基于聲學(xué)多普勒計程儀的水下地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及水下航行器的水下導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于聲學(xué)多普勒計 程儀的水下地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 自主水下航行器是世界各國大力發(fā)展的海洋運載器，在海洋保護、海洋資源開發(fā) 等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價值，如水下捜索、海底繪圖、海底監(jiān)控、管道鋪設(shè)、海底作業(yè)等。導(dǎo) 航問題是水下航行器應(yīng)用所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一，導(dǎo)航能力是水下航行器有效工作與 安全回收的重要要求，水下航行器導(dǎo)航方法的研究一直是國內(nèi)外的研究熱點。
[0003] 由于水下環(huán)境的局限，目前水下航行器導(dǎo)航的主要方法是航位推算、INS(慣性導(dǎo) 航系統(tǒng)）、水下聲學(xué)計程儀導(dǎo)航等。而W上的種種導(dǎo)航手段在沒有修正信息的情況下，誤差 會隨著航行時間或航行距離的增加而積累或發(fā)散，難W滿足長時間導(dǎo)航定位的要求。并且 傳統(tǒng)的聲學(xué)多普勒計程儀也有諸多限制，如只有一種工作方式、發(fā)射波束少、測點少、不夠 精確、效率低等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種高精度、高效率的基于聲學(xué)多普勒 計程儀的水下地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0006] 一、多波束綜合多普勒計程儀，包括：
[0007] 聲學(xué)基陣、GI^S模塊、INS模塊、聲速剖面儀、處理系統(tǒng)、多路收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊和多通 道相控功率放大裝置，聲學(xué)基陣、多路收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊、多通道相控功率放大裝置、處理系統(tǒng) 依次相連，另外，處理系統(tǒng)還與GI^S模塊、INS模塊、聲速剖面儀相連；
[0008] 其中，聲學(xué)基陣是由484個第一壓電基元和484個第二壓電基元間隔排列而成的 圓形平面基陣，第一壓電基元和第二壓電基元規(guī)格相同；圓形平面基陣排列成32行32列， 各行和各列的壓電基元數(shù)均為偶數(shù)，相鄰壓電基元中屯、間距為發(fā)射波波長的一半；分別將 聲學(xué)基陣各行的第一壓電基元的獨立抽頭并聯(lián)，獲得X方向的32個子陣；分別將聲學(xué)基陣 各列的第二壓電基元的獨立抽頭并聯(lián)，獲得Y方向的32個子陣。
[0009] 上述第一壓電基元和第二壓電基元均為正方形。
[0010] 上述多路收發(fā)轉(zhuǎn)換單元包括64路發(fā)射機和64路接收機，各路發(fā)射機分別驅(qū)動各 子陣，各路接收機分別接收各子陣接收的回波信號。
[0011] 二、基于聲學(xué)多普勒計程儀的水下地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：
[0012] 多波束綜合多普勒計程儀、差分全球定位系統(tǒng)、平臺羅經(jīng)、數(shù)據(jù)采集模塊和海底地 形匹配模塊，多波束綜合多普勒計程儀、差分全球定位系統(tǒng)、平臺羅經(jīng)、海底地形匹配模塊 均與數(shù)據(jù)采集模塊相連；其中：
[0013]多波束綜合多普勒計程儀用來獲得多測點的水深數(shù)據(jù)W及水下航行器的縱向速 度和橫向速度；差分全球定位系統(tǒng)用來獲得水下航行器的經(jīng)締度信息和航向信息；平臺羅 經(jīng)用來獲得水下航行器在航行狀態(tài)下的姿態(tài)信息；數(shù)據(jù)采集模塊用來采集和存儲多波束綜 合多普勒計程儀、差分全球定位系統(tǒng)、平臺羅經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)；海底地形匹配模塊用來基于數(shù) 據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)進行海底地形匹配。
[0014] 和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點和有益效果：
[0015] 本發(fā)明對傳統(tǒng)聲學(xué)多普勒計程儀進行改造，設(shè)計出多波束綜合多普勒計程儀，多 波束綜合多普勒計程儀不影響水下航行器本身的濕端結(jié)構(gòu)，也不會影響水下航行器本身的 結(jié)構(gòu)強度。傳統(tǒng)聲學(xué)多普勒計程儀只能發(fā)射四波束，而多波束綜合計程儀聲響可發(fā)射多波 束，同時還具有測速和測深的功能。
[0016] 本發(fā)明多波束綜合多普勒計程儀具有更多測點、全覆蓋、高精度的優(yōu)點，能更準(zhǔn)確 全面地反映水下地形的起伏變化情況。將多波束綜合多普勒計程儀與海底地形匹配模塊結(jié) 合，形成本發(fā)明基于聲學(xué)多普勒計程儀的水下地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的水下地形 導(dǎo)航系統(tǒng)，本發(fā)明不受時間限制，在長時間航行過程中也可保證實時導(dǎo)航信息的精確性。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明水下地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2是海底地形匹配模塊的工作流程圖；
[0019] 圖3是聲學(xué)多普勒計程儀測深工作原理示意圖；
[0020] 圖4是本發(fā)明多波束綜合多普勒計程儀的具體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖5是本發(fā)明聲學(xué)基陣的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面將結(jié)合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明做進一步詳細描述。
[0023] 見圖1，本發(fā)明水下地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括多波束綜合多普勒計程儀、DGPS 定位系統(tǒng)（差分全球定位系統(tǒng)）、平臺羅經(jīng)、數(shù)據(jù)采集模塊和海底地形匹配模塊。多波束綜 合多普勒計程儀作為本系統(tǒng)的傳感器，用來測量多測點的水深數(shù)據(jù)W及水下航行器的縱向 速度和橫向速度，在傳統(tǒng)聲學(xué)多普勒計程儀的基礎(chǔ)上形成多波束測深和測速的分時測量。 DGI^S定位系統(tǒng)用來提供水下航行器的高精度經(jīng)締度信息，并提供水下航行器的航向信息用 于操船。平臺羅經(jīng)用于提供航行狀態(tài)下水下航行器的姿態(tài)信息，例如船的縱搖、橫搖及航向 等。數(shù)據(jù)采集模塊用于采集和存儲多波束綜合多普勒計程儀、DGI^S定位系統(tǒng)和平臺羅經(jīng)獲 得的數(shù)據(jù)。海底地形匹配模塊用來根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)，構(gòu)建地形基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，并 進行地形匹配。
[0024] 見圖2,本發(fā)明海底地形匹配模塊的工作流程為：
[00巧]1)獲取實時海底地形數(shù)據(jù)：
[00%] 采用海底地形傳感器采集海底地形數(shù)據(jù)。本發(fā)明中海底地形傳感器即多波束綜合 多普勒計程儀，采用多波束綜合多普勒計程儀實測海底地形數(shù)據(jù)。仿真系統(tǒng)中，需要對海底 地形傳感器進行誤差建模，并在基準(zhǔn)數(shù)據(jù)中截取并添加噪聲，作為仿真的實時數(shù)據(jù)。
[0027] 2)實時海底地形數(shù)據(jù)預(yù)處理：
[0028] 數(shù)字海底地形基準(zhǔn)數(shù)據(jù)是按照一定規(guī)格分布的數(shù)字信息，如將地球基準(zhǔn)面均勻劃 分為網(wǎng)格，存膽網(wǎng)格內(nèi)海底地形深度信息的平均值。由于海底地形傳感器獲取的是不規(guī)則 分布的數(shù)字信息，當(dāng)水下航行器水平方向的姿態(tài)角不為零時，需要進行坐標(biāo)變換來獲得水 下航行器正下方的實時數(shù)據(jù)，運是進行地形匹配的前提。
[0029]另外，聲波雖然能在海洋中遠距離傳播，但在傳播的過程中，海洋潮軟、波浪、滿流 及海水的溫度分布和鹽度分布、海面、海中包含的各種不均勻體如氣泡和生物等，都能產(chǎn)生 很大的影響，使得利用聲波測量出的數(shù)據(jù)存在著較大誤差，數(shù)據(jù)預(yù)處理時，要考慮到運些方 面的因素，并進行建模和補償。由于INS(慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）可提供高精度的導(dǎo)航信息，因此 可根據(jù)INS輸出的位置、速度、姿態(tài)等信息對實時數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，從而產(chǎn)生可用于地形匹 配的實時海底地形數(shù)據(jù)。
[0030] 3)實時海底地形數(shù)據(jù)的可匹配性判別：
[0031] 按事先設(shè)計的性能指標(biāo)（如匹配概率、匹配速度等要求）對預(yù)處理后的實時海底 地形數(shù)據(jù)進行可匹配性判別，只有實時海底地形數(shù)據(jù)滿足設(shè)計的性能指標(biāo)要求時，才進行 地形匹配，否則不進行地形匹配而直接轉(zhuǎn)入導(dǎo)航信息融合處理。
[0032] 4)結(jié)合海底地形數(shù)據(jù)庫進行地形匹配：
[0033] 海底地形數(shù)據(jù)庫用于存儲海底數(shù)字地形基準(zhǔn)圖，該海底數(shù)字地形基準(zhǔn)圖采用二維 平面坐標(biāo)，采用WGS-84大地坐標(biāo)系。目前，海底數(shù)字地形基準(zhǔn)圖較常用包括采 用船載聲納、聲納陣列、側(cè)掃聲納、多波束聲納、機載激光測距系統(tǒng)等，并輔WGI^S進行直接 測量得到海底地形的原始數(shù)據(jù)。經(jīng)后期數(shù)據(jù)處理，得到用于地形輔助導(dǎo)航的數(shù)字海圖。目 前后期處理的主要步驟包括：將原始地形柵格化，各網(wǎng)格記錄下對應(yīng)地形的"代表高程"，通 常"代表高程"取為網(wǎng)格的平均高程。網(wǎng)格距離的大小與所需定位精度和存儲量有關(guān)，一般 網(wǎng)格距離可取50-100m，同時網(wǎng)格取為正方形。
[0034] 數(shù)字地圖的存儲通常采用網(wǎng)格形式直接存儲，也有W壓縮方式進行存儲W節(jié)省存 儲空間。但是W目前微電子發(fā)展趨勢來看，存儲容量問題可W不用考慮。另外的一個問題就 是讀取，按當(dāng)前計算機運算能力和讀寫速度，對水下航行器而言，已可基本滿足數(shù)據(jù)10要 求。
[0035] 將預(yù)處理后的實時海底地形數(shù)據(jù)與海底數(shù)字地形基準(zhǔn)圖進行匹配，并輸出匹配信 息。
[0036] 5)性能評估：
[0037] 在各地形匹配導(dǎo)航時刻點，將采集的海底地形數(shù)據(jù)與海底數(shù)字地形基準(zhǔn)圖進行匹 配，匹配信息是否可用W及匹配信息在最終信息融合中所占的信息權(quán)重，需要進行評價，W 確定該匹配信息的可用程度，剔除不可用的匹配信息，最終對有效的海底地形匹配信息進 行數(shù)據(jù)融合。 陽03引 6)智能信息融合：
[0039] 將有效的海底地形匹配信息和INS輸出信息進行智能融合，從而獲得導(dǎo)航參數(shù)信 息，并可對INS進行校正。
[0040] 見圖3,聲學(xué)多普勒計程儀的測深工作原理如下：
[0041] 聲學(xué)多普勒計程儀是基于多普勒效應(yīng)實現(xiàn)海底測深。若從航行中的水下航行器斜 向海底發(fā)射聲波，并接收海底的反射信號，則接收信號頻率f。。與發(fā)射信號頻率f。的差值fd 取決于水下航行器速度：
[0042]fd=fnp-f (1)
[0043]目前，聲學(xué)多普勒計程儀采用雙波束基陣，波束對稱配置在垂線兩側(cè)，從而單波束 時多普勒頻率與速度的非線性關(guān)系被消除。此時多普勒頻移爲(wèi)由船臘和船尾接收的基陣波