专利名称：一种多普勒全向导航方法及声纳系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及水下被导航目标的定位，具体地是指一种多普勒全向导航方法及声纳系统。
背景技术：
随着军用和民用水下机器人越来越广泛应用，水下声学导航变得越来越重要。一种经常采用的是长基线定位声纳，它通过测量若干固定声源到接收器的声波传播时间，转换成距离，并通过三角形解算来推算接收器的位置。另一种广泛应用的导航定位声纳为超短基线水声定位声纳，它通过水听器阵来测量单个应答信号的方位来进行定位。上述长基线定位声纳需要预先安放三个或三个以上的固定声源，成本高，使用不便；超短基线定位声纳往往不能实现被导航目标的自身定位与导航。Benjamin Dzikowicz 的美国专利“Underwater Acoustic Beacon and Method ofOperating Same for Navigation”介绍了一种基于螺旋阵的声纳信标,该声纳信标通过螺旋阵向外辐射与接收器方位相关的信号，接收器接收这种信号即可获得自身相对信标的方位，但这种声纳信标需要一个或多个螺旋发射换能器阵，且螺旋阵的径向距离为I个波长，这对换能器的加工精度有较高的要求，且导航定位误差较大
发明内容
本发明目的就在于给被导航目标(如水下机器人或潜水员)提供导航信息，而提供一种多普勒全向导航声纳方法和声纳系统，准确地实现被导航目标相对参考载体的定位。实现本发明目的采用的技术方案是一种多普勒全向导航方法，将设于参考载体上的声纳换能器沿某一固定轨迹随时间改变工作位置，所述的位置改变使得所述声纳换能器发射或接收的声波信号产生频率调制，然后将所述的频率调制与所述的位置状态信号比较相位，并以此判断被导航目标相对参考载体的方位。此外，本发明提供一种多普勒全向导航声纳系统，包括位于参考载体上的第一发射端，所述第一发射端设有第一声纳换能器和第二声纳换能器，所述第一声纳换能器位于一个圆的圆周上，在该圆周上做圆周运动，并发出声波信号；所述第二声纳换能器，位于所述圆的圆心处，其发射一个被圆周运动状态信号调制的载波信号；以及，位于被导航目标上的第一接收端，所述第一接收端设有第一信号接收处理单元，用于接收所述第一声纳换能器和第二声纳换能器发出的信号，分别检测两个信号中的调制信号，比较两个调制信号的相位差，根据相位差判断被导航目标相对参考载体的方位。进一步地，所述第一发射端还包括一圆盘，与所述参考载体连接，所述第一声纳换能器位于该圆盘的圆周上，所述第二声纳换能器位于该圆盘的圆心处；以及一驱动装置，与所述圆盘连接，用于驱动所述圆盘以圆心为轴转动。
进一步地，所述圆周运动为位于圆周上的若干个声纳换能器通过依次切换工作而模拟形成，其中，处于工作状态的一个声纳换能器为所述第一声纳换能器。本发明还提供一种多普勒全向导航声纳系统，包括位于被导航目标上的第二发射端，所述第二发射端设有第三声纳换能器，其发射声波信号；位于参考载体上的第二接收端，所述第二接收端设有做圆周运动的第四声纳换能器；以及位于所述参考载体上的第二信号接收处理单元，其接收所述第四声纳换能器输出的信号，并检测信号中的调制信号，比较所述的调制信号与圆周运动状态信号的相位差，根据相位差判断被导航目标相对参考载体的方位。进一步地，所述第二发射端还包括 一圆盘，与所述参考载体连接，所述第四声纳换能器位于该圆盘的圆周上；一驱动装置，与所述圆盘连接，用于驱动所述圆盘以圆心为轴转动。进一步地，所述圆周运动为位于圆周上的若干个声纳换能器通过依次切换工作而模拟形成，其中，处于工作状态的一个声纳换能器为所述第四声纳换能器。本发明的优点在于(I)与超短基线系统相比，本发明可为被导航目标提供相对于参考载体的方位，这能解决水下机器人或潜水员的水下自身定向问题；(2)与长基线系统相比，只需一个发射端即可实现导航，简化了布放和回收的困难；(3)与螺旋阵声纳信标相比，本发明利用多普勒效应，大大提高导航精度。
图I为多普勒全向导航声纳的系统结构示意图；图2为多普勒全向导航声纳的导航方法原理示意图；图3为实施例I中发射端各设备的连接框图；图4为图3中第一声纳换能器基阵的结构示意图；图5为实施例I中接收端各设备的连接框图；图6为实施例2中发射端各设备的连接框图；图7为图6中采用球形换能器阵元的基阵示意图；图8为图6中采用圆柱形换能器阵元的基阵示意图；图9为图6中圆柱形换能器阵元的基阵纵剖面示意图；图10为图6中采用平面型换能器阵元的基阵示意图；图11采用平面形换能器阵元的基阵纵剖面示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明多普勒全向导航方法作进一步的说明。如图I所示，多普勒全向导航声纳的系统包括发射端和接收端，发射端包括第一声纳换能器基阵200和第一电子舱300，发射端刚性安装在参考载体100上；接收端包括信号接收处理单元500和第二电子舱700，接收端设于被导航目标600上，其中信号接收处理单元500包括第二声纳换能器基阵501。第一电子舱300控制第一声纳换能器基阵200发射声波信号，接收端的第二声纳换能器基阵500接收到第一声纳换能器基阵200发出的信号，经过第二电子舱700处理，得到被导航目标600相对参考载体100的方位。如图2所不,发射端的第一声纳换能器基阵200包括第一声纳换能器202和第二声纳换能器203，其中第一声纳换能器202位于参考点201处，第二声纳换能器203在以参考点201为圆心、半径为r的圆周上作顺时钟匀速圆周运动，角速度为设正北方向为参考方向，设t时刻，第二声纳换能器203相对参考方向的方位角为Y，即以参考点201为起点，过发射源203的射线与参考方向的夹角为Y。接收端的第二声纳换能器基阵5 01相对于参考方向的方位角为被导航目标600距离旋转圆周圆心即参考点201距离为R,设第二声纳换能器203 —直发射频率为fv的单频信号，则从发射源传播到第二声纳换能器基阵501产生的相位延迟为
-八.[R-rcos(.彡-7)1(I)其中，C为声速。由于Y = ，则第二声纳换能器基阵501接收的信号可表示为sv(t) =COS 27tfv t + f C0S(- ~—(2)
L \ cj_此时，该信号的瞬时频率为
_ .則⑶
rao当一个发射单频信号的声源作圆周运动时，会因为多普勒效应形成一个调频信号，且其调制信号的初相与接收点的方位有关。这个调频信号称之为“可变相位信号”。在接收端，对这个信号进行相位检波，即可获得一个调制频率为旋转频率、初相为方位角的正弦调制信号。此时，在圆心处的第一声纳换能器202全向辐射另外一个调频信号，这个调频信号称之为“参考相位信号”，其信号可表示为%(0 = cos InfR p + rcos^G)^)(4)其中fK为参考相位信号的载频。由(4)可以看出，参考相位信号的调制信号即第二声纳换能器203的运动状态信号，其相位始终等于第二声纳换能器203与参考方向的夹角Y。因此，第二声纳换能器基阵501接收的总的信号可以表示为s (t) = ss(t)+msR(t) (5)其中，
权利要求
1.一种多普勒全向导航方法，其特征在于 将设于参考载体上的声纳换能器沿某一固定轨迹随时间改变工作位置，所述的位置改变使得所述声纳换能器发射或接收的声波信号产生频率调制，然后将所述的频率调制与所述的位置状态信号比较相位，并以此判断被导航目标相对参考载体的方位。
2.—种多普勒全向导航声纳系统,其特征在于,包括 位于参考载体上的第一发射端，所述第一发射端设有第一声纳换能器和第二声纳换能器，所述第一声纳换能器位于一个圆的圆周上，在该圆周上做圆周运动，并发出声波信号；所述第二声纳换能器，位于所述圆的圆心处，其发射一个被圆周运动状态信号调制的载波信号；以及， 位于被导航目标上的第一接收端，所述第一接收端设有第一信号接收处理单元，用于接收所述第一声纳换能器和第二声纳换能器发出的信号，分别检测两个信号中的调制信号，比较两个调制信号的相位差，根据相位差判断被导航目标相对参考载体的方位。
3.根据权利要求2所述的多普勒全向导航声纳系统，其特征在于所述第一发射端还包括 一圆盘，与所述参考载体连接，所述第一声纳换能器位于该圆盘的圆周上，所述第二声纳换能器位于该圆盘的圆心处；以及 一驱动装置，与所述圆盘连接，用于驱动所述圆盘以圆心为轴转动。
4.根据权利要求2所述的多普勒全向导航声纳系统，其特征在于所述圆周运动为位于圆周上的若干个声纳换能器通过依次切换工作而模拟形成，其中，处于工作状态的一个声纳换能器为所述第一声纳换能器。
5.一种多普勒全向导航声纳系统，其特征在于，包括 位于被导航目标上的第二发射端，所述第二发射端设有第三声纳换能器，其发射声波信号; 位于参考载体上的第二接收端，所述第二接收端设有做圆周运动的第四声纳换能器；以及 位于所述参考载体上的第二信号接收处理单元，其接收所述第四声纳换能器输出的信号，并检测信号中的调制信号，比较所述的调制信号与圆周运动状态信号的相位差，根据相位差判断被导航目标相对参考载体的方位。
6.根据权利要求5所述的多普勒全向导航声纳系统，其特征在于所述第二发射端还包括 一圆盘，与所述参考载体连接，所述第四声纳换能器位于该圆盘的圆周上； 一驱动装置，与所述圆盘连接，用于驱动所述圆盘以圆心为轴转动。
7.根据权利要求5所述的多普勒全向导航声纳系统，其特征在于所述圆周运动为位于圆周上的若干个声纳换能器通过依次切换工作而模拟形成，其中，处于工作状态的一个声纳换能器为所述第四声纳换能器。
全文摘要
本发明公开了一种多普勒全向导航方法及声纳系统，将设于参考载体上的声纳换能器沿某一固定轨迹随时间改变工作位置，所述的位置改变使得所述声纳换能器发射或接收的声波信号产生频率调制，然后将所述的频率调制与所述的位置状态信号比较相位，并以此判断被导航目标相对参考载体的方位。本发明利用多普勒效应，大大提高了被导航目标定位的精度。
文档编号G01S15/50GK102759735SQ20121020556
公开日2012年10月31日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者唐劲松, 张学波, 张森, 白生祥, 钟和平 申请人:中国人民解放军海军工程大学