基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位方法，包括：采用微控制器产生GOLD序列；根据所述GOLD序列采用调制器对正弦信号调制形成调制信号；采用匹配放大器将调制信号匹配放大；根据匹配放大后的调制信号采用换能器发出超声入射波；采用接收基阵接收所述超声入射波接触到待定位物体后反射的超声回波；采用滤波放大器将所述超声回波滤波放大；采用微控制器采集和解调经滤波放大的超声回波得到回波序列信号；利用FFT算法计算回波序列信号的周期与相位；根据周期和相位采用物理定律与立体几何之间的关系得到待定位物体的三维坐标。本发明还公开了一种基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位系统。本发明可以实现多系统多目标检测。
【专利说明】基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及定位技术，尤其涉及一种基于主动式目标探测原理的超短基线水下定 位方法及系统。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，人类对资源的开发与认知不仅局限于陆地资源，而逐步向 海洋开始拓展。因此水下的定位与检测技术越来越受到人们的重视。早期的长基线定位、 短基线定位技术得到广泛的应用，但是两种方法都存在着很大得弊端，此后超短基线的测 量方法应运而生。不过传统的超短基线测量方法都需要在水中放置应答器，该样对测量增 加了很大的局限性，而且在信号源方面只是采用传统的超声信号，给多系统多目标的测量 增加了很大的干扰与难度。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于主动式目标探测原理的超短基线 水下定位方法及系统，可W实现多系统多目标检测。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于主动式目标探测原理的超短基线 水下定位方法，包括：
[0005] 采用微控制器产生GOLD序列；
[0006] 根据所述GOLD序列采用调制器对正弦信号调制，形成调制信号；
[0007] 采用匹配放大器将所述调制信号匹配放大；
[0008] 根据匹配放大后的调制信号采用换能器发出超声入射波；
[0009] 采用接收基阵接收所述超声入射波接触到待定位物体后反射的超声回波；
[0010] 采用滤波放大器将所述超声回波进行滤波放大；
[0011] 采用所述微控制器采集和解调经滤波放大的超声回波，得到回波序列信号；
[001引利用FFT算法计算所述回波序列信号的周期与相位；
[0013] 根据所述周期和相位采用物理定律与立体几何之间的关系得到所述待定位物体 的H维坐标。
[0014] 其中，所述采用接收基阵接收所述超声入射波接触到待定位物体后反射的超声回 波，具体包括：
[0015] 采用接收基阵的四个水听器分别接收所述超声入射波接触到待定位物体后反射 的四组超声回波，其中，所述接收基阵为四个W所述换能器为圆也放置的4个垂直正交的 水听器，所述4个垂直正交的水听器构成平面正交阵。
[0016] 其中，所述根据所述周期和相位采用物理定律与立体几何之间的关系得到所述待 定位物体的H维坐标，具体包括：
[0017] 根据所述周期和相位得出所述待定位物体的垂直反射最短距离，
[001引其中，X(6xT+;^xT，lmi。为垂直反射最短距离，T为回波的周 JoU 期，特为相位，为超声波在海水中的声速；
[0019] 根据四组回波序列信号的相角差得到所述待定位物体的方位角；
[0020] 根据所述待定位物体的垂直反射最短距离和所述方位角计算得到所述待定位物 体的H维坐标。
[0021] 其中，所述采用滤波放大器将所述超声回波进行滤波放大，具体包括：
[0022] 采用型号为CX20106A的芯片对所述超声回波进行初级放大，之后采用带通滤波 电路进行滤波。
[0023] 其中，所述微控制器为TI公司生产的型号为msp430fl49的单片机，利用所述单片 机内部的定时器配W GOLD序列生成算法产生GOLD序列；所述调制器为型号为AD9854的芯 片；所述匹配放大器为型号为MJE2955的芯片。
[0024] 本发明还提供了一种基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位系统，包括： [00巧]微控制器，用于产生GOLD序列；
[0026] 调制器，用于根据所述GOLD序列对正弦信号调制，形成调制信号；
[0027] 匹配放大器，用于匹配放大所述调制信号；
[0028] 换能器，用于根据匹配放大后的调制信号发出超声入射波；
[0029] 接收基阵，用于接收所述超声入射波接触到待定位物体后反射的超声回波；
[0030] 滤波放大器，用于将所述超声回波进行滤波放大；
[0031] 所述微控制器还用于采集和解调经滤波放大的超声回波，得到回波序列信号；
[0032] 信号处理器，用于利用FFT算法计算所述回波序列信号的周期与相位，并根据所 述周期和相位采用物理定律与立体几何之间的关系得到所述待定位物体的H维坐标。具体 的，所述信号处理器为DSP信号处理器。
[0033] 其中，所述接收基阵为四个W所述换能器为圆也放置的4个垂直正交的水听器， 所述4个垂直正交的水听器构成平面正交阵，分别用于接收所述超声入射波接触到待定位 物体后反射的四组超声回波。
[0034] 其中，所述信号处理器具体包括：
[003引 FFT单元，用于利用FFT算法计算所述回波序列信号的周期与相位；
[0036] 距离计算单元，用于根据所述周期和相位得出所述待定位物体的垂直反射最短距 离，其中，Lm=V声パ&xT+^xT，imin为垂直反射最短距离，T为回波的周期，户 3oU 为相位，Vjs为超声波在海水中的声速；
[0037] 方位角计算单元，用于根据四组回波序列信号的相角差得到所述待定位物体的方 位角；
[0038] 坐标计算单元，用于根据所述待定位物体的垂直反射最短距离和所述方位角计算 得到所述待定位物体的H维坐标。
[0039] 其中，所述滤波放大器具体包括：
[0040] CX20106A的芯片，用于对所述超声回波进行初级放大；
[0041] 带通滤波电路，用于对初级放大后的超声回波进行滤波。
[004引其中，所述微控制器为TI公司生产的型号为msp430fl49的单片机，利用所述单片 机内部的定时器配W GOLD序列生成算法产生GOLD序列；所述调制器为型号为AD9854的芯 片；所述匹配放大器为型号为MJE2955的芯片。
[0043] 实施本发明，具有如下有益效果：
[0044] 本发明是基于超声波的发送与接收，并且根据不同物质的吸收率达到区别物体的 目的，利用通信原理中扩频码的概念达到多系统多目标的检测，利用数学中FFT方法来处 理回波信号的周期与相位的关系，再利用立体几何之间的关系求解目标物体的方位，利用 超声波声速求解物体的H维坐标。本发明的装置使用方便，适合快速检测，与传统的检测 方法相比价格低廉，不需要水中应答器的前期实施，具有及时性，整个系统配合其他系统使 用，利用GOLD序列达到多系统的区别与分析。
【专利附图】
【附图说明】
[0045] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可W 根据该些附图获得其他的附图。
[0046] 图1是本发明提供的基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位方法的一个 实施例的流程示意图；
[0047] 图2是本发明提供的基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位系统的一个 实施例的系统框图。
【具体实施方式】
[0048] 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。
[0049] 图1是本发明提供的基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位方法的一个 实施例的流程示意图，如图1所示，包括步骤：
[0050] S101、米用微控制器产生GOLD序列。
[0051] 其中，所述微控制器（MCU)为TI公司生产的型号为msp430fl49的单片机，利用所 述单片机内部的定时器配W GOLD序列生成算法产生GOLD序列。
[005引 GOLD序列在通信中运用广泛，既可降低白噪声，又可通过码序列实现多目标检测。 GOLD序列的产生包括步骤；利用软件算法，在MCU内设置两组数作为m序列的本原多项式， 对两组数进行移位模二加产生m序列；此时m序列数量有限，再利用软件算法对m序列的平 衡性进行判断，挑选出优选的m序列。接着利用优选的m序列为母本序列进行模2加运算， 产生大量的GOLD序列对。此时，根据人机交互对序列进行选择，就可在不同时段，不同系统 中选择运用的GOLD序列，W多对GOLD序列达到通信与区分的目的。
[0053] S102、根据所述GOLD序列采用调制器对正弦信号调制，形成调制信号。
[0054] 其中，所述调制器为型号为AD9854的芯片。启动AD9854产生正弦信号，在信号的 输入端利用GOLD序列进行调制，将GOLD序列的0、1码用来控制AD9854的程序，利用二进 巧||频移键控，若GOLD序列的当前码元为0,则AD9854序列此时产生的正弦信号频率减半，否 则频率与预期值相等。如此完成信号部分的发生与调制，并且将通信的信号W 〇、1码的形 势存储到声波中。不同的GOLD序列，将产生不同的波形。
[00巧]S103、采用匹配放大器将所述调制信号匹配放大。
[0056] 其中，所述匹配放大器为型号为MJE2955的芯片。
[0057] S104、根据匹配放大后的调制信号采用换能器发出超声入射波。
[0058] S105、采用接收基阵接收所述超声入射波接触到待定位物体后反射的超声回波。
[0059] 具体的，S105包括步骤：
[0060] 采用接收基阵的四个水听器分别接收所述超声入射波接触到待定位物体后反射 的四组超声回波，其中，所述接收基阵为四个W所述换能器为圆也放置的4个垂直正交的 水听器，所述4个垂直正交的水听器构成平面正交阵。
[0061] S106、采用滤波放大器将所述超声回波进行滤波放大。
[0062] 具体的，S106包括步骤；采用型号为CX20106A的芯片对所述超声回波进行初级放 大，之后采用带通滤波电路进行滤波。
[0063] S107、采用所述微控制器采集和解调经滤波放大的超声回波，得到回波序列信号。
[0064] S108、利用FFT算法计算所述回波序列信号的周期与相位。
[0065] S109、根据所述周期和相位采用物理定律与立体几何之间的关系得到所述待定位 物体的H维坐标。
[0066] 具体的，步骤S109包括：
[0067] 根据所述周期和相位得出所述待定位物体的垂直反射最短距离，
[006引其中，Ln=V声X(&XT+^XT , Im化为垂直反射最短距离，T为回波的周 期，口为相位，为超声波在海水中的声速；
[0069] 根据四组回波序列信号的相角差得到所述待定位物体的方位角；
[0070] 根据所述待定位物体的垂直反射最短距离和所述方位角计算得到所述待定位物 体的H维坐标。
[0071] 图2是本发明提供的基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位系统的一个 实施例的系统框图，如图2所示，系统包括：
[007引微控制器201，用于产生GOLD序列；
[0073] 调制器202,用于根据所述GOLD序列对正弦信号调制，形成调制信号；
[0074] 匹配放大器203,用于匹配放大所述调制信号；
[00巧]换能器204,用于根据匹配放大后的调制信号发出超声入射波；
[0076] 接收基阵205,用于接收所述超声入射波接触到待定位物体后反射的超声回波；
[0077] 滤波放大器206,用于将所述超声回波进行滤波放大；
[0078] 所述微控制器201还用于采集和解调经滤波放大的超声回波，得到回波序列信 号；
[0079] 信号处理器207,用于利用FFT算法计算所述回波序列信号的周期与相位，并根据 所述周期和相位采用物理定律与立体几何之间的关系得到所述待定位物体的H维坐标。
[0080] 其中，所述接收基阵205为四个W所述换能器为圆也放置的4个垂直正交的水听 器，所述4个垂直正交的水听器构成平面正交阵，分别用于接收所述超声入射波接触到待 定位物体后反射的四组超声回波。
[0081] 其中，所述信号处理器207具体包括：
[008引 FFT单元，用于利用FFT算法计算所述回波序列信号的周期与相位；
[0083] 距离计算单元，用于根据所述周期和相位得出所述待定位物体的垂直反射最短距 离，其中，/mm=V声xCaxT+^xT，1。;。为垂直反射最短距离，1'为回波的周期， 为相位，Vjs为超声波在海水中的声速；
[0084] 方位角计算单元，用于根据四组回波序列信号的相角差得到所述待定位物体的方 位角；
[0085] 坐标计算单元，用于根据所述待定位物体的垂直反射最短距离和所述方位角计算 得到所述待定位物体的H维坐标。
[0086] 其中，所述滤波放大器206具体包括：
[0087] CX20106A的芯片，用于对所述超声回波进行初级放大；
[0088] 带通滤波电路，用于对初级放大后的超声回波进行滤波。
[0089] 其中，所述微控制器201为TI公司生产的型号为msp430fl49的单片机，利用所 述单片机内部的定时器配W GOLD序列生成算法产生GOLD序列；所述调制器202为型号为 AD9854的芯片；所述匹配放大器203为型号为MJE2955的芯片。
[0090] 实施本发明，具有如下有益效果：
[0091] 本发明是基于超声波的发送与接收，并且根据不同物质的吸收率达到区别物体的 目的，利用通信原理中扩频码的概念达到多系统多目标的检测，利用数学中FFT方法来处 理回波信号的周期与相位的关系，再利用立体几何之间的关系求解目标物体的方位，利用 超声波声速求解物体的H维坐标。本发明的装置使用方便，适合快速检测，与传统的检测 方法相比价格低廉，不需要水中应答器的前期实施，具有及时性，整个系统配合其他系统使 用，利用GOLD序列达到多系统的区别与分析。
[0092] 需要说明的是，在本文中，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排 他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而 且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为该种过程、方法、物品或者装置所固有 的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除在包括 该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0093] 上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0094] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所掲露的系统和方法可W通过其 它的方式实现。例如，W上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅 仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可W有另外的划分方式，例如多个单元或组件可W结 合或者可W集成到另一个系统，或一些特征可W忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的 相互之间的禪合或直接禪合或通信连接可W是通过一些接口，装置或单元的间接禪合或通 信连接，可w是电性，机械或其它的形式。
[0095] 专业人员还可W进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元 及算法步骤，能够W电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和 软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。该些 功能究竟W硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业 技术人员可W对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是该种实现不应 认为超出本发明的范围。
[0096] 结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可W直接用硬件、处理器执 行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可W置于随机存储器（RAM)、内存、只读存 储器（ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术 领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
[0097] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对该些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可W在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的该些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
【权利要求】
1. 一种基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位方法，其特征在于，包括： 采用微控制器产生GOLD序列； 根据所述GOLD序列采用调制器对正弦信号调制，形成调制信号； 采用匹配放大器将所述调制信号匹配放大； 根据匹配放大后的调制信号采用换能器发出超声入射波； 采用接收基阵接收所述超声入射波接触到待定位物体后反射的超声回波； 采用滤波放大器将所述超声回波进行滤波放大； 采用所述微控制器采集和解调经滤波放大的超声回波，得到回波序列信号； 利用FFT算法计算所述回波序列信号的周期与相位； 根据所述周期和相位采用物理定律与立体几何之间的关系得到所述待定位物体的三 维坐标。
2. 如权利要求1所述的基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位方法，其特征在 于，所述采用接收基阵接收所述超声入射波接触到待定位物体后反射的超声回波，具体包 括： 采用接收基阵的四个水听器分别接收所述超声入射波接触到待定位物体后反射的四 组超声回波，其中，所述接收基阵为四个以所述换能器为圆心放置的4个垂直正交的水听 器，所述4个垂直正交的水听器构成平面正交阵。
3. 如权利要求2所述的基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位方法，其特征在 于，所述根据所述周期和相位采用物理定律与立体几何之间的关系得到所述待定位物体的 三维坐标，具体包括： 根据所述周期和相位得出所述待定位物体的垂直反射最短距离，
，1_为垂直反射最短距离，T为回波的周期， P为相位，为超声波在海水中的声速； 根据四组回波序列信号的相角差得到所述待定位物体的方位角； 根据所述待定位物体的垂直反射最短距离和所述方位角计算得到所述待定位物体的 三维坐标。
4. 如权利要求1所述的基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位方法，其特征在 于，所述采用滤波放大器将所述超声回波进行滤波放大，具体包括： 采用型号为CX20106A的芯片对所述超声回波进行初级放大，之后采用带通滤波电路 进行滤波。
5. 如权利要求1所述的基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位方法，其特征在 于，所述微控制器为TI公司生产的型号为msp430fl49的单片机，利用所述单片机内部的定 时器配以GOLD序列生成算法产生GOLD序列；所述调制器为型号为AD9854的芯片；所述匹 配放大器为型号为MJE2955的芯片。
6. -种基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位系统，其特征在于，包括： 微控制器，用于产生GOLD序列； 调制器，用于根据所述GOLD序列对正弦信号调制，形成调制信号； 匹配放大器，用于匹配放大所述调制信号； 换能器，用于根据匹配放大后的调制信号发出超声入射波； 接收基阵，用于接收所述超声入射波接触到待定位物体后反射的超声回波； 滤波放大器，用于将所述超声回波进行滤波放大； 所述微控制器还用于采集和解调经滤波放大的超声回波，得到回波序列信号； 信号处理器，用于利用FFT算法计算所述回波序列信号的周期与相位，并根据所述周 期和相位采用物理定律与立体几何之间的关系得到所述待定位物体的三维坐标。
7. 如权利要求6所述的基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位系统，其特征在 于，所述接收基阵为四个以所述换能器为圆心放置的4个垂直正交的水听器，所述4个垂直 正交的水听器构成平面正交阵，分别用于接收所述超声入射波接触到待定位物体后反射的 四组超声回波。
8. 如权利要求7所述的基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位系统，其特征在 于，所述信号处理器具体包括： FFT单元，用于利用FFT算法计算所述回波序列信号的周期与相位； 距离计算单元，用于根据所述周期和相位得出所述待定位物体的垂直反射最短距离，
，Imin为垂直反射最短距离，T为回波的周期，妒为 相位，为超声波在海水中的声速； 方位角计算单元，用于根据四组回波序列信号的相角差得到所述待定位物体的方位 角； 坐标计算单元，用于根据所述待定位物体的垂直反射最短距离和所述方位角计算得到 所述待定位物体的三维坐标。
9. 如权利要求6所述的基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位系统，其特征在 于，所述滤波放大器具体包括： CX20106A的芯片，用于对所述超声回波进行初级放大； 带通滤波电路，用于对初级放大后的超声回波进行滤波。
10. 如权利要求6所述的基于主动式目标探测原理的超短基线水下定位系统，其特征 在于，所述微控制器为TI公司生产的型号为msp430fl49的单片机，利用所述单片机内部的 定时器配以GOLD序列生成算法产生GOLD序列；所述调制器为型号为AD9854的芯片；所述 匹配放大器为型号为MJE2955的芯片。
【文档编号】G01S15/42GK104502915SQ201410790764
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】时从斌, 李建, 溥德阳, 贺昭晖, 葛新日, 吴烁民 申请人:河海大学常州校区