一种水听器阵列的基元空间位置有源测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种水听器阵列的基元空间位置有源测量系统及方法，其中系统包括：在预设海域内布放的水听器阵列，在预设海域的海面进行绕行运动的声源船，与该声源船配合获取水听器阵列的基元位置的接收站。声源船中设置的探测声源输出模块根据预设的时间周期向水听器阵列发出探测声信号，以及向接收站发送校准信号。接收站上的基元位置计算模块接收校准信号和水听器阵列接收的探测声信号时产生的传感信号，并对传感信号进行采样处理得到数字信号，将数字信号以预设的时间长度分为多帧信号文件，且根据各帧信号文件中起始采样对应的时刻为各帧信号文件赋上信号时戳。根据各帧信号文件上的信号时戳和校准信号求取水听器阵列中各基元的大地坐标。

【技术实现步骤摘要】
一种水听器阵列的基元空间位置有源测量系统及方法
本专利技术涉及水声测量
，尤其涉及一种水听器阵列的基元空间位置有源测量系统及方法。
技术介绍
水声阵列的阵形是水听器阵列的一个重要参数，利用水听器阵列接收信号做波束形成、匹配场定位等水声信号处理时，一般要求阵形精确已知。然而，在实际海洋环境中，水声阵列在布放时，受地形、海流和布放方法等的影响，基元的位置难以由期望的布放起始点和阵形来确定。现有的阵形测量方法主要包括非声学测量方法和声学测量方法。非声学方法通常要求在声阵中安装深度传感器、航向传感器等辅助传感器，通过曲线拟合的方法求取阵形，一般应用于阵形会发生动态变化的水声拖曳阵；声学方法通过估计各基元接收信号的时延，推算基元位置，其中较为成熟的是基于时延估计的双源阵形估计方法，该方法已广泛应用于水声阵列的海上试验。该方法虽然可以较为准确的估计阵形的形状，即各基元的相对位置，来实现较为理想的阵处理增益，但对参考基元(通常为阵首基元)在布缆船航行布放时的落入水下的大地位置坐标，以及阵列方向都难以准确得到。因此，该方法虽然不会影响到水声阵列信号的目标检测处理，但对目标的精确参数估计，如目标方向和目标位置会造成误差影响。近年来，多阵列的联合交叉定位等新的应用形式，对阵列的方位和中心位置都有精确的要求，这就需要对阵列中的各基元位置都有准确的掌握。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术提供了一种水听器阵列的基元空间位置有源测量系统及方法，旨在解决现有技术无法得到各基元的精确空间位置的问题，用于支撑多阵列的联合交叉定位等应用。(二)技术方案为了解决上述问题，本专利技术提供了一种水听器阵列的基元空间位置的有源测量系统，包括：在预设海域内布放的水听器阵列，在所述预设海域的海面进行绕行运动的声源船，与该声源船配合获取水听器阵列中基元位置的接收站；所述声源船中设置有用于发出探测声信号的探测声源输出模块，所述探测声源输出模块根据预设的时间周期向所述水听器阵列发出所述探测声信号；所述探测声源输出模块在输出所述探测声信号时，采用微波通信方式向接收站发送校准信号，所述校准信号包括所述探测声源输出模块在输出所述探测声信号时对应的第一时间信息、位置信息和所述探测声信号的波形参数；所述接收站上设置有用于确定水听器阵列的基元位置的基元位置计算模块，所述基元位置计算模块接收所述校准信号和所述水听器阵列中各基元接收的所述探测声信号时产生的传感信号；所述基元位置计算模块用于对所述传感信号进行采样处理得到数字信号，并将所述数字信号以预设的时间长度分为多帧信号文件，且根据各帧信号文件中起始采样对应的时刻为各帧信号文件赋上信号时戳；根据所述各帧信号文件上的所述信号时戳和所述校准信号求取所述水听器阵列中对应的所述基元的大地坐标，即通过所述帧信号文件上的信号时戳、所述探测声源输出模块在输出所述探测声信号时对应的第一时间信息和探测声信号的波形参数，得到对应的所述探测声信号从所述探测声源输出模块到对应的各基元的水声传播时间的测量值，选取5组及以上所述探测声源输出模块到对应的阵列各基元的水声传播时间的测量值以及所述探测声源输出模块在输出所述探测声信号时的位置信息，计算水听器阵列各基元的大地坐标。优选地，其中，根据所述各帧信号文件上的所述信号时戳和所述校准信号求取所述水听器阵列中对应的所述基元的大地坐标具体为：根据所述信号时戳、所述第一时间信息和所述探测声信号的波形参数，得到探测声源输出模块在第s次发射探测声信号时，所述探测声信号从所述探测声源输出模块至第h号基元的水声传播时间的测量值s＝1,2,3...NS，h＝1,2,3...Nh；构建空间坐标系，以所述声源船第一次发射所述探测声信号时所在的位置为坐标原点，以纬度方向为X轴方向，以经度方向为Y轴方向，以深度方向为Z轴方向；设定第h号基元的空间坐标为(xh,yh,zh)，根据构建基元空间位置方程组：其中，v为水听器阵列中基元所在海域的等效平均声速，(xs,ys,zs)为探测声源输出模块第s次发射探测声信号时的空间坐标，为测量误差，τh为第h号基元的接收响应延迟；根据五组及以上(即s的取值个数大于或等于5)所述基元空间位置方程组，进而求得第h号基元的空间坐标，并将第h号基元的空间坐标转化为大地坐标。优选地，所述探测声源输出模块包括：第一GPS信号接收机(A1)、数字波形产生单元、信号触发单元、数模转换单元、数据传输单元、第一微波通信单元(A2)、测量声源；所述第一GPS信号接收机(A1)，用于产生所述第一时间信息和所述位置信息；所述数字波形产生单元，用于根据设定的所述波形参数产生数字信号波形数据；所述信号触发单元，用于根据所述第一时间信息产生触发信号，并且将所述触发信号传递给所述数模转换单元；所述数模转换单元，用于缓存所述数字信号波形数据，并且当检测到有所述触发信号时，将所述数字信号波形数据转换为模拟驱动波形信号；所述数模转换单元连接所述测量声源，所述测量声源根据所述模拟驱动波形信号产生探测声信号；所述数据传输单元，用于接收所述第一GPS信号接收机(A1)产生的所述第一时间信息与所述位置信息，以及接收所述波形参数，并所述第一时间信息、所述位置信息和所述波形参数通过TCP/IP网络协议传输给第一微波通信单元(A2)；所述第一微波通信单元(A2)，用于将所述测量声源在输出所述探测声信号时对应的所述第一时间信息、所述位置信息和所述探测声信号的所述波形参数作为所述校准信号发送。优选地，所述探测声源输出模块还包括：功率放大单元；所述功率放大单元位于所述数模转换单元和所述测量声源之间，用于将模拟驱动波形信号进行放大。优选地，所述基元位置计算模块，包括：第二GPS信号接收机(B1)、时间同步单元、调理采集单元、测量信号处理单元、第二微波通信单元(B2)；所述第二微波通信单元(B2)，用于接收包括所述探测声源输出模块在输出所述探测声信号时对应的所述第一时间信息、所述位置信息和所述探测声信号的所述波形参数的所述校准信号；所述第二GPS信号接收机(B1)用于产生第二时间信息和时间脉冲信号；所述时间同步单元，用于根据所述第二GPS信号接收机(B1)产生的时间脉冲信号和所述第二时间信息对输出的实时时间进行矫正；所述调理采集单元，用于接收所述水听器阵列中各基元接收探测声信号时产生的传感信号，并将每一传感信号进行处理并转换为数字信号，并将所述数字信号以预设的时间长度分为多帧信号文件，且根据各帧信号文件中起始采样对应的所述实时时间为各帧信号文件赋上信号时戳；所述测量信号处理单元，用于根据所述各帧信号文件上的所述信号时戳和所述校准信号求取所述水听器阵列中对应的所述基元的大地坐标。优选地，所述第一时间信息和所述第二时间信息均为包括当前时刻所处的年、月、日、时、分、秒的信息，所述预设的时间周期为间隔5s\10s。...

【技术保护点】
1.一种水听器阵列的基元空间位置的有源测量系统，其特征在于，包括：在预设海域内布放的水听器阵列，在所述预设海域的海面进行绕行运动的声源船，与该声源船配合获取水听器阵列中基元位置的接收站；/n所述声源船中设置有用于发出探测声信号的探测声源输出模块，所述探测声源输出模块根据预设的时间周期向所述水听器阵列发出所述探测声信号；/n所述探测声源输出模块在输出所述探测声信号时，采用微波通信方式向接收站发送校准信号，所述校准信号包括所述探测声源输出模块在输出所述探测声信号时对应的第一时间信息、位置信息和所述探测声信号的波形参数；/n所述接收站上设置有用于确定水听器阵列的基元位置的基元位置计算模块，所述基元位置计算模块接收所述校准信号和所述水听器阵列中各基元接收的所述探测声信号时产生的传感信号；/n所述基元位置计算模块用于对所述传感信号进行采样处理得到数字信号，并将所述数字信号以预设的时间长度分为多帧信号文件，且根据各帧信号文件中起始采样对应的时刻为各帧信号文件赋上信号时戳；根据所述各帧信号文件上的所述信号时戳和所述校准信号求取所述水听器阵列中对应的所述基元的大地坐标，即通过所述帧信号文件上的信号时戳、所述探测声源输出模块在输出所述探测声信号时对应的第一时间信息和探测声信号的波形参数，得到对应的所述探测声信号从所述探测声源输出模块到对应的各基元的水声传播时间的测量值，选取5组及以上所述探测声源输出模块到对应的阵列各基元的水声传播时间的测量值以及所述探测声源输出模块在输出所述探测声信号时的位置信息，计算水听器阵列各基元的大地坐标。/n...

【技术特征摘要】
20200429 CN 20201035442961.一种水听器阵列的基元空间位置的有源测量系统，其特征在于，包括：在预设海域内布放的水听器阵列，在所述预设海域的海面进行绕行运动的声源船，与该声源船配合获取水听器阵列中基元位置的接收站；
所述声源船中设置有用于发出探测声信号的探测声源输出模块，所述探测声源输出模块根据预设的时间周期向所述水听器阵列发出所述探测声信号；
所述探测声源输出模块在输出所述探测声信号时，采用微波通信方式向接收站发送校准信号，所述校准信号包括所述探测声源输出模块在输出所述探测声信号时对应的第一时间信息、位置信息和所述探测声信号的波形参数；
所述接收站上设置有用于确定水听器阵列的基元位置的基元位置计算模块，所述基元位置计算模块接收所述校准信号和所述水听器阵列中各基元接收的所述探测声信号时产生的传感信号；
所述基元位置计算模块用于对所述传感信号进行采样处理得到数字信号，并将所述数字信号以预设的时间长度分为多帧信号文件，且根据各帧信号文件中起始采样对应的时刻为各帧信号文件赋上信号时戳；根据所述各帧信号文件上的所述信号时戳和所述校准信号求取所述水听器阵列中对应的所述基元的大地坐标，即通过所述帧信号文件上的信号时戳、所述探测声源输出模块在输出所述探测声信号时对应的第一时间信息和探测声信号的波形参数，得到对应的所述探测声信号从所述探测声源输出模块到对应的各基元的水声传播时间的测量值，选取5组及以上所述探测声源输出模块到对应的阵列各基元的水声传播时间的测量值以及所述探测声源输出模块在输出所述探测声信号时的位置信息，计算水听器阵列各基元的大地坐标。


2.如权利要求1所述的水听器阵列的基元空间位置有源测量系统，其特征在于，其中，根据所述各帧信号文件上的所述信号时戳和所述校准信号求取所述水听器阵列中对应的所述基元的大地坐标具体为：
根据所述信号时戳、所述第一时间信息和所述探测声信号的波形参数，得到探测声源输出模块在第s次发射探测声信号时，所述探测声信号从所述探测声源输出模块至第h号基元的水声传播时间的测量值
构建空间坐标系，以所述声源船第一次发射所述探测声信号时所在的位置为坐标原点，以纬度方向为X轴方向，以经度方向为Y轴方向，以深度方向为Z轴方向；
设定第h号基元的空间坐标为(xh,yh,zh)，根据构建基元空间位置方程组：



其中，v为水听器阵列中基元所在海域的等效平均声速，(xs,ys,zs)为探测声源输出模块第s次发射探测声信号时的空间坐标，为测量误差，τh为第h号基元的接收响应延迟；
根据五组及以上(即s的取值个数大于或等于5)所述基元空间位置方程组，进而求得第h号基元的空间坐标，并将第h号基元的空间坐标转化为大地坐标。


3.如权利要求1所述的水听器阵列的基元空间位置有源测量系统，其特征在于，所述探测声源输出模块包括：
第一GPS信号接收机(A1)、数字波形产生单元、信号触发单元、数模转换单元、数据传输单元、第一微波通信单元(A2)、测量声源；
所述第一GPS信号接收机(A1)，用于产生所述第一时间信息和所述位置信息；
所述数字波形产生单元，用于根据设定的所述波形参数产生数字信号波形数据；
所述信号触发单元，用于根据所述第一时间信息产生触发信号，并且将所述触发信号传递给所述数模转换单元；
所述数模转换单元，用于缓存所述数字信号波形数据，并且当检测到有所述触发信号时，将所述数字信号波形数据转换为模拟驱动波形信号；
所述数模转换单元连接所述测量声源，所述测量声源根据所述模拟驱动波形信号产生探测声信号；
所述数据传输单元，用于接收所述第一GPS信号接收机(A1)产生的所述第一时间信息与所述位置信息，以及接收所述波形参数，并所述第一时间信息、所述位置信息和所述波形参数通过TCP/IP网络协议传输给第一微波通信单元(A2)；
所述第一微波通信单元(A2)，用于将所述测量声源在输出所述探测声信号时对应的所述第一时间信息、所述位置信息和所述探测声信号的所述波形参数作为所述校准信号发送。


4.如权利要求3所述的水听器阵列的基元空间位置有源测量系统，其特征在于，所述探测声源输出模块还包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：周泽民，吴艳群，马树青，包长春，王勇献，张理论，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43