一种分布式噪声测量系统的实时三维定位方法与流程

：本发明属于水声工程，具体涉及一种分布式噪声测量系统的实时三维定位方法。

背景技术

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背景技术：

1、潜艇作为海军作战平台，进行辐射噪声测量是评价其战术优势和弱点必不可少的。潜艇辐射噪声测量的系统可以有多种，如水听器、水听器簇、水平阵、垂直阵等，典型的布放方式有：固定在海底、海上漂浮、在测量船后拖曳等。随着潜艇声隐身能力提升，辐射噪声越来越小，为了获得较高的测量“增益”且获得三维空间上的噪声辐射情况，多采用包含多水听器的测量系统，即分布式噪声测量系统，如图1所示，其水下湿端部分的主要特征是：在潜艇周围的水平面上布置若干个水听器，各水听器与浮球、电缆、牵引绳、配重(沉在海底)等串联形成分支，各分支并联在1条电缆并连接至干端设备，各水听器悬浮在水中深度可调节，实时接收辐射噪声信号并上传；根据实际的辐射噪声测量需求，确定系统在水平面上的布阵形式和间距、各水听器深度，完成辐射噪声测量的任务。在海上复杂的海况条件——波浪、海流、风等荷载影响下，分布式噪声测量系统中的各水听器在水中的三维位置(深度位置、水平面位置)是随着外界荷载而不断实时变化的。以水听器初始(所在分支处于垂直方向，倾角为0°)深度50米、受到外荷载后分支倾角20°为例计算，水听器在水平面上的偏移约17米，深度上变化为3.1米。当各水听器在水中不断变化时，其在被测目标(潜艇)周围的相对分布位置是实时变化的，降低了测量的准确性和精度。因此，如何快速简便、准确可靠地获取水听器在水中的实时三维位置，对提高辐射噪声测量十分重要。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明所要解决的技术问题是，提供一种分布式噪声测量系统的实时三维定位方法，该方法可实时计算获得分布式测量系统的三维空间定位，提高了噪声测量准确性，同时间接获得水下水流分布情况，为辐射噪声的精细化分析提供信息支撑，也适用于其他有若干垂直分支组成的海洋系统或装置。

2、本发明的技术解决方案是，提供一种分布式噪声测量系统的实时三维定位方法,包括以下步骤，

3、步骤1，准备工作，在分布式辐射噪声测量系统的各水听器所在分支分别增设2个深度传感器(内置于深度传感器舱)，在被测潜艇目标处增加1个主动测距声源，其中，深度传感器用于实时测量深度值并上传到干端设备，主动测距声源用于间断发射主动高频信号，供水听器接收并实时测距；

4、步骤2，系统开始工作后，获取每个水听器测量值和中间计算值；

5、步骤3，通过相邻水听器的n次相互交叉验证，进行不断修正，以计算出各水听器的深度(an)和水平面位置(xn、yn)，其中，n的数值不少于水听器数量值；

6、步骤4，每隔m秒(根据实际精度要求确定，m一般不超过2秒)不断重复上述计算过程，从而获得各水听器实时的三维空间位置。

7、作为优选，同一分支所在的2个深度传感器中的一个安装在对应水听器处，另一个安装在对应水听器所在分支与主电缆结合处。

8、作为优选，基于各水听器所在分支，对每个分支所在的水听器依序编码，假设所在分支的水听器编码为n,将分支上下2个深度传感器之间长度记为d，并将分支不发生倾斜时设定为初始位置，此时上下2个深度传感器深度数值分别记为hn-1、hn-2，测距声源测距数值记为ln，声源深度s；实时来流时，分支发生倾斜，分支的倾斜方向与来流方向一致且流速越大倾角越大，倾斜角度记为θn，上下两个深度传感器深度数值分别记为hn-1’、hn-2’，测距声源测距数值记为ln’；通过几何关系(反余弦函数)计算获得倾斜角度为θn＝arccos((hn-2’)-(hn-1’)/d)。

9、进一步的，步骤4中，假设编码为n的水听器偏离初始位置后，实时位置与测距声源之间距离为ln’、倾斜角为θn，以及对相邻的编码为n+1的水听器及其所在的分支同步分析，计算获得编码为n+1的水听器的实时倾斜角且记为θn+1，计算获得编码为n+1的水听器实时位置与测距声源之间的距离并记为l(n+1)’；

10、通过ln’和倾斜角为θn，可确定编码为n的水听器的三维空间位置为pn-1和pn-2中的一个，以及通过l(n+1)’和θn+1，可确定编码为n++1的水听器的三维空间位置为p(n+1)-1和(n+1)-2中的一个；

11、基于相邻水听器之间距离和来流方向变化程度，近似认定编码为n的水听器和编码为n+1的水听器的水流方向相同，以及根据编码为n+1的水听器的两个流向倾斜θn+1角度，确定编码为n+1的水听器的两个可能位置，并分别计算该两个可能位置与声源之间的距离，以及根据计算的距离与实时距离l(n+1)’匹配，来确定编码为n+1的水听器的确定位置；以及通过反推，确定编码为n的水听器的确定位置。

12、采用以上方案后与现有技术相比，本发明具有以下优点：

13、1、在已有辐射噪声测量系统中增加的若干深度传感器、测距声源为成熟设备，简单便捷，易于工程实现，不影响原系统的功能性能和可靠性；2、通过增加的深度测量、水平面测距功能，可实时计算获得测量系统的三维空间定位，提高了噪声测量准确性，同时间接获得水下水流分布情况，为辐射噪声的精细化分析提供信息支撑；3、也适用于其他有若干垂直分支组成的海洋系统或装置。

技术特征：

1.一种分布式噪声测量系统的实时三维定位方法,其特征在于：包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的分布式噪声测量系统的实时三维定位方法，其特征在于：深度传感器内置于深度传感器舱中。

3.根据权利要求1所述的分布式噪声测量系统的实时三维定位方法，其特征在于：同一分支所在的2个深度传感器中的一个安装在对应水听器处，另一个安装在对应水听器所在分支与主电缆结合处。

4.根据权利要求1所述的分布式噪声测量系统的实时三维定位方法，其特征在于：步骤3中，基于各水听器所在分支，对每个分支所在的水听器依序编码，假设所在分支的水听器编码为n,将分支上下2个深度传感器之间长度记为d，并将分支不发生倾斜时设定为初始位置，此时上下2个深度传感器深度数值分别记为hn-1、hn-2，测距声源测距数值记为ln，声源深度s；实时来流时，分支发生倾斜，倾斜角度记为θn，上下两个深度传感器深度数值分别记为hn-1’、hn-2’，测距声源测距数值记为ln’；通过几何关系计算获得倾斜角度为θn＝arccos((hn-2’)-(hn-1’)/d)。

5.根据权利要求3所述的分布式噪声测量系统的实时三维定位方法，其特征在于：通过反余弦函数计算获得倾斜角度为θn＝arccos((hn-2’)-(hn-1’)/d)。

6.根据权利要求3所述的分布式噪声测量系统的实时三维定位方法，其特征在于：步骤4中，假设编码为n的水听器偏离初始位置后，实时位置与测距声源之间距离为ln’、倾斜角为θn，以及对相邻的编码为n+1的水听器及其所在的分支同步分析，计算获得编码为n+1的水听器的实时倾斜角且记为θn+1，计算获得编码为n+1的水听器实时位置与测距声源之间的距离并记为l(n+1)’；

技术总结
本发明公开了一种分布式噪声测量系统的实时三维定位方法,包括以下步骤，步骤1，准备工作，在分布式辐射噪声测量系统的各水听器所在分支分别增设2个深度传感器，在被测潜艇目标处增加1个主动测距声源；步骤2，系统开始工作后，获取每个水听器测量值和中间计算值；步骤3，通过相邻水听器的N次相互交叉验证，进行不断修正，以计算出各水听器的深度(An)和水平面位置(Xn、Yn)，其中，N的数值不少于水听器数量值。本发明可实时计算获得分布式测量系统的三维空间定位，提高了噪声测量准确性，同时间接获得水下水流分布情况，为辐射噪声的精细化分析提供信息支撑。

技术研发人员：李豹,张博彦,严伟,董义俊,武靖昊,翁金辉
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七一五研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12