[发明专利]一种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统与方法

说明书

本发明公开了一种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统与方法，主要包括校准装置等，深海应答器布放在海底，并布置在长方形四个顶角上，位置校准装置通过固定卡具安装在潜标主体上的发射声源附近，发射声源附近通过固定卡具安装倾角和方位传感器，需要实时获取位置的垂直接收阵阵元在最远端通过固定卡具安装倾角和方位传感器。本发明应用在深海声层析试验过程中对发射声源和接收阵元位置进行定位，具有定位精度高，作用海域深，可以大幅度减小由于空间定位误差引起的声层析试验反演误差，并可广泛应用于各类深海声传播试验、海底声学成像试验等。

技术领域

本发明涉及海洋声学探测的领域，具体涉及一种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统与方法。

背景技术

在1979年由Munk和Wunch提出的经典海洋声层析理论中，讨论了描绘中尺度海洋所需的声学手段和反演方法。在经典理论中，海洋声学层析观测的尺度范围可以达到1000km以上，是非常高效的海洋观测方式，采用低频大功率高声源级的发射换能器发射声脉冲，并采用大范围垂直接收阵进行声信号的接收，纯理论的声层析试验要求对发射时刻的声信号发射起始点和接收时刻的垂直接收阵阵元进行精确测量和定位，由于温度、流速对于声速的扰动是小量，因此位置测量要求非常准确才能得到高精度的声速场，温度场，流速场的反演结果。

由于海水对电磁信号的屏蔽，水下设备无法采用诸如GPS等设备获得实时地对于设备的准确位置信息及高程信息。同时，由于声传播的特殊性，接收声传播的位置往往会覆盖整个水深的范围。因此，对于多元垂直接收阵的布置需要在试验区域全海深范围内进行，这个深度往往在4000米以上。因此，如何准确地获取声源发射信号瞬间的位置以及垂直接收阵接收到声信号的瞬间位置信息是声传播试验的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统与方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统与方法，主要包括校准装置、深海应答器、倾角和方位传感器、潜标主体、发射声源、垂直接收阵阵元、深海收发潜标，深海应答器布放在海底，并布置在长方形四个顶角上，位置校准装置通过固定卡具安装在潜标主体上的发射声源附近，发射声源附近通过固定卡具安装倾角和方位传感器，需要实时获取位置的垂直接收阵阵元在最远端通过固定卡具安装倾角和方位传感器，除深海应答器以外，一个位置校准装置、以及安装在垂直接收阵阵元处的至少三个倾角和方位传感器均是深海收发潜标上集成的部件。

所述所述深海应答器布放的长方形边长不小于1km。

所述位置校准装置、深海应答器以及安装在垂直接收阵阵元处的倾角和方位传感器构成的深海垂直阵阵元监测组合方式，利用较为精确的长基线定位系统进行主要设备即声源的定位，通过在发射声源两端延伸的垂直接收阵阵元布置，以及与垂直接收阵阵元平行安装的倾角和方位传感器计算阵元位置。

这种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位方法，主要包括以下步骤：

1)首先布放深海收发潜标；

2)其次布放深海应答器；

3)在布放完成后采用测量船对深海应答器的布放位置进行测量；

4)深海应答器位置确定后自主工作，与安装在深海收发潜标的位置校准装置进行“询问”-“应答”式的测距方式进行测距，进而利用深海应答器的具体GPS位置信息解算位置校准装置的具体GPS位置；

5)通过倾角和方位传感器给出的横摇和纵倾以及倾角和方位传感器的航向，确定深海收发潜标阵“倒伏”方向，以及“倒伏”角度，结合垂直接收阵阵元以及其相对于位置校准装置的垂直距离，对垂直接收阵阵元的可能位置采用以下公式进行估算，获得声传播试验所需要的发射时刻的声信号发射起始位置和接收时刻的垂直接收阵阵元位置，公式为：