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一、應(yīng)用背景

      矢量水聽器在小型水下無人探測(cè)平臺(tái)上應(yīng)用時(shí)，由于海浪、海流、潮汐等因素影響，其姿態(tài)會(huì)不斷變化，進(jìn)而影響對(duì)聲矢量信號(hào)的探測(cè)。為了克服平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響，可在平臺(tái)上安裝航姿參考系統(tǒng)（Attitude and Heading Reference System, AHRS）來獲取平臺(tái)姿態(tài)信息，進(jìn)而修正矢量水聽傳感器的姿態(tài)變化。但由于柔性懸掛裝置的存在，矢量水聽器的姿態(tài)與平臺(tái)姿態(tài)并不完全一致；此外，當(dāng)在同一平臺(tái)上以陣列形式使用多個(gè)矢量水聽傳感器時(shí)，每個(gè)矢量水聽器的姿態(tài)也并不完全相同。為了更準(zhǔn)確地獲取矢量水聽傳感器的姿態(tài)信息，可在矢量水聽傳感器內(nèi)部集成微型AHRS，并開展了目標(biāo)方位測(cè)量海上試驗(yàn)。

二、成果展示

該款航姿參考系統(tǒng)AHRS如圖1所示，其尺寸僅為20 mm×20 mm×5 mm，重量?jī)H為1.8 g，能夠很容易地集成在小型矢量水聽器內(nèi)部。

圖1  航姿參考系統(tǒng)AHRS硬件實(shí)物

將該微型AHRS第三方測(cè)試結(jié)果與另外兩種AHRS代表性產(chǎn)品進(jìn)行比較，其主要指標(biāo)如表1所示。對(duì)比可見，本文的微型AHRS具有良好的航向精度、合理的橫滾/俯仰角精度、較小的尺寸和重量以及低功耗。

表1  三種航姿參考系統(tǒng)AHRS的主要指標(biāo)

圖2展示了微型AHRS在外徑為85 mm的矢量水聽器內(nèi)部集成應(yīng)用的安裝方式。在南海某海域進(jìn)行了集成AHRS的單矢量水聽器目標(biāo)方位測(cè)量海上實(shí)驗(yàn)。水聽器安裝在水下滑翔機(jī)上，目標(biāo)為一艘航速為8kn的小型漁船。

圖2  內(nèi)置微型AHRS系統(tǒng)的矢量水聽器結(jié)構(gòu)剖面

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、4所示，未經(jīng)姿態(tài)測(cè)量修正的DOA方位角誤差均方根值為37.0°，經(jīng)過姿態(tài)測(cè)量修正后的DOA方位角誤差均方根值為3.8°。矢量水聽器對(duì)目標(biāo)船的zui大探測(cè)距離約為6 km。

圖3   微型航姿參考系統(tǒng)AHRS未修正的目標(biāo)測(cè)向結(jié)果

圖4   微型航姿參考系統(tǒng)AHRS修正后的目標(biāo)測(cè)向結(jié)果

三、總結(jié)展望

      本文采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）陀螺儀測(cè)定角速度，用四元數(shù)等效旋轉(zhuǎn)矢量算法求解姿態(tài)角，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器對(duì)姿態(tài)角估計(jì)值進(jìn)行修正，研制了一種基于九軸MEMS傳感器的微型AHRS，可以很容易地集成到小型矢量水聽器內(nèi)部，幾乎不影響矢量水聽器的質(zhì)心位置。經(jīng)第三方測(cè)試，其航向角測(cè)量精度達(dá)到0.34°（RMS），橫滾、俯仰角測(cè)量精度達(dá)到0.04°（RMS）。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、精度高等優(yōu)點(diǎn)，不僅適用于矢量水聽器，也適用于其他各類矢量型傳感器的姿態(tài)校正。

四、作者簡(jiǎn)介

      王文龍，博士研究生學(xué)歷，海軍潛艇學(xué)院某研究所助理研究員，入選青年人才托舉工程。主要從事水下無人探測(cè)技術(shù)方面的研究。主持國家和省部級(jí)項(xiàng)目5項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，授權(quán)發(fā)明專利8項(xiàng)。

      真是青年才俊，前途不可限量！希望王博士往后在水下無人探測(cè)技術(shù)方面不斷地給我們帶來驚喜！