[发明专利]基于多普勒效应的水下目标定位方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及水声通信技术中的水下目标定位，具体地说，涉及一种基于多普勒效应的水下目标定位方法和装置。

背景技术

水声定位技术是国民经济建设和国防建设的关键技术，具有广泛的应用前景，它始终是一个倍受关注的重大课题。对于军事系统来说，水声定位技术有助于对目标的正确估计和精确打击，为最终摧毁、消灭对方提供有力的手段。对于民用事业，如海洋开发、渔业资源的探测和开发、海洋环境监测、海上科学考察、水下机器人导航，水声定位技术可以为目标提供可靠的服务，乃至起到安全保障的作用等。（水下定位导航是一切海洋开发活动和海洋高技术发展的基本前提，水下运动载体或设备平台是海洋开发的重要工具，在实际应用中为了确定其在水下的具体位置，常需要对其定位。）由于电磁波在水中衰减严重，陆地GPS系统不适用于水下目标的定位，而声波在水中具有良好的传播特性，所以目前的水下定位技术一般以声波为媒介。水下声定位系统[1‐4]是指利用水下声波进行定位的系统，一般简称为水声定位系统。水声定位系统的基本组成部分为基元，基元间的连线称为基线。参照[1]，根据接收基阵中基线长度来分类，水声定位系统可以分为短基线(Short Base line,SBL)、超短基线(Ultra Short Base line,USBL或Super Short Baseline,SSBL)和长基线(Long Baseline,LBL)定位系统，还有一种定位系统就是他们之间的组合构成的水声定位系统。水声定位系统的实质是利用沿不同距离路径传播的水下声脉冲的时间差或者相位差估计目标到接收阵列的距离或者距离差，再利用阵元间的几何关系解算出目标的相对位置。这些系统都存在缺陷[5]，如长基线系统的缺点在于系统复杂，操作繁琐，声基阵数量巨大，费用昂贵，需要长时间布设和收回海底声基阵，需要对海底声基阵校准测量；短基线的主要缺点是深水测量要达到高的精度，基线长度一般需要大于40m，系统安装时，换能器需在船坞严格校准；超短基线的主要缺点是定位精度低，系统安装后的校准需要非常准确，而这往往难以达到，测量目标的绝对位置精度依赖于外围设备精度——电罗经、姿态传感器和深度传感器。

发明内容

本发明在针对于现有技术存在的缺陷，提供一种简便的，功耗小的基于多普勒效应的水下目标定位方法和装置。

多普勒效应是指物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；当运动在波源后面时，会产生相反的效应。本发明观察点设置的接收阵列做匀速圆周运动，接收到被测点发射出的声信号，产生多普勒效应，通过其在匀速圆周运动过程中不同的频率现象来对水下目标的位置定位。

本发明目的通过如下技术方案实现：

基于多普勒效应的水下目标定位装置，包括第一圆盘、第二圆盘、第三圆盘、水声阵列信号收发器、GPS接收器、第一微处理器和信号接收发射器；所述第一圆盘、第二圆盘和第三圆盘分别位于三个相互正交的平面上，分别与旋转驱动装置连接；三个水声阵列信号收发器分别位于第一圆盘、第二圆盘和第三圆盘上；信号接收发射器位于水下定位目标上；第一微处理器分别与水声阵列信号收发器、GPS接收器和信号接收发射器信号连接；水声阵列信号收发器和信号接收发射器与第一微处理器信号连接；第一圆盘、第二圆盘和第三圆盘的中心点位于同一条直线上；

第一圆盘、第二圆盘、第三圆盘、水声阵列信号收发器、GPS接收器和第一微处理器组成船载测量装置，设置在船体上。

为进一步实现本发明目的，所述位于水下目标上的信号接收发射器电路包括依次连接的接收换能器、放大器、带通滤波器、信号检测器、第二微处理器、信号生成器和发射换能器；信号接收发射器还包括信道监听器，接收换能器通过信道监听器直接与第二微处理器连接；所述带通滤波器为有源带通滤波器电路。

所述带通滤波器包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容，放大器；第一电阻、第一电容组成的低通滤波电路和由第二电容、第二电阻组成的高通滤波电路接入放大器正相输入端；放大器的反相输入端经第四电阻接地；第三电阻一端与放大器的输出端，另一端与低通滤波电路和高通滤波电路连接；第五电阻一端与放大器358的输出端，另一端与放大器的反相输入端连接。

所述第一圆盘位于竖直平面上，第二圆盘位于水平面上，第三圆盘位于与水平面和竖直平面相互正交平面上。

所述第一圆盘、第二圆盘和第三圆盘的半径优选为0.5‐3m。