超短基线系统测向误差的水池校准方法和水池校准系统与流程

本发明涉及水下定位，特别涉及一种超短基线系统测向误差的水池校准方法和水池校准系统。

背景技术：

1、超短基线系统采用时延估计方法获得水下目标相对于基阵的距离，同时根据各个接收换能器间的时间（相位）差实现多个水下目标的精确角度测量，利用所获得的距离和角度信息，结合姿态数据、gnss定位数据、声速等信息进行数据处理与融合，实现对水下目标的高精度实时定位与航迹显示功能。

2、根据超短基线系统的工作原理，其定位精度由时延差或相位差的估计精度以及基线长度的测量精度共同决定。一方面，通常超短基线系统的接收换能器的机械安装总会存在一定的误差，同时由于水听器加工的不均匀性，其声学中心的理论位置与实际位置也存在差异，这些均给超短基线系统带来了附加相移（时延）降；另一方面，硬件电路模块通道间相位不一致性也会产生附加相移（时延）。这些系统误差将导致测向误差，进而影响定位精度。因而，为了提高超短基线系统的性能指标，需要在出厂前完成系统测向误差的校准。为此，本发明的发明人旨在研发一种能够在三维空间内快速对超短基线系统测向误差进行精确校准的方法。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提供一种超短基线系统测向误差的水池校准方法和水池校准系统，其中所述水池校准方法能够在三维空间内快速对超短基线系统测向误差进行精确校准。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种超短基线系统测向误差的水池校准方法，其中所述水池校准方法包括如下步骤：

3、s1，将接收换能器的箭头对准与所述接收换能器水平的发射换能器所在的方向；

4、s2，以一定角度步长，转动所述接收换能器，在所述接收换能器的方位角情况下，依次使能各个所述发射换能器发射一定时长的宽带定位信号，其中，为360/；

5、s3，根据所述接收换能器接收的数据，得到方位角情况下垂直开角范围内方位角、俯仰角的估计值、，其中，为所述发射换能器的个数；

6、s4，将方位角、俯仰角的估计值、和真实值、进行比较，得到方位角、俯仰角的测向误差校准值、；

7、s5，根据所有水平开角情况下方位角、俯仰角的测向误差校准值，采用曲线拟合方法进行插值处理，得到三维空间测量范围内的精细测向误差校准值表格。

8、根据本发明的一个实施例，首先，在所述步骤s2中，在所述接收换能器的方位角保持不动时，依次使能各个所述发射换能器发射一定时长的宽带定位信号，以在所述步骤s3中，得到该方位角情况下垂直开角范围内的方位角、俯仰角估计值，其次，在所述步骤s2中，在所述接收换能器被转动的步长而改变方位角后，再次依次使能各个所述发射换能器发射一定时长的宽带定位信号，以在所述步骤s3中，得到该方位角情况下垂直开角范围内的方位角、俯仰角估计值，直到完成个水平开角测试。

9、根据本发明的一个实施例，在所述步骤s2中，首先，控制中心产生脉宽不小于8ms、宽带不小于5khz的线性调频信号，并调制到超短基线系统的工作频道范围，其次，对线性调频信号进行放大、滤波后输送到所述发射换能器，以使能所述发射换能器发射一定时长的宽带定位信号。

10、根据本发明的一个实施例，在所述步骤s2之前，在通过水密电缆连接所述接收换能器和上位机后，上电以确认所述接收换能器是否正常，在通过水密电缆连接所述发射换能器和所述控制中心后，上电以确认所述发射换能器是否正常。

11、根据本发明的一个实施例，在所述步骤s1之前，所述水池校准方法进一步包括步骤：安装所述接收换能器于校准装置的旋转架和分别安装各个所述发射换能器于所述校准装置的各个云台组件，在所述步骤s2中，所述旋转架的转动机构驱动所述接收换能器转动。

12、根据本发明的一个实施例，标定所述校准装置，以使各个所述发射换能器的几何中心和所述接收换能器的声学中心的理论位置共面、各个所述发射换能器的几何中心至所述接收换能器的声学中心的理论位置的距离一致、各个所述发射换能器的几何中心和所述接收换能器的声学中心的理论位置的连线之间形成的夹角一致。

13、本发明还提供了一种超短基线系统测向误差的水池校准系统，其包括：

14、上位机；

15、控制中心；

16、校准装置，其中所述校准装置包括架体、弧形臂、多个云台组件以及旋转架，所述弧形臂被安装于所述架体，并且所述弧形臂沿着高度方向延伸，各个所述云台组件沿着所述弧形臂的延伸方向被相互将地安装于所述弧形臂的侧方，所述旋转架的顶部被安装于所述架体，底部延伸至所述弧形臂的凹侧，其中各个所述云台组件分别被安装有一个发射换能器，所述旋转架的底部被安装有一个接收换能器，并且所述接收换能器的箭头对准与所述接收换能器水平的所述发射换能器所在的方向，其中所述水池校准系统校准所述接收换能器的步骤包括：

17、以一定角度步长，所述旋转架转动所述接收换能器，在所述接收换能器的方位角情况下，所述控制中心依次使能各个所述发射换能器发射一定时长的宽带定位信号，其中，为360/；

18、根据所述接收换能器接收的数据，所述上位机得到方位角情况下垂直开角范围内方位角、俯仰角的估计值、，其中，为所述发射换能器的个数；

19、将方位角、俯仰角的估计值、和真实值、进行比较，得到方位角、俯仰角的测向误差校准值、；

20、根据所有水平开角情况下方位角、俯仰角的测向误差校准值，采用曲线拟合方法进行插值处理，得到三维空间测量范围内的精细测向误差校准值表格。

21、根据本发明的一个实施例，在所述水池校准系统校准所述接收换能器的过程中，首先，在所述接收换能器的方位角保持不动时，依次使能各个所述发射换能器发射一定时长的宽带定位信号，以得到该方位角情况下垂直开角范围内的方位角、俯仰角估计值，其次，在所述接收换能器被转动的步长而改变方位角后，再次依次使能各个所述发射换能器发射一定时长的宽带定位信号，以得到该方位角情况下垂直开角范围内的方位角、俯仰角估计值，直到完成个水平开角测试。

22、根据本发明的一个实施例，所述控制中心产生脉宽不小于8ms、宽带不小于5khz的线性调频信号，并调制到超短基线系统的工作频道范围，功放模块对线性调频信号进行放大、滤波后输送到所述发射换能器，以使能所述发射换能器发射一定时长的宽带定位信号。

23、根据本发明的一个实施例，所述上位机和所述接收换能器之间以及所述控制中心和所述发射换能器之间分别通过水密电缆连接。

24、本发明的具有至少以下有益效果：本发明通过旋转所述接收换能器实现水平方位角的变换，通过圆弧形布放的垂直方向的多个所述发射换能器实现垂直俯仰角的变换，在不同方位角与俯仰角情况下通过相位差测向算法换算得到三维空间的测向误差数据，并且采取合理的曲线拟合方式，快速实现了精确的所述超短基线系统误差校准；本发明通过圆弧形布放的垂直方向的多个所述发射换能器实现垂直方向的测向误差校准，取代传统的基阵旋转方式，可以有效地降低基阵旋转机构的复杂性，以及由此带来的声学信号干扰问题；本发明综合考虑了所述接收换能器的安装、声学中心的理论位置与实际位置不一致、通道不一致等系统误差导致的测向误差问题，采用声学的方法进行快速超短基线系统测向误差的水池校准，提高了所述超短基线系统的定位精度。

25、本发明的其他有益效果将在接下来的描述中被进一步说明。