一种光纤矢量水听器及其阵列姿态校准方法、系统与流程

1.本发明涉及水听器阵列姿态校准技术领域，尤其涉及一种光纤矢量水听器及其阵列姿态校准方法、系统。


背景技术：

2.随着科技的不断发展，为满足岸站建设的需要，服务海岸预警声呐系统，实现远程检测、识别，水听器在其中发挥的能力日益显得重要。光纤矢量水听器通过高灵敏度的光纤相干检测技术，将被测信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统从而提取信息，具有灵敏度高、便于复用等诸多特性。将多个光纤矢量水听器按照一定的间距组合形成光纤矢量水听器阵列具有良好的阵增益。
3.光纤矢量水听器阵列中每个光纤矢量水听器对应一个姿态传感器，通过姿态传感器航向角修正矢量水听器方位估计角度。由于矢量水听器是通过弹簧悬挂的方式固定，导致每个光纤矢量水听器悬挂后的状态有差异，从而产生方位估计误差；姿态传感器安装在耐压和水密的密封腔体内，通过机械结构限位的方式使航向角与光纤矢量水听器的零度(即光纤矢量水听器的x+轴)方向保持一致，但两者配合装配时存在工程偏差，导致矢量水听器的x﹢轴方向与姿态传感器航向角方向并非完全重合，从而引起方位估计的不准确；阵列中光纤矢量水听器之间是通过软性连接，在实际装配过程中，每个矢量水听器的x﹢轴方向与航向角的偏差不是固定值，导致在阵列方位估计时消弱阵增益，严重时，无法进行阵列方位估计。根据光纤矢量水听器的x轴和y轴接收到的声强信号，通过对姿态传感器航向角进行校正，使得矢量水听器的x﹢轴方向与姿态传感器航向角偏差在误差范围之内，实现光纤矢量水听器阵列中每个航向传感器的准确度，进而提高阵列方位估计精度。然而，现阶段针对光纤矢量水听器阵列中通过姿态传感器航向角的校正大多处在非航行时的水听器本身的校正，因此急需一种可以在航行过程中实际校正姿态传感器航向角的方法作为代替或者补充，实现光纤矢量水听器阵列中每个航向传感器的准确度，进而提高阵列方位估计精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种光纤矢量水听器及其阵列姿态校准方法、系统，以解决现有技术中无法实现在航行过程中保证光纤矢量水听器的x﹢轴与姿态传感器航向角一致的问题，进而提升光纤矢量水听器阵列在目标方位测量中的应用能力，提高阵列方位估计精度。
5.第一方面，本发明提供的一种光纤矢量水听器姿态校准方法，包括：
6.声源发射信号，并围绕光纤矢量水听器旋转一周；
7.采用声能流方法，获取声源对应光纤矢量水听器方位角θ；
8.通过获取的方位角，确定光纤矢量水听器x+轴方向；
9.根据光纤矢量水听器中的姿态传感器确定当前水听器的姿态航向和x+轴方向的
偏差角度δθ，对光纤矢量水听器进行姿态校准，使光纤矢量水听器的x+轴方向与姿态航向相重合。
10.进一步地，在所述声源发射信号之前还包括：在远场条件下，将光纤矢量水听器垂直放置在水中。
11.优选地，所述光纤矢量水听器垂直放置是通过配重和浮球使光纤矢量水听器处于拉直状态。
12.优选地，所述声源通过旋转台围绕光纤矢量水听器进行旋转。
13.进一步地，声源以固定的预设速度围绕光纤矢量水听器旋转一周。
14.进一步地，所述声能流方法包括：
15.根据接收到的声源信号信息，实现光纤矢量水听器对方位角的估计，其中光纤矢量水听器的x轴与y轴信号接收为：
[0016][0017]
其中，是s(t)表示t时刻光纤矢量水听器所处位置的声强；v
x
表示x轴接收到的声强信号；vy表示y轴接收到的声强信号；θ为声源信号在矢量球xoy平面的方位角；
[0018]
声源信号在矢量球xoy平面的方位角θ为：
[0019][0020]
第二方面，本发明提供的一种光纤矢量水听器阵列姿态校准方法，包括：
[0021]
声源发射信号，并围绕光纤矢量水听器阵列旋转一周；
[0022]
采用声能流方法，获取声源对应光纤矢量水听器阵列中每一个光纤矢量水听器的方位角θ；
[0023]
通过获取的方位角，确定每一个光纤矢量水听器的x+轴方向；
[0024]
根据每一个光纤矢量水听器中的姿态传感器确定当前水听器的姿态航向和x+轴方向的偏差角度δθ，对每一个光纤矢量水听器进行姿态校准，使每一个光纤矢量水听器的x+轴方向与姿态航向相重合。
[0025]
进一步地，声源以固定的预设速度围绕光纤矢量水听器阵列旋转一周。
[0026]
进一步地，所述声能流方法包括：
[0027]
根据光纤矢量水听器阵列中每一个光纤适量水听器接收到的声源信号信息，实现每一个光纤矢量水听器对方位角的估计，其中光纤矢量水听器的x轴与y轴信号接收为：
[0028][0029]
其中，是s(t)表示t时刻光纤矢量水听器所处位置的声强；v
x
表示x轴接收到的声强信号；vy表示y轴接收到的声强信号；θ为声源信号在矢量球xoy平面的方位角；
[0030]
声源信号在矢量球xoy平面的方位角θ为：
[0031][0032]
第三方面，本发明提供的一种光纤矢量水听器阵列姿态校准系统，包括：声源信号
发射模块、声源信号接收模块、数据处理模块、姿态校准模块；
[0033]
声源信号发射模块：用于声源发射信号，并以预设速度围绕光纤矢量水听器阵列旋转一周；
[0034]
声源信号获取模块：用于获取光纤矢量水听器阵列中的每一个光纤矢量水听器接收的声源信号，并发送到数据处理模块；
[0035]
数据处理模块：用于接收声源信号获取模块发送的声源信号，并采用声能流方法，获取声源对应光纤矢量水听器阵列中的每一个光纤矢量水听器的方位角；通过获取的所有方位角，确定每一个光纤矢量水听器的x+轴方向；根据每一个光纤矢量水听器中的姿态传感器确定当前水听器的姿态航向与其对应的x+轴方向的偏差角度；
[0036]
姿态校准模块：用于将光纤矢量水听器阵列中的每一个光纤矢量水听器的姿态进行校准，使阵列中每一个光纤矢量水听器的x+轴方向与姿态航向相重合。
[0037]
有益效果
[0038]
本发明提供的一种光纤矢量水听器及其阵列姿态校准方法、系统，在远场条件下，将光纤矢量水听器垂直放置在水中，声源发射宽频信号，并围绕每个光纤矢量水听器旋转一周，采用声能流方法，找到每个光纤矢量水听器的x﹢轴方向。同时根据姿态传感器的航向角，计算光纤矢量水听器的x﹢轴与姿态传感器航向角的偏差角度，将该偏差角进行校准使光纤矢量水听器的x﹢轴方向与姿态传感器航向相重合。在水中进行测试可保证光纤矢量水听器在航行过程中也可以进行姿态校准。
[0039]
光纤矢量水听器阵列中光纤矢量水听器之间是通过软性连接，在实际装配过程中，阵列中每一个光纤矢量水听器的x+轴方向与姿态航向的偏差不是固定值，通过本发明提供的校准方法可以保证阵列中每一个光纤矢量水听器的使光纤矢量水听器的x﹢轴方向与姿态传感器航向相重合，确保阵增益的高效利用；阵列规模越大，对阵列中的每一光纤矢量水听器进行姿态校准，可使阵列姿态达到高一致性，阵增益越大，阵列对目标方位估计的范围越大，精度越高，提升光纤矢量水听器阵列大规模的应用。
附图说明
[0040]
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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0041]
图1是本发明提供的光纤矢量水听器校准结构示意图；
[0042]
图2是本发明提供的光纤矢量水听器阵列方位估计图。
[0043]
图中：1-光纤矢量水听器；2-姿态传感器；3-姿态航向；4-光纤矢量水听器的x+轴方向；5-矢量球xoy平面；6-声源；7-光纤矢量水听器阵列。
具体实施方式
[0044]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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做出创造性劳动的前提下所得到的所有
其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
[0045]
实施例1
[0046]
光纤矢量水听器1如图1所示，光纤矢量水听器1的顶部设置有姿态传感器2，姿态传感器2中的箭头方向表示姿态航向3；光纤矢量水听器1中间设置有矢量球，矢量球内部有矢量球xoy平面5，其中矢量球xoy平面5中的虚线表示光纤矢量水听器1的x轴和y轴，实线箭头方向表示光纤矢量水听器的x+轴方向4。
[0047]
如图1-2所示，本案例提供一种光纤矢量水听器姿态校准方法，其中，包括：
[0048]
步骤1：在远场条件下，将光纤矢量水听器1垂直放置在水中，并通过配重和浮球使光纤矢量水听器1处于拉直状态。
[0049]
步骤2：设置旋转台，使得声源6可以围绕光纤矢量水听器1进行旋转，并且声源6与光纤矢量水听器1的距离保持不变。
[0050]
步骤3：声源6发射宽频信号，并围绕光纤矢量水听器1旋转一周，其中旋转一周的时长约为1分钟；
[0051]
步骤4：采用声能流方法，获取声源6对应光纤矢量水听器1方位角θ；
[0052]
所述声能流方法包括：
[0053]
根据光纤矢量水听器1接收到的声源信号信息，实现光纤矢量水听器1对声源6方位角的估计，其中光纤矢量水听器1的x轴与y轴信号接收为：
[0054][0055]
其中，是s(t)表示t时刻光纤矢量水听器1所处位置的声强；v
x
表示x轴接收到的声强信号；vy表示y轴接收到的声强信号；θ为声源信号在矢量球xoy平面5的方位角；
[0056]
声源信号在矢量球xoy平面5的方位角θ为：
[0057][0058]
步骤5：通过获取的方位角，确定光纤矢量水听器的x+轴方向4。其中，通过获得声源6旋转一周后的方位角，确定方位角为零度时声源6所处的位置，即光纤矢量水听器的x+轴方向4。
[0059]
步骤6：根据光纤矢量水听器1中的姿态传感器2确定当前水听器的姿态航向3和x+轴方向的偏差角度δθ，对光纤矢量水听器1进行姿态校准，使光纤矢量水听器的x+轴方向4与姿态航向3相重合。其中，偏差角δθ是通过声源6旋转到姿态传感器航向角为0度的位置时，光纤矢量水听器1测试方位角的角度值。
[0060]
实施例2
[0061]
如图1-2所示，本案例提供一种光纤矢量水听器阵列姿态校准方法，采用实施例1中方法对光纤矢量水听器阵列7中的每一个光纤矢量水听器1进行姿态校准，使阵列中每一个光纤矢量水听器的x+轴方向4与姿态航向3相重合，其中实施例2校准方法和实施例1的区别在于，光源6以固定的预设速度围绕整个光纤适量水听器阵列7旋转一周。其中，光纤矢量水听器阵列7由多个光纤矢量水听器1排成一列组成，光纤矢量水听器阵列7中的光纤矢量水听器1的数量可根据实际需求进行设置。图2为16个光纤矢量水听器1构成的光纤矢量水
听器阵列7的示例。当阵列中每一个光纤矢量水听器1的姿态达到高度一致时，阵增益越大，阵列对目标方位估计的范围越大，精度越高。
[0062]
实施例3
[0063]
如图1-2所示，本案例提供一种光纤矢量水听器阵列姿态校准系统，包括：声源信号发射模块、声源信号接收模块、数据处理模块、姿态校准模块；
[0064]
声源信号发射模块：用于声源6发射宽频信号，并以预设速度围绕光纤矢量水听器阵列7旋转一周，旋转一周的时长为1分钟；
[0065]
声源信号获取模块：用于获取光纤矢量水听器阵列7中的每一个光纤矢量水听器1接收的声源信号，并发送到数据处理模块；
[0066]
数据处理模块：用于接收声源信号获取模块发送的声源信号，并采用声能流方法，获取声源对应光纤矢量水听器阵列7中的每一个光纤矢量水听器1的方位角；通过获取的所有方位角，确定每一个光纤矢量水听器的x+轴方向4；根据每一个光纤矢量水听器1中的姿态传感器2确定当前水听器的姿态航向3与其对应的x+轴方向的偏差角度；
[0067]
姿态校准模块：用于将光纤矢量水听器阵列7中的每一个光纤矢量水听器1的姿态进行校准，使阵列中每一个光纤矢量水听器的x+轴方向4与姿态航向3相重合。
[0068]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。