【摘要】：在海洋工程建設(shè)中,例如人工島礁建設(shè)、海底打撈、海底輸油管道鋪設(shè)、海底隧道開(kāi)發(fā)工程、光纜工程以及海洋礦產(chǎn)資源勘探工程等,都需要進(jìn)行水下作業(yè)和水下定位。目前在近海和深海海洋工程中,水下定位技術(shù)有廣泛應(yīng)用,并且有不少國(guó)內(nèi)外廠家提供的多種產(chǎn)品。但是就目前的產(chǎn)品來(lái)說(shuō),在小尺度的范圍內(nèi)對(duì)水下多目標(biāo)實(shí)施高精度定位跟蹤還比較困難,低價(jià)消耗型的定位系統(tǒng)產(chǎn)品在研發(fā)以及應(yīng)用上仍然是一片空白。利用現(xiàn)代先進(jìn)的電子信息技術(shù)成果,開(kāi)發(fā)適用于小尺度范圍的高精度水中定位跟蹤系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)其小型、低能耗和低成本成為可能。該系統(tǒng)研發(fā)成功后,能應(yīng)用在例如海水養(yǎng)殖網(wǎng)衣?tīng)顟B(tài)的監(jiān)測(cè),水下魚(yú)體的定位以及海底管道鋪設(shè)等定位工作上。針對(duì)上述的問(wèn)題,本文提出了以下的研究工作:第一,廉價(jià)低能耗小型的水下信標(biāo)設(shè)計(jì)制作,包括硬件和軟件設(shè)計(jì)制作;廉價(jià)的信標(biāo)可即用即棄,定位完成后不需要進(jìn)行后續(xù)的回收工作;第二,通過(guò)多種誤差校正和使用8通道水聲數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的高精度定位模型及算法;誤差校正包括聲速誤差校正以及基陣姿態(tài)校正,文章中詳細(xì)地討論了引起定位誤差的因素并對(duì)其進(jìn)行了仿真模擬。第三,利用設(shè)計(jì)的偽隨機(jī)碼集實(shí)施水下多目標(biāo)識(shí)別。通過(guò)選用互相關(guān)性最好的Gold碼作為水下信標(biāo)的地址碼,同時(shí)配合使用匹配濾波技術(shù)完成信號(hào)的識(shí)別。第四,提出使用擴(kuò)展經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)的方法來(lái)快速獲取全海深的聲速剖面;該方法除了效率更高,還解決了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)不能重構(gòu)全海深聲速剖面的問(wèn)題。在模擬海洋環(huán)境的情況下,我們對(duì)制作的發(fā)射換能器進(jìn)行了性能測(cè)試分析,測(cè)試結(jié)果滿足了小尺度定位的作用距離要求,而且信標(biāo)的總體制作成本控制在了一百元以內(nèi)。與此同時(shí),我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室的水池環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)做了前期的測(cè)試驗(yàn)證,將接收到的目標(biāo)聲源信號(hào)使用匹配濾波技術(shù)處理,并結(jié)合高精度定位算法,實(shí)現(xiàn)了聲源位置的獲取。水池測(cè)試結(jié)果顯示,系統(tǒng)的平均定位精度達(dá)到0.2米,最優(yōu)為0.05米,符合預(yù)期的要求。
[Abstract]:In the construction of ocean engineering, such as artificial reef construction, submarine salvage, submarine pipeline laying, submarine tunnel development, optical cable engineering and marine mineral resource exploration, underwater operation and underwater positioning are required. At present, underwater positioning technology is widely used in offshore and deep sea engineering, and many domestic and foreign manufacturers provide a variety of products. However, for the current products, it is difficult to carry out high-precision positioning and tracking for underwater multi-targets in a small scale, and the low-cost positioning system is still a blank in the research and development and application. Using the modern advanced electronic information technology, it is possible to develop a high-precision water positioning and tracking system suitable for small scale range, which can realize its small size, low energy consumption and low cost. After successful development, the system can be used in monitoring the condition of mariculture net, positioning underwater fish body and laying submarine pipeline. Aiming at the above problems, this paper puts forward the following research work: first, the design and manufacture of low cost and low energy consumption underwater beacons, including hardware and software design; Cheap beacons can be discarded at once, and no subsequent recovery work is needed after the positioning is completed. Second, a high-precision positioning model and algorithm based on 8-channel underwater acoustic data and error correction are proposed. Error correction includes sound velocity error correction and array attitude correction. In this paper, the factors causing positioning errors are discussed in detail and simulated. Thirdly, the designed pseudorandom code set is used to realize underwater multi-target recognition. The best correlation Gold code is chosen as the address code of underwater beacon, and the matching filtering technique is used to complete the signal recognition. Fourthly, an extended empirical orthogonal function is proposed to obtain the sound velocity profile of the whole sea depth quickly, which solves the problem that the traditional empirical orthogonal function (EOF) can not reconstruct the sound velocity profile of the whole sea depth in addition to its higher efficiency. Under the circumstance of simulating the marine environment, we have tested and analyzed the performance of the emissive transducer. The test results meet the requirements of the range of small scale positioning, and the overall production cost of the beacons is less than 100 yuan. At the same time, the system is tested and verified in the laboratory pool environment. The target sound source signal is processed by using the matched filter technology, and the location of the sound source is obtained by combining the high precision localization algorithm. The results of pool test show that the average positioning accuracy of the system is 0.2 m, and the optimum is 0.05 m, which meets the expected requirements.
【學(xué)位授予單位】：浙江海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P754

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本文編號(hào)：2375647