水声被动探测或被动定位的节点装置及分布式的节点系统的制作方法

本发明涉及一种具有自定位功能的水声被动探测或被动定位的节点装置及分布式的节点系统，属于水声探测与定位领域。

背景技术：

探测与定位是现代水声技术的两大热点，而水声节点技术逐渐称为了现代水声技术的核心与关键。这主要是因为：一方面，传统的探测逐步向分布式探测、多基地探测等新型声呐探测体制发展，通过空间噪声的互异性和大孔径获得更好的水下目标11探测性能，而它们的基本单元就是探测节点；另一方面，长基线定位由于孔径大，可以在更大范围实现更高精度的目标定位，其基本单元是定位节点。

这些探测节点或定位节点通常有座底、锚泊和水面吊放等方式。座底和锚泊方式布放回收较为复杂，尤其是在深海，成本高昂。水面吊放的方式简单方便，可通过水面船或浮标方式实现。但是采用水面吊放方式时，由于海流的作用，其水平位置和深度会发生偏离。对于由小尺度阵组成的探测节点而言，其水平位置坐标和深度信息不仅影响探测性能，还影响到多节点联合探测的性能，当节点在跃层深度附近工作时尤为如此。对于由小尺度阵组成的定位节点而言，其位置坐标的精度直接影响到最终的定位精度。因此得到节点水下基阵的位置显得尤为关键。一种简单的方式是在水面上安装一个超短基线定位系统，在节点水下基阵位置处安装一个应答器。但是不论应答器发出的脉冲的频带，由于距离近，其将对探测或定位信号形成强干扰。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明提供一种具有自定位功能的水声被动探测或被动定位的节点装置及分布式的节点系统。

本发明的一种水声被动探测或被动定位的节点装置，所述装置包括水面单元和水下单元；

水面单元将水下单元吊放到水下设定深度；

水面单元，用于实时将自身的位置信息发送至水下单元；

水下单元，用于根据水面单元发送的位置信息，进行自定位，还用于检测水下目标的辐射声学数据；水下单元将自定位的位置信息及检测到辐射声学数据经水面单元回传至指挥控制中心，实现水下目标的探测或定位。

优选的是，所述水面单元通过一根承重电缆将水下单元吊放到水下设定深度，水面单元和水下单元通过所述电缆传输电信号。

优选的是，所述水面单元包括同步信标、卫星定位及无线通信模块、水面处理模块和吊放装置；

同步信标，与水面处理模块电气连接，定时产生自定位脉冲同步信号和声定位脉冲，将声定位脉冲发送至水下单元，通过水面处理模块将自定位脉冲同步信号发送至水下单元；

卫星定位及无线通信模块，与水面处理单元电气连接，用于通过卫星获得同步信标的绝对位置信息，并通过水面处理模块发送至水下单元；

吊放装置，与水面处理模块连接，用于在水面处理模块的控制下，通过承重电缆将水下单元吊放到水下设定深度；

水面单元利用同步信标的位置表示自身的位置；

同步信标的自定位脉冲同步信号和声定位脉冲用于获取水下单元与同步信标的相对位置；

同步信标的绝对位置信息和水下单元与同步信标的相对位置用于获取水下单元的绝对位置；

水面处理模块，还用于接收水下单元自定位的位置信息及检测到辐射声学数据，并通过卫星定位及无线通信模块回传至指挥控制中心。

优选的是，所述水下单元包括水下处理模块、水下声学基阵和航姿仪；

水下声学基阵，用于感知同步信标的声定位脉冲，还用于检测水下目标的辐射声学数据；水下声学基阵的位置信息表示水下处理模块的位置；

航姿仪，用于采集水下声学基阵的方位、俯仰和横滚信息；

水下处理模块，用于在同步信标的自定位脉冲同步信号的触发下，控制水下声学基阵感知同步信标的声定位脉冲，并根据声定位脉冲、水中声速、水下声学基阵的深度及航姿仪采集的信息解算水下声学基阵的相对位置；还用于根据同步信标的绝对位置信息和水下声学基阵的相对位置解算水下单元的绝对位置，实现自定位，还用于将自定位的位置信息及检测到辐射声学数据发送至水上单元。

优选的是，所述水下声学基阵工作在低频和高频两个频段，低频段用于检测水下目标的辐射声学数据，高频段用于感知同步信标的声定位脉冲。

优选的是，所述水下单元还包括深度计，用于获取水下声学基阵在水下的深度信息；

该深度信息用于自定位时解算水下声学基阵的相对位置。

本发明还提供一种分布式的节点系统，所述系统包括多个上述的节点装置，每个节点装置的卫星定位及无线通信模块在获得同步信标的绝对位置信息的同时，还用于产生秒脉冲信号，并将该秒脉冲信号发送至水下处理模块，每个节点装置的水下单元还包括时钟同步模块，多个节点装置的时钟同步模块利用各自接收的秒脉冲信号实现分布式节点装置之间的高精度时钟同步。

本发明的有益效果，本发明由于可以通过水面单元或指挥中心实时监控吊放装置布放水下单元工作在指定深度，例如通过合理控制水下单元的深度可以使节点装置克服跃层的影响。本发明噪声水平低，使得节点装置性能最优化。原因主要在于节点装置工作在被动模式，不存在有源干扰；本发明的水下单元采用双频段工作方式，大大减小了水下单元的体积，在保证自身位置高精度的同时，操作灵活方便且有较高的作业效率。本发明扩展了现有长基线定位系统的范围，并且由于水下单元的位置精度高，可以保证长基线定位的高精度特性。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；1表示卫星定位及无线通信模块，2表示水面处理模块,3表示吊放装置,4表示同步信标,5表示承重电缆,6表示水下声学基阵,7表示水下处理模块,11表示水下目标,12表示锚；

图2为图1的电气原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种水声被动探测或被动定位的节点装置，包括水面单元和水下单元；

水面单元或者指挥控制中心实时监控，将水下单元从母船上吊放到水下设定深度，该深度可以使节点克服跃层的影响，水面单元实时将自身的位置信息发送至水下单元；水下单元用于根据水面单元发送的位置信息，进行自定位，并检测水下目标11的辐射声学数据；自定位时根据传输的位置信息的时延和到达方位，结合水下单元的姿态和所处深度解算出水下单元的绝对位置，自定位位置信息的精度保证了最终的定位精度；水下单元将自定位的位置信息及检测到辐射声学数据经水面单元回传至指挥控制中心，实现水下目标11的探测或定位。

本实施方式的噪声水平低，使得节点装置性能最优化。原因主要在于节点装置工作在被动模式，不存在有源干扰；本实施方式的水下单元采用双频段工作方式，大大减小了水下单元的体积，在保证自身位置高精度的同时，操作灵活方便且有较高的作业效率。本发明扩展了现有长基线定位系统的范围，并且由于水下单元的位置精度高，可以保证长基线定位的高精度特性。

本实施方式水面单元可以由水面船、无人船或浮标等平台实现。要求具有一定的功率输出能力，保证吊放装置3将水下单元吊放到指定深度。

优选实施例中，本实施方式的水面单元通过一根承重电缆5将水下单元吊放到水下设定深度，水面单元和水下单元通过所述电缆传输电信号。

本实施方式的电缆具有以下功能：1、将水下单元吊放到指定深度，2、水上单元与水下单元传输电信号，3、能够承受水下单元的重量。

水面单元安装在母船上，优选实施例中，如图1和图2所示，本实施方式的水面单元包括同步信标4、卫星定位及无线通信模块1、水面处理模块2和吊放装置3；

同步信标4固定在母船船底，发射信号，用于标识水面单元的位置；

同步信标4，与水面处理模块2电气连接，定时产生自定位脉冲同步信号和声定位脉冲，将声定位脉冲发送至水下单元，通过水面处理模块2将自定位脉冲同步信号发送至水下单元；

卫星定位及无线通信模块1，与水面处理单元电气连接，用于通过卫星获得同步信标4的绝对位置信息，并通过水面处理模块2发送至水下单元；

吊放装置3，与水面处理模块2连接，用于在水面处理模块2的控制下，通过承重电缆5将水下单元吊放到水下设定深度；本实施方式的吊放装置3可以采用绞车实现；

水面单元利用同步信标4的位置表示自身的位置；

同步信标4的自定位脉冲同步信号和声定位脉冲用于获取水下单元与同步信标4的相对位置；

同步信标4的绝对位置信息和水下单元与同步信标4的相对位置用于获取水下单元的绝对位置；

水面处理模块2，还用于接收水下单元自定位的位置信息及检测到辐射声学数据，并通过卫星定位及无线通信模块1回传至指挥控制中心。

本实施方式通过母船上的同步信标4对水下单元进行自定位，提高定位精度。优选实施例中，如图1所示，水下单元包括水下处理模块7、水下声学基阵6和航姿仪；

水下声学基阵6，用于感知同步信标4的声定位脉冲，还用于检测水下目标11的辐射声学数据；水下声学基阵6的位置信息表示水下处理模块7的位置；本实施方式的水下声学基阵6是一个面阵，由相互垂直的2条直线阵组成；

航姿仪，用于采集水下声学基阵6的方位、俯仰和横滚信息；

水下处理模块7，用于在同步信标4的自定位脉冲同步信号的触发下，控制水下声学基阵6感知同步信标4的声定位脉冲，测量脉冲传播时延和脉冲波达方位，并根据声定位脉冲、水中声速值、水下声学基阵6的深度数据及航姿仪采集的信息解算水下声学基阵6的相对位置；还用于根据同步信标4的绝对位置信息和水下声学基阵6的相对位置解算水下单元的绝对位置，实现自定位，还用于将自定位的位置信息及检测到辐射声学数据发送至水上单元。

水下处理模块7自定位的过程：

假设同步信标4发射的声信号为s(t)，水下声学基阵6接收信号为s(t-τ)，利用相关法可以得到传播时延，结合声速信息可求得同步信标4和水下声学基阵6之间的距离r。

声学基阵由相互垂直的2条直线阵组成，分别可以实现对同步信标4的方位估计。

设同步信标4位于s处，其坐标为(x,y,z)，水下声学基阵6位于o处，目标径矢为它的方向余弦为：

式中：θx为径矢与x轴正向夹角；θy为径矢与y轴正向夹角；θx和θy可分别由声学基阵两轴上的阵元进行方位估计得到。

于是可得定位公式：

x＝rcosθx(4)

y＝rcosθy(5)

z＝rcosθz(6)

式中，r＝c·δt/2表示斜距；c为水中声速，由声速剖面仪测得；δt为信号的双程传播时延；θz为径矢与z轴的夹角。θx，θy，θz满足关系：

cos²θx+cos²θy+cos²θz＝1(7)

通常而言，由(6)得到的深度估计误差较大，工程上一般用深度计的测量值代替。

由航姿仪可以得到方位α、俯仰β和横滚信息γ，结合安装误差校准，可得到水下基阵的真实位置坐标；

xarray＝xbeacon-rot(ψ)xrelative(8)

式中，xarray表示水下声学基阵6的大地坐标，xbeacon卫星测得的同步信标的大地坐标，即：同步信标的绝对位置信息，xrelative表示同步信标在水下声学基阵6的坐标系下的相对坐标，xrelative＝(x,y,z)^t，rot为旋转矩阵。

式中，ψ为声学基阵坐标系相对于大地坐标系的旋转角，ψ＝(α,β,γ)^t，γ`＝acsin(sinγ/cosβ)。

水下处理模块7获取水下目标11的辐射声学数据的过程为：对各通道信号进行带通滤波，利用接收的信号进行宽带波束形成，估计水下目标11方位，根据估计方位补偿时延，相加，得到该方向的信号时间序列作为波束输出；存储并上传波束输出数据，用于探测或定位。本实施方式的水下单元还包括配重块，增加水下单元的重力，使其能够到达设定深度。

优选实施例中，所述水下声学基阵6工作在低频和高频两个频段，低频段用于目标探测与定位，用于接收被探测或被定位的水下目标11的辐射声学数据，高频段用于水下声学基阵6的自定位，用于接收水面单元的同步信标4的声定位脉冲信号。两个频带互不重叠。

本实施方式采用双频段工作方式，大大减小了水下单元的体积，在保证自身位置高精度的同时，操作灵活方便且有较高的作业效率。

优选实施例中，本实施方式的水下单元还包括深度计，用于获取水下声学基阵6在水下的深度信息；

该深度信息用于自定位时解算水下声学基阵6的相对位置，提高解算结果的精度；本实施方式的深度计还用于在吊放水下单元时获取水下单元的深度，便于水上单元及监控指挥中心实时监控。

本实施方式的水下单元还包括电源模块，功耗低，采用电池供电，系统电路噪声小。

本实施方式还提供一种分布式的节点系统，所述系统包括多个上述的节点装置，每个节点装置的卫星定位及无线通信模块1在获得同步信标4的绝对位置信息的同时，还用于产生秒脉冲信号，并将该秒脉冲信号发送至水下处理模块7，每个节点装置的水下单元还包括时钟同步模块，多个节点装置的时钟同步模块利用各自接收的秒脉冲信号实现分布式节点装置之间的高精度时钟同步。

同步采用gps的1-pps脉冲同步，亦即意味着卫星定位及传输模块(如gps)必须要有秒脉冲输出的功能，用于提供各定位节点系统的时间同步。

水下单元的功能是检测并存储目标辐射声学数据，通过数据电缆和水面数据传输模块回传到指挥控制中心，实现分布式的多水声节点的探测或定位解算。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。