立進(jìn)行信號波形的處理、檢測和計(jì)算參數(shù)時延估計(jì)，所述時延估計(jì)為對聲源信號目標(biāo)進(jìn)行測量獲得的聲信號到達(dá)各基元的傳播時間相對延遲。

實(shí)施例4

請參閱圖3，利用實(shí)施例一所述的超短基線五基元立體空間基陣進(jìn)行水聲定位的方法，它包括如下步驟：

步驟一：選取所述超短基線五基元立體空間基陣中任一平面中構(gòu)成直角關(guān)系的3個換能器基元組合形成定位基陣面，如1-2-3構(gòu)成的定位基陣面，根據(jù)該基元組合中的每個基元測量目標(biāo)的時延估計(jì)值，構(gòu)建目標(biāo)方位解算方程，獲取目標(biāo)方位值；

步驟二：重復(fù)步驟一，在五基元立體空間基陣的底面中，改變選取的基元，遍歷底面所有基元組合，統(tǒng)計(jì)不同基元組合的情況下求解的目標(biāo)方位值；重復(fù)步驟一，分別采用五基元立體空間基陣的兩個豎直面內(nèi)的基元組合，如1-5-3構(gòu)和2-5-4成的定位基陣面，統(tǒng)計(jì)求解的目標(biāo)方位值；

步驟三：根據(jù)預(yù)定的俯仰角高低精度區(qū)間，確定目標(biāo)方位初值的加權(quán)值；

步驟四：將所有局部坐標(biāo)系下獲得的目標(biāo)方位初值轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系下，并判斷轉(zhuǎn)換后的測量目標(biāo)方位初值是否滿足設(shè)定的計(jì)算精度，若滿足，則對轉(zhuǎn)換后的方位初值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，取加權(quán)平均值，作為本次定位測量的目標(biāo)最終方位值；否則，則返回步驟一，重新測量；

本實(shí)施例通過空間五基元立體基陣，使得最少的接收基元得到冗余的定位測量參考系，采用有限基元在空間分布形成立體交錯的定位基陣面，通過不同法向的基陣面的定位精度區(qū)間不同對全空間來向聲源的定位結(jié)果進(jìn)行互補(bǔ)，將超短基線定位由平面結(jié)構(gòu)形式擴(kuò)展為空間多基陣面立體結(jié)構(gòu)形式。本方法可實(shí)現(xiàn)以水下定位基陣為中心全空間來向目標(biāo)的均衡誤差定位，且利用不同定位基陣面的組合幾何關(guān)系，可對目標(biāo)定位進(jìn)行復(fù)驗(yàn)解算，可有效解決聲源相對定位面的俯仰角接近基陣平面時定位解算誤差增大及相位模糊問題， 同時多基陣面聯(lián)合定位保障了冗余數(shù)據(jù)判決的有效性，且提高了目標(biāo)方位計(jì)算的有效性和可靠性。解決了傳統(tǒng)單一三角陣型或者四元、八元十字交叉陣的在近基陣平面時定位誤差增大及相位模糊等問題。

實(shí)施例5

本實(shí)施例是對實(shí)施例四所述的利用超短基線五基元立體空間基陣進(jìn)行水聲定位的方法的進(jìn)一步限定，所述步驟三中，確定不同俯仰角的定位精度區(qū)間，并根據(jù)精度區(qū)間設(shè)定定位結(jié)果修正權(quán)重：

根據(jù)定位基陣的尺寸參數(shù)，選定在標(biāo)準(zhǔn)距離為L，模型聲源按俯仰角θ從0°到180°移動，計(jì)算該過程中目標(biāo)聲源的理論定位值，進(jìn)而計(jì)算理論值與預(yù)設(shè)真實(shí)值之間的定位誤差，并給出定位誤差從俯仰角0°到180°之間的變化曲線。在該曲線中，設(shè)定誤差最低閾值λ，根據(jù)該值將俯仰角區(qū)間進(jìn)行分割區(qū)分，誤差大于λ則為低精度俯仰角定位區(qū)間，誤差小于λ為高精度俯仰角定位區(qū)間，不同定位精度區(qū)間取不同的定位結(jié)果修正權(quán)重值Q，Q值范圍為[0,1]，高精度區(qū)間Q值取為1，低精度區(qū)間Q值取為0。

實(shí)施例6

本實(shí)施例是對實(shí)施例五所述的利用超短基線五基元立體空間基陣進(jìn)行水聲定位的方法的進(jìn)一步限定。步驟四中，構(gòu)建定位基陣面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，將步驟一到步驟二獲得的目標(biāo)方位值轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)系下的目標(biāo)方位值，并根據(jù)步驟三獲得的修正權(quán)重對各基陣面的目標(biāo)方位值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，最終取所有基陣面的加權(quán)平均值作為水下定位目標(biāo)最終的目標(biāo)方位值。具體方法如下：

設(shè)定01-02-05為全局坐標(biāo)系的xyz三個方向的坐標(biāo)軸，空間基陣的1、2、3、4四個基元分別位于xy坐標(biāo)軸上，5基元位于z軸上；選取的三基元平面陣所在的坐標(biāo)系為局部坐標(biāo)系。全局坐標(biāo)系定位結(jié)果向量為，是定位信號目標(biāo)通過局部坐標(biāo)系定位結(jié)果向全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換得到：

其中， 定義為，分別是定位坐標(biāo)在全局坐標(biāo)系的x、y、z軸上的坐標(biāo)值。為旋轉(zhuǎn)矩陣，描述坐標(biāo)系的姿態(tài)；是平移矢量，描述坐標(biāo)系的原點(diǎn)在坐標(biāo)系下的矢量表示。坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)變換可用向量表示為：

，該矩陣為正交，即，分別是繞xyz軸的旋轉(zhuǎn)矩陣。

最終，五基元立體空間基陣的最終定位結(jié)果為：

其中，i為選定的各定位基陣的順序號。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個實(shí)施方式僅包含一個獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。