CN102853896A - 声学节点网络中估计水下声速的方法，存储构件和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于在沿着拖曳声学直线式天线布置的声学节点的网络中估计水下声速的方法，且在所述网络中在节点间传输多个声学信号，所述方法包含以下步骤：获得两个预定的距离，所述距离各自为沿着同一第一声学直线式天线(31)放置的一对节点((A，B)，(B，C))的间距；对于每对第一和第二节点((A，B)，(B，C))，获得在所述第一节点和沿着第二声学直线式天线(32)放置的第三节点(D)之间传输的声学信号的第一传播持续时间及在所述第二节点和所述第三节点(D)之间传输的声学信号的第二传播持续时间；以及估计所述水下声速，所述水下声速是对于每对节点获得的所述两个预定的距离及所述第一和第二传播持续时间的函数。

Description

声学节点网络中估计水下声速的方法,存储构件和装置

1.技术领域

本发明涉及地球物理数据采集领域。更具体地说，本发明涉及用于分析海床之下的地质层的设备。本发明特别涉及使用地震法的石油勘测工业，但可应用于任何使用用于采集海洋环境中的地球物理学数据的系统的领域。

更具体地说，本发明关于一种技术，所述技术用于在沿着拖曳声学直线式天线布置的声学节点的网络中估计水下声速。

2.背景技术

在本文件的下文中更特别地设法描述在石油勘测工业的地震数据采集领域中存在的问题。当然，本发明不限于此特定应用领域，而是有关于必须应付紧密相关或类似的事项和问题的任何技术。

按照惯例，使用地震传感器(如加速计、地震检波器或水听器)网络来实地进行采集地震数据的操作。当在海洋环境中进行地震数据采集时，这些传感器沿着电缆分布，以便形成直线式声学天线，其通常称为“等浮电缆”或“地震等浮电缆”。地震等浮电缆网络由地震勘测船拖曳。

所述地震法基于对反射地震波的分析。因此，为了在海洋环境中收集地球物理学数据，启动一或多个水下震源以便传播地震波列。由震源产生的压力波穿过水柱且声穿透海床的不同层。反射的地震波(即，声学信号)的一部分随后由沿地震等浮电缆的长度分布的传感器(例如，水听器)检测到。通过遥测技术处理这些声学信号并将其从地震等浮电缆转发至位于地震勘测船上的操作员站，这些信号存储于所述操作员站中。

此背景中的一个众所周知的问题是地震等浮电缆的定位。实际上，尤其为了以下目的，准确定位等浮电缆十分重要：

-监视传感器(水听器)的位置，以便获得具有令人满意精度的勘测区域海床图像；以及

-检测等浮电缆相对于彼此的运动(等浮电缆经常遭受各种各样可变大小的外部自然约束的作用，例如风、波浪、水流)；以及

-监视等浮电缆的航行。

实际上，目的在于使勘测船在有关区域内的通过次数最少地实行海床分析。为此目的，在所述声学网络中实施的等浮电缆数量显著增加。因此，尤其在考虑到等浮电缆的长度(例如，可在6千米和15千米之间变化)时，这一定位等浮电缆的问题特别显著。

控制等浮电缆位置的本质在于实施航行控制装置(通常称为“压敏浮筒”)，其以固定间隔(例如，每隔300米)沿着地震等浮电缆安装。

现有技术的压敏浮筒只用于控制浸没状态的等浮电缆的深度。现在，压敏浮筒用于控制等浮电缆的深度以及横向位置。

图1展示等浮电缆13的一部分的配置，其包含一系列传感器(水听器)16，电声转换器14(在下文中更详细描述)以及沿着等浮电缆13长度分布的压敏浮筒10。

完整的等浮电缆13(沿着其长度)包含图1中描述的许多部分，因而包含大量的传感器(水听器)16以及一系列电声转换器14。

每个压敏浮筒10可与电声转换器14相关联且包含配备至少一个机动枢转翼12的主体11，使得横向操纵等浮电缆13以及控制等浮电缆13的浸没深度成为可能。

压敏浮筒的控制是本地实现的或由位于勘测船上的主控制器实现。

众所周知，声学节点是转换器14以及其相关联的电子元件。压敏浮筒10可与声学节点17相关联以使此声学节点确保对相关联的等浮电缆13的本地控制功能。

为了水平驱动，电声转换器14允许估计沿着两条不同等浮电缆13(相邻或不相邻都可)放置的声学节点之间的距离(下文中称为“节点间距离”)。更准确地说，第一等浮电缆的电声转换器14发送若干第一声学序列且也接收来自第二等浮电缆的第二电声转换器14的若干第二声学序列，所述第二等浮电缆与所述第一等浮电缆相邻或不相邻都可。为了估计节点间距离，声学节点的转换器14接收的数据随后由与转换器14相关联的电子模块(图1中未示)在本地进行处理，或由勘测船上的主控制器处理。

转换器14是声学序列(即，经调制的位形式的声学信号)的传输器和接收器，这些声学序列用于确定位于各个等浮电缆上的相邻节点之间的距离，从而形成节点间距离的网格，以便知道所有等浮电缆的精确横向定位。

应将本文中的转换器理解为意味由声学信号收发器(发射器/接收器)组成的单一电声装置，或发送器装置(例如，声波脉冲发射器)和接收器装置(例如，压力粒子传感器(水听器)或运动粒子传感器(加速计、地震检波器...))的组合。

通常，每个节点包含电声转换器，使所述节点能够交替充当发送器节点和接收器节点(分别用于声学信号的传输和接收)。在一项交替实施例中，第一组节点只充当发送器节点且第二组节点只充当接收器节点。第三组节点也可与第一和第二组节点结合使用。

两个同步节点A和B之间的节点间距离典型地可基于以下公式估计：

d_AB＝k×t_AB

其中：

d_AB指声学信号的发送器节点(A)与接收器节点(B)的节点间距离；

t_AB指在从发送器节点(A)向接收器节点(B)传输的声学信号的发射瞬间和接收瞬间之间消逝的传播持续时间；k指声速的“测量”值或“估计”值。

正如已经说过的，压敏浮筒的控制在本地执行或由位于勘测船上的主控制器执行。

现今，一种广为人知的用于获得声学网络中传输的声学信号的水下声速(或简称为声速)的方法是使用声速计。实际上，导航系统中使用的声速测量一般来说是借助各自布置于等浮电缆网络的两个分离末端的两个声速计实行的，因此提供“测量值”(也叫“真值”)。例如，图2展示有十条等浮电缆(称为20a到20j)的网络，其由勘测船21拖曳，包含导航系统和节点管理器系统的集中式系统(未图示)位于所述勘测船21上。两个速度计22、23定位于由勘测船拖曳的此组等浮电缆的最外面的两条等浮电缆20a和20j上，第一速度计22定位于接近勘测船的地方，第二速度计23定位于勘测船的相反侧。随后由导航系统通过观察由速度计提供的实际声速测量结果的历史，同时考虑到勘测船的速度，在对应于声学节点位置的每个点处估计声速。

此已知方法的缺点是如果两个速度计中的一个损坏了，必须将等浮电缆(此速度计包含于其中)抬出水面，以便能够更换或修理损坏的速度计。

此已知方法的另一缺点是为了估计声学信号的声速，导航系统不得不假定在给定的固定点处的声速测量值随时间的推移是恒定的(在等浮电缆的轴线中)。然而，鉴于等浮电缆具有相当长的长度以及勘测船的低速度，在于此给定点处实行的声速测量和声学节点通过同一给定点处之间可有若干小时消逝。一般来说，水中声波的声速是尤其随温度、压力以及水的盐度快速变化的参数。因此，此估计方法提供的声速值并非总是可靠的。基于海水的平均声速等于1500m.s^-1的原理，发明人发现对于每个声学节点估计的波速值方面的误差可常常达到几个百分点，因而导致可达到相同百分比的传播持续时间测量的误差，且由此引起节点间距离测量的误差。可以推断，沿着地震等浮电缆分布的传感器(水听器)的定位因此缺乏精确性。

此已知方法的另一缺点是由给定点处的速度计测量的声速被认为在相对于等浮电缆轴线的横向平面中恒定(交叉线测量)。例如，对于有彼此相隔100米的十条等浮电缆的网络来说，假设声速在网络的宽度(即，1000米)上是恒定的。因而在相对于等浮电缆轴线的横向平面中实行由每个速度计测量的声速的近似(例如，通过线性或多项式插入法)，这一方法也使得声速估计值不可靠。

此外，独立于导航系统，沿着等浮电缆放置的压敏浮筒包含用于在本地实施反馈回路的嵌入式电子元件(以便控制声学网络的节点间距离)。正如之前所述，这些节点间距离是作为传输的声学信号的传播持续时间(由网络节点测量)以及声速的估计值(由导航系统或由操作者通过节点管理器系统提供)的函数而确定的。此声速估计值中的误差可因此引起节点之间的节点反馈中的误差。

另一众所周知的估计声学信号声速的方法在于测量放置于同一等浮电缆上的两个节点之间的轴向传播持续时间，且根据对分离两个节点的轴向距离的认识推断声速估计值。然而，轴向传播持续时间测量需要具有与等浮电缆分离(即，放置于节点外)的电声转换器的节点结构。因此，这种已知方法不能在转换器集成在等浮电缆内的等浮电缆网络的情况下实施。实际上，由于一些等浮电缆上存在金属体，使得转换器的全向辐射配置(或场型)变为准全向或定向的，垂直于等浮电缆轴线，从而致使不可能实施轴向传播持续时间测量。

应注意虽然上述问题是在海洋环境中地震勘探的特殊领域描述的，但其可应用于其他应用领域。

3.发明目标

在至少一个实施例中，本发明尤其旨在克服现有技术的缺点。

更具体地说，本发明的至少一个实施例的目标是提供用于在声学节点网络中估计声学节点的声学信号声速的技术，所述技术确保提供供导航系统使用的可靠声速值，从而准确监视传感器(水听器)的位置。

本发明的至少一个实施例的另一目标是提供避免在声学网络中使用速度计的此种技术。

本发明的至少一个实施例的另一目的是提供允许改进由网络的速度计测量的声速值的技术。

本发明的至少一个实施例的附加目的是提供实施简单且成本低的此种技术。

4.发明内容

本发明的一个特殊实施例提议用于在声学节点(其沿着拖曳声学直线式天线布置)网络中估计水下声速的一种方法，且在所述网络中在节点间传输多个声学信号，所述方法的特征在于其包含以下步骤：

-获得两个预定的距离，所述距离各自分离沿着相同的第一声学直线式天线放置的一对节点；

-对于每对第一和第二节点，获得：

*在所述第一节点和沿着第二声学直线式天线放置的第三节点之间传输的声学信号的第一传播持续时间；

*在所述第二节点和所述第三节点之间传输的声学信号的第二传播持续时间；

-估计所述水下声速，所述水下声速是对于每对节点获得的所述两个预定的距离和所述第一和第二传播持续时间的函数。

因此，此特殊实施例依赖于一种完全新颖和创造性的方法，其避免在声学网络中使用速度计或允许改进由用于声学网络中的速度计测量的声速值。

此特殊实施例也比已知的基于速度计的解决方案更加稳固。实际上，在已知的解决方案中，如果两个速度计中的一个损坏，那么必须将等浮电缆(所述速度计包含于其中)抬出水面。通过提议的解决方案，如果一个节点不能实行此方法，其他节点也能够实施此方法，不需要抬起等浮电缆。

根据一个特殊特征，此方法包含以下步骤：

a)获得第一对第一节点群组，每个第一节点群组包含所述对第一和第二节点中的一对以及相应的第三节点，且每个第一节点群组与一个三角形(以所述第一、第二和第三节点作为顶点)相关联，同一第三节点被所述第一节点群组公用；

b)对于每个第一节点群组，获得：

*在所述第三和第一节点之间传输的声学信号的所述第一传播持续时间；

*在所述第三和第二节点之间传输的声学信号的所述第二传播持续时间；

*分离所述第一和第二节点的预定的距离；

c)估计所述水下声速，所述水下声速是对于每个第一节点群组获得的第一和第二传播持续时间以及预定距离的函数，并且假定与第一对第一节点群组相关联的两个三角形的高度(穿过所述第三节点)相等。

因此，此特殊实施例的一般原理是形成一对构成两个三角形的节点群组，以及基于两个三角形的高度(穿过公用第三节点)相等的原理，在公用节点级别探求声速。

根据有利特征，第一节点群组包含沿着所述第一声学直线式天线布置的公用节点。

因此，获得的两个三角形ABD和BCD除了包含公用节点D(其沿着第一声学直线式天线布置)之外，还包含一个公用节点B(其沿着第二声学直线式天线布置)，因此减轻了声速估计所需的计算。

有利地，估计所述水下声速的所述步骤基于以下公式：

$k=\sqrt{\left|\frac{\mathrm{AB}.\mathrm{BC}(\mathrm{AB}+\mathrm{BC})}{{t_{\mathrm{AD}}}^2\mathrm{BC}-t_{\mathrm{BD}}^2(\mathrm{AB}+\mathrm{BC})+{t_{\mathrm{CD}}}^2\mathrm{AB}}\right|}$

其中：

k指估计的水下声速；

AB指分离第一节点群组ABD的第一节点A和第二节点B的第一预定距离；

BC指分离第一节点群组BCD的第一节点B和第二节点C的第一预定距离；

t_AD指在第一节点群组ABD的第三节点D和第一节点A之间传输的声学信号的第一传播持续时间；

t_CD指在第一节点群组BCD的第三节点D和第二节点C之间传输的声学信号的第二传播持续时间；

t_BD指在第一节点群组ABD的第三节点D和第二节点B之间传输的声学信号的第二传播持续时间或在第一节点群组BCD的第三节点D和第一节点B之间传播的声学信号的第一传播持续时间。

有利地，所述第二声学直线式天线与所述第一声学直线式天线相邻。

这有助于提高传播持续时间测量的准确性，从而确保提供可靠的声速估计。实际上，节点间距离(在沿着不同声学直线式天线放置的节点之间)较低，且相应的传播持续时间(在这些节点之间)也较低。

有利地，所述步骤a)、b)和c)对于至少两个第一对第一节点群组实行，允许对于所述第一对中的每个对获得所述声速的第一估计。所述方法包含确定所述水下声速的最终估计的步骤，所述最终估计是所述第一估计的函数。

通过用若干对节点群组获得声速的更多第一估计，实行对这些估计的处理(统计分析)以改进最终估计因此是有可能的。例如，在所述组获得的估计的平均值情况下，估计的数目越大，标准偏差越小。

根据有利特征，所述方法包含以下步骤：

a’)获得第二对第二节点群组，每个第二节点群组包含所述第三节点以及沿着第三声学直线式天线布置的第四节点和第五节点，每个第二节点群组与三角形(以所述第三、第四和第五节点作为顶点)相关联。

b’)对于每个第二节点群组，获得：

*在所述第三节点和所述第四节点之间传输的声学信号的第三传播持续时间；

*在所述第三节点和所述第五节点之间传输的声学信号的第四传播持续时间；

*分离所述第四和第五节点的预定的距离；

c’)估计水下声速，所述水下声速是对于每个第二节点群组获得的第三和第四传播持续时间以及所述第二预定距离的函数，并且假定与第二对第二节点群组相关联的两个三角形的高度(穿过所述第三节点)相等。

所述步骤a)、b)和c)允许获得对所述水下声速的第一估计且所述步骤a’)、b’)和c’)允许获得对所述水下声速的第二估计。并且所述方法包含确定所述水下声速的最终估计的步骤，所述最终估计是所述第一和第二估计的函数。

另一对节点群组可由第二和第三声学直线式天线形成，从而允许获得不同于通过沿着第一和第二声学直线式天线布置的节点群组获得的声速的第一估计的第二估计。这确保提供可靠的声速值。

有利地，所述步骤a’)、b’)和c’)对于至少两个第二对第二节点群组实行，从而允许获得所述第二对中的每个对的所述水下声速的第二估计。此外，所述方法包含确定所述声速的最终估计的步骤，所述最终估计是所述一或多个第一估计以及所述第二估计的函数。

通过获得节点群组中的若干对的声速的更多第二估计，声速的最终估计的准确性提高得更多。

根据有利特征，所述第一和第三声学直线式天线不放置于所述第二声学直线式天线的同一侧。

假设声学直线式天线的曲率半径非零，发生在用沿着第一和第二天线布置的第一节点群组获得的声速估计上的可能误差由发生在用沿着第二和第三天线布置的第二节点群组获得的声速估计上的可能误差补偿。

有利地，此方法由属于包含以下各者的群组的装置实施，此群组包含：所述第三节点和集中式系统。

在本发明的另一实施例中，提议包含程序代码指令的计算机程序产品，所述程序代码指令用于当所述程序在计算机上执行时实施以上所述的方法(在其不同实施例的任何一个中)。

在本发明的另一实施例中，提议存储计算机程序的计算机可读存储构件，所述计算机程序包含可由计算机执行以实施以上所述的方法(在其不同实施例的任何一个中)的指令集。

在本发明的另一实施例中，提议一种装置，所述装置用于在沿着拖曳声学直线式天线布置的声学节点网络中估计水下声速，且在此网络中在节点之间传输多个声学信号。所述装置包含：

-用于获得两个预定距离的构件，所述预定的距离各自分离沿着相同的第一声学直线式天线放置的一对节点；

-对于每对第一和第二节点获得以下值的构件：

*在所述第一节点和沿着第二声学直线式天线放置的第三节点之间传输的声学信号的第一传播持续时间；

*在所述第二节点和所述第三节点之间传输的声学信号的第二传播持续时间；

-用于估计所述水下声速的构件，所述水下声速是对于每对节点获得的所述两个预定的距离和所述第一和第二传播持续时间的函数。

5.附图说明

本发明实施例的其他特征和优势将从以下描述中显而易见，以下描述通过指示性和非详尽的实例且根据附加绘图给出，附加绘图中：

-图1给出沿着等浮电缆布置的声学节点结构的实例，已参考现有技术描述图1；

-图2展示在海洋环境中地震勘探的情况下由勘测船拖曳的声学等浮电缆的网络的实例，已参考现有技术描述图2；

-图3根据本发明的一个特殊实施例说明声学节点网络的一个实例，在所述网络中实施估计方法；

-图4是根据本发明的第一实施例说明计算声速的方法的简化图示；

-图5是根据本发明的第二实施例说明计算声速的方法的简化图示；

-图6是一个算法的流程图的普通视图，所述算法用于实施根据本发明的一个特殊实施例的估计方法。

-图7根据本发明的一个特殊实施例展示声速估计装置的图示结构。

6.具体实施方式

在本文件的所有附图中，相同元件和步骤由同一标号指定。

已在上文结合现有技术描述图1和图2。

图3根据本发明的一个特殊实施例说明声学节点网络30(在其中实施估计方法)的一个实例；

更特别的是，此网络在此处说明声学通信系统，所述系统包含一组三条等浮电缆31、32、33(在存在横向水流的情况下呈曲线形式)，每条等浮电缆上布置了三个声学节点：等浮电缆31的节点参考符号为31a、31b、31c，等浮电缆32的节点为32a、32b、32c且等浮电缆33的节点为33a、33b、33c。每个节点能够交替表现为发送器节点和接收器节点且拥有用于传输和接收声学信号的电声转换器。此处认为每个发送器节点根据允许达到网络中的最大量的声学节点的准全向辐射场型发送声学信号(图中用箭头表示)。此处的节点32b表现为接收器节点且沿着放置于等浮电缆32两侧的两条等浮电缆31和33布置的节点31a、31b、31c、33a、33b、33c表现为发送器节点。

应注意，为了进行纯粹教学式的描述，故意限制了图3中所示的声学节点数量以及等浮电缆数量，以免对图和相关描述造成麻烦。然而，显然，本发明可在包含更多数量的节点和等浮电缆的声学网络应用的情况下实施。而且，所述网络的一些声学节点可能未必配备有用于操纵等浮电缆的压敏浮筒10(如图1所示)，而是只配备有允许传输和接收声学序列的电声转换器14和相关的电子模块(未图示)。

声学网络依赖于时间、频率和空间访问模式(即，时间、频率和空间区分)。

时间区分的原理是将可用时间细分成若干时隙或语音时间，其又被分配给网络的不同节点：所述网络的每个节点周期性地具有语音时间，在此期间节点传输其声学信号。当节点传输声学信号时，其他所有节点可听到所述信号。

频率区分的原理是使用多个频带发射声学信号，每个频带被分配至网络的确定节点。

我们引入空间区分是因为：如果两个声学序列在不同时刻到达接收器，两个远隔的节点可在同一时隙和同一频率带宽中发射。因此声学序列之间没有任何干扰且接收器能够独立处理每个声学序列。

一些压敏浮筒10可包含用于实施反馈回路的嵌入式电子元件，以便控制声学网络的节点间距离。节点间距离是作为声学信号(从每个节点31a、31b、31c、33a、33b、33c传输到放置于等浮电缆32上的节点32)的传播持续时间以及通过实施根据本发明的估计方法(其原理在下文说明)所获得的声速值的函数而确定的。

图4是根据本发明的第一实施例说明计算声速的方法的简化图示。

下文认为点A、B、C和D分别对应图3中说明的网络的声学节点31a、31b、31c和32b(沿着等浮电缆31和32布置)。但是，出于简化描述和声速的计算的缘故，每条等浮电缆31和32的曲率半径在此处认为是零。

因此，在此特殊实施例中只涉及两条等浮电缆。具体来说，目标是与三个节点A、B、C合作而估计点D处的声速值。节点D也叫做公用节点，此节点被三角形ABD和BCD公用。

假设UVW是任意三角形，边UV＝c，VW＝a，UW＝b且高度WH＝h。根据海伦公式(Heron′s formula)，此三角形的面积为：

${\mathrm{Aera}}_{\mathrm{UVW}}=\sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}$

其中是此三角形周长的一半。

但是三角形的面积也可用众所周知的公式写成：

${\mathrm{Aera}}_{\mathrm{UVW}}=\frac{c.h}{2}$

其中c是三角形UVW底边的长度。

根据计算三角形UVW面积的以上这两个公式，我们获得以下公式：

$s(s-a)(s-b)(s-c)=\frac{c^2{h}^2}{4}$

所述公式简化后得到以下公式(I)：

$h^2=-\frac{(a+b+c)(a+b-c)(a-b-c)(a-b+c)}{{4c}^2}---\left(1\right)$

对于三角形ABD(第一节点群组)，上述公式(I)得到以下公式：

${\mathrm{HD}}^2=-\frac{(\mathrm{BD}+\mathrm{AD}+\mathrm{AB})(\mathrm{BD}+\mathrm{AD}-\mathrm{AB})(\mathrm{BD}-\mathrm{AD}-\mathrm{AB})(\mathrm{BD}-\mathrm{AD}+\mathrm{AB})}{4.{\mathrm{AB}}^2}$

对于三角形BCD(第二节点群组)，上述公式(I)得到以下公式：

${\mathrm{HD}}^2=-\frac{(\mathrm{CD}+\mathrm{BD}+\mathrm{BC})(\mathrm{CD}+\mathrm{BD}-\mathrm{BC})(\mathrm{CD}-\mathrm{BD}-\mathrm{BC})(\mathrm{CD}-\mathrm{BD}+\mathrm{BC})}{4.{\mathrm{BC}}^2}$

根据本发明，估计方法在于探求节点D的声速，以致三角形ABD和BCD的高度相同。在图4的此简化的图示中，应注意，因为两条等浮电缆31和32的曲率半径是零，所以HD代表穿过节点D的两个三角形ABD和BCD的共同高度。因此，在使以上两个公式相等后，在我们的情况下获得：

$\frac{(\mathrm{BD}+\mathrm{AD}+\mathrm{AB})(\mathrm{BD}+\mathrm{AD}-\mathrm{AB})(\mathrm{BD}-\mathrm{AD}-\mathrm{AB})(\mathrm{BD}-\mathrm{AD}+\mathrm{AB})}{{\mathrm{AB}}^2}=\frac{(\mathrm{CD}+\mathrm{BD}+\mathrm{BC})(\mathrm{CD}+\mathrm{BD}-\mathrm{BC})(\mathrm{CD}-\mathrm{BD}-\mathrm{BC})(\mathrm{CD}-\mathrm{BD}+\mathrm{BC})}{{\mathrm{BC}}^2}$

紧接着，将节点间距离AD、BD和CD分别表示成：

AD＝k.t_AD，其中：

k指点D处的声学信号声速[以m/s为单位]；

t_AD指节点A和D之间消逝的声学信号的传播持续时间[以s为单位]；

BD＝k.t_BD

其中：

k指点D处的声学信号声速[以m/s为单位]；

t_BD指节点B和D之间消逝的声学信号的传播持续时间[以s为单位]；

CD＝k.t_CD，其中：

k指点D处的声学信号声速[以m/s为单位]；

t_CD指节点C和D之间消逝的声学信号的传播持续时间[以s为单位]。

紧接着，我们得到：

$\frac{(k.t_{\mathrm{BD}}+k.t_{\mathrm{AD}}+\mathrm{AB})\left(k.t_{\mathrm{BD}}+k.t_{\mathrm{AD}}-\mathrm{AB}\right)({k.t}_{\mathrm{BD}}-k.t_{\mathrm{AD}}-\mathrm{AB})({k.t}_{\mathrm{BD}}-k.t_{\mathrm{AD}}+\mathrm{AB})}{{\mathrm{AB}}^2}=$

$=\frac{({k.t}_{\mathrm{CD}}+k.t_{\mathrm{BD}}+\mathrm{BC})({k.t}_{\mathrm{CD}}+k.t_{\mathrm{BD}}-\mathrm{BC})({k.t}_{\mathrm{CD}}-{k.t}_{\mathrm{BD}}-\mathrm{BC})({k.t}_{\mathrm{CD}}-{k.t}_{\mathrm{BD}}+\mathrm{BC})}{{\mathrm{BC}}^2}$

随后：

$k^4.\frac{t_{\mathrm{AD}}^4-2.t_{\mathrm{AD}}^2.t_{\mathrm{BD}}^2+t_{\mathrm{BD}}^4}{{\mathrm{AB}}^2}-2.k^2.(t_{\mathrm{AD}}^2+t_{\mathrm{BD}}^2)+{\mathrm{AB}}^2=k^4.\frac{t_{\mathrm{BD}}^4-2.t_{\mathrm{BD}}^2.t_{\mathrm{CD}}^2+t_{\mathrm{CD}}^4}{{\mathrm{BC}}^2}-2.k^2\·(t_{\mathrm{CD}}^2+t_{\mathrm{BD}}^2)+{\mathrm{BC}}^2$

随后指示Z＝k²，我们得到以下多项式方程：

$Z^2.({\left(\frac{t_{\mathrm{AD}}^2-t_{\mathrm{BD}}^2}{\mathrm{AB}}\right)}^2-{\left(\frac{t_{\mathrm{BD}}^2-t_{\mathrm{CD}}^2}{\mathrm{BC}}\right)}^2)-2.Z(t_{\mathrm{AD}}^2-t_{\mathrm{CD}}^2)+{\mathrm{AB}}^2-{\mathrm{BC}}^2=0$

这个二次多项式方程给出两个解：

$Z=\frac{\mathrm{AB}.\mathrm{BC}(\mathrm{AB}+\mathrm{BC})}{\mathrm{BC}(t_{\mathrm{AD}}^2-t_{\mathrm{BD}}^2)-\mathrm{AB}(t_{\mathrm{BD}}^2-t_{\mathrm{CD}}^2)}---\left(1\right)$

$Z=\frac{\mathrm{AB}.\mathrm{BC}(\mathrm{AB}-\mathrm{BC})}{\mathrm{BC}(t_{\mathrm{AD}}^2-t_{\mathrm{BD}}^2)+\mathrm{AB}(t_{\mathrm{BD}}^2-t_{\mathrm{CD}}^2)}---\left(2\right)$

根据方程(1)和(2)，我们得到以下数学公式(II)：

$k=\sqrt{\left|\frac{\mathrm{AB}.\mathrm{BC}(\mathrm{AB}+\mathrm{BC})}{{t_{\mathrm{AD}}}^2\mathrm{BC}-t_{\mathrm{BD}}^2(\mathrm{AB}+\mathrm{BC})+{t_{\mathrm{CD}}}^2\mathrm{AB}}\right|}---\left(1\right)$

此公式表达了声速k(对于公用节点D估计)，所传输的声学信号的消逝的传播持续时间(在节点A和节点D之间为t_AD、节点B和节点D之间为t_BD、节点C和节点D之间为t_CD)，以及距离AB和BC(分别分离节点A和节点B以及节点B和节点C)之间的关系。

在此处充当接收器节点(如图3所示)的公用节点D已知传播持续时间t_AD、t_BD和t_CD。实际上，节点D配备有转换器(如图1中的转换器14)和相关联的电子模块(未图示)，从而使得节点D能够测量从节点A、B和C接收的声学信号的传播持续时间t_AD、t_BD和t_CD。此外，公用节点D预先知道距离AB和BC，因为最初在设计等浮电缆31时就定义了距离AB和BC。因此，根据对距离AB和BC以及传播持续时间t_AD、t_BD、t_CD的认识，节点D能够实行对在点D附近的声速k的估计。换句话说，在这对节点群组ABD和BCD的区域内，此声速估计被认为是相同的。

在以上描述的本发明的此特殊实施例中，计算声速k的过程因此由节点D(其与放置在另一单个等浮电缆上的另外三个节点A、B、C合作)实施。随后，获得两个有三个节点(A、B、D和B、C、D)的节点群组以形成两个三角形(ABD和BCD)。两个节点群组有沿着等浮电缆31布置的公用节点B，因此简化了估计声速的计算。实际上，可设想节点D与放置在此等浮电缆31上的附加节点(例如节点B’)合作的变体。所获得的两个有三个节点的群组可能是A、B、D和B’、C、D，从而形成两个三角形ABD和B’CD，这意味着需要更多的传播持续时间测量，即t_AD、t_BD、t_CD、t_B’D。

对于节点D处的声速k的计算，可设想节点D与放置于同一等浮电缆31上的三个以上的节点合作的变体。因此，可形成有三个节点的群组的其他对，其允许获得对声速的若干估计。形成的每对节点群组允许基于以上描述的计算原理获得声速估计。对节点D估计的声速是一组声速估计的平均值，因而减小了声速标准偏差且提高了声速最终估计的准确性。

在所述实施例的变体中，首先通过直接与等浮电缆集成的通信总线，从节点D向放置于勘测船上的集中式系统传输传播持续时间的测量结果，以便所述集中式系统负责实行对点D处的声速k的估计。声速估计不是本地的(即，在节点D级别)而是分离的并在集中式系统级别实施，应理解是先前已知轴向节点间距离。以此方式，集中式系统可决定通过利用网络节点提供的传播持续时间测量结果来改进或替换由布置在等浮电缆上的速度计测量和提供的声速值。

我们可能会注意到用于声速计算的传播时间可以是单向或双向的。我们称“单向”为两个声学节点之间的在一个方向上的传播时间(例如从A到D或从D到A)，而“双向”为两个方向上的两个传播时间的平均值。因此，可设想传播时间由节点A、B和C代替节点D执行。在此情况下，声学节点D位置处的声速估计可由集中式系统实行。

图5是根据本发明的第二实施例说明声速计算方法的简化图示。

在此特殊实施例中，声速k的计算由节点D实施，节点D与沿着两条等浮电缆31和33布置的六个节点合作：三个节点A、B、C沿着等浮电缆31布置且三个节点E、G、I沿着等浮电缆33布置。这两条等浮电缆31和33放置于等浮电缆32(公用节点在等浮电缆32上)的两侧。因此，与图4的特殊实施例相反，在计算节点D的声速的过程中涉及包含一组三个节点的附加等浮电缆。

出于简化描述和声速的计算的缘故，在此认为每条等浮电缆31、32、33的曲率半径是零。

HD表示穿过节点D的三角形ABD和BCD的高度，且H’D表示穿过节点D的三角形EGD和GID的高度。

三角形ABD和BCD对应于第一对节点群组A、B、D和B、C、D。通过针对三角形ABD和BCD应用在此实施例(如图4中)中使用的公式(II)，我们得到以下公式：

$k_1=\sqrt{\left|\frac{\mathrm{AB}.\mathrm{BC}(\mathrm{AB}+\mathrm{BC})}{{t_{\mathrm{AD}}}^2\mathrm{BC}-t_{\mathrm{BD}}^2(\mathrm{AB}+\mathrm{BC})+{t_{\mathrm{CD}}}^2\mathrm{AB}}\right|}$

三角形EGD和GID对应于第二对节点群组E、G、D和G、I、D。基于关于高度H’D的与图4中相同的论证，上述公式(II)对于三角形EGD和GID变为：

$k_2=\sqrt{\left|\frac{\mathrm{EG}.\mathrm{GI}(\mathrm{EG}+\mathrm{GI})}{{t_{\mathrm{ID}}}^2\mathrm{EG}-t_{\mathrm{GD}}^2(\mathrm{EG}+\mathrm{GI})+{t_{\mathrm{ED}}}^2\mathrm{GI}}\right|}$

点D处计算的声速的最终估计是对于第一和第二对节点群组获得的声速估计的平均值，即：

$k=\frac{k_1+k_2}{2}$

通过减小声速标准偏差，这提高了节点D估计的声速的准确性。

此特殊实施例对于处理等浮电缆呈现非零曲率半径的可能情况特别稳固。事实上，在实践中，例如，当遭遇横向水流或勘测船方向变化(曲线)时，等浮电缆可结合，且可能诱发声速估计值的误差。基于等浮电缆的曲率半径实质上相同的假设：因此，基于等浮电缆31的第一声速计算(k₁)所获得的增大的错误由基于等浮电缆33的声速计算(k₂)所获得的减少的错误补偿了，且反之亦然。因此，即使在等浮电缆曲率半径非零的情况下，声速估计仍然是准确的。

应注意图4和图5所示的在声速计算方法中所涉及的等浮电缆31、33与等浮电缆32(在此等浮电缆中实行声速计算)邻近。应注意本发明不限于这一实施，本发明也能在涉及与实行声速计算的等浮电缆不相邻的等浮电缆或相邻与不相邻等浮电缆的组合的声学网络中实施。然而，在针对放置于相邻等浮电缆上的一对或若干对节点群组实行估计的情况下，这将有助于提高传播持续时间测量的准确性(等浮电缆彼此相隔相对较短的距离)，从而确保提供更准确的声速值。

图6是算法60的流程图的普通视图，所述算法用于实施根据本发明的特殊实施例的估计方法。

在步骤61中，获得第一对有三个节点的群组。每个节点群组包含沿着第一等浮电缆布置的第一公用节点(例如，节点D)。第一对的每个节点群组包含第二节点(A或B)以及第三节点(B或C)，第二和第三节点沿着第二等浮电缆布置且与以第一、第二和第三节点作为顶点的三角形(ABD或BCD)相关联。

在步骤62中，对于在先前步骤中形成的每个节点群组获得在第一和第二节点之间传输的声学信号的第一传播持续时间，在第一和第三节点之间传输的声学信号的第二传播持续时间，以及分离第二和第三节点的预定的距离。

在步骤63中，基于图4中描述的原理，对于第一节点(D)实行第一声学信号声速估计(称为k1)，所述第一声学信号声速估计是第一和第二传播持续时间以及分离第二和第三节点的预定距离的函数。此原理在于假设与两个节点群组相关联的两个三角形(ABD和BCD)的高度(穿过第一节点D)相等。

因此，步骤61至63关于第一对节点群组，对于其获得了声速的第一估计(k1)。

步骤64至66关于第二对有三个节点的群组，对于其获得了声速的第二估计(k2)。步骤64至66可与步骤61至63并行实行。

在步骤64中，获得第二对有三个节点的群组。每个节点群组也包含沿着第一等浮电缆布置的第一公用节点(D)。此第二对的每个节点群组包含第四节点(E或G)以及第五节点(G或I)，第四和第五节点沿着第三等浮电缆布置且与以第一、第二和第三节点作为顶点的三角形(EGD或GID)相关联。

在步骤65中，对于在先前步骤64中形成的每个节点群组获得在第一和第四节点之间传输的声学信号的第三传播持续时间，在第一和第四节点之间传输的声学信号的第二传播持续时间，以及分离第四和第五节点的预定的距离。

在步骤66中，基于图4中描述的原理，对于第一节点(D)实行声速的第二估计(称为k2)，所述第二估计是第一和第二传播持续时间以及分离第四和第五节点的预定距离的函数。此原理在于假设与两个节点群组相关联的两个三角形(EGD和GID)的高度(穿过第一节点D)相等。

随后，在步骤67中，根据通过实施步骤61、62、63获得的第一估计(k1)以及通过实施步骤64、65、66获得的第二估计(k2)，通过给定的统计学处理确定声速的最终估计(kf)。例如，最终估计是第一和第二估计的平均值。

现在参考图7，根据本发明的特殊实施例呈现了声速估计装置700的简化结构。

声速估计装置700可以是声学节点(例如图4和图5的节点D)、节点管理器系统或导航系统。

声速估计装置700包含：

-只读存储器(ROM)730；

-随机存取存储器(RAM)710；以及

-处理器720。

只读存储器730存储程序的可执行代码，当这些程序由处理器720执行时，允许实施本发明的技术，例如，在上文中与图6结合描述了所述技术的规则和操作

在初始化时，上述程序代码指令被从只读存储器730转送到随机存取存储器710，以便由处理器720执行。随机存取存储器710同样包括寄存器，所述寄存器用于存储此执行所需的变量和参数。处理器720接收声学信号的传播持续时间740和预定的距离750，且根据上述程序的指令交付声速760的估计。

估计方法的所有步骤可通过以下方式同样良好地实施：

-通过执行计算机指令集，所述计算机指令集由可重编程序的计算机器，例如PC类型设备，DSP(数字信号处理器)或微控制器执行，且可存储于可拆卸(例如，软盘、CD-ROM或DVD-ROM)或不可拆卸的存储媒体中；或者

-通过专用机器或组件，例如FPGA(现场可编程门阵列)、ASIC(专用集成电路)或任何专用硬件组件。

Claims (13)

1.一种用于在沿着拖曳声学直线式天线布置的声学节点网络中估计水下声速的方法，且在所述网络中在所述节点间传输多个声学信号，所述方法的特征在于其包含以下步骤：

-获得(62)两个预定的距离，其各自分离沿着相同的第一声学直线式天线(31)放置的一对节点((A，B)，(B，C))；

-对于每对第一和第二节点((A，B)，(B，C))，获得(62)：

*在所述第一节点和沿着第二声学直线式天线(32)放置的第三节点(D)之间传输的声学信号的第一传播持续时间；

*在所述第二节点和所述第三节点(D)之间传输的声学信号的第二传播持续时间；

-估计(63)所述水下声速，所述水下声速是对于每对节点获得的所述两个预定的距离和所述第一和第二传播持续时间的函数。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法的特征在于包含以下步骤：

a)获得(61)第一对第一节点群组((A，B，D)，(B，C，D))，每个第一节点群组包含所述对第一和第二节点((A，B)，(B，C))中的一对以及相应的第三节点(D)，且每个第一节点群组与三角形相关联，所述三角形以所述第一、第二和第三节点作为顶点，同一第三节点(D)被所述第一节点群组共有；

b)对于每个第一节点群组，获得(62)：

*在所述第三和第一节点之间传输的声学信号的所述第一传播持续时间；

*在所述第三和第二节点之间传输的声学信号的所述第二传播持续时间；

*分离所述第一和第二节点的预定的距离；

c)估计(63)所述水下声速，所述水下声速是对于每个第一节点群组获得的第一和第二传播持续时间以及预定的距离的函数，并且假定与所述第一对第一节点群组相关联的所述两个三角形的高度相等，所述高度穿过所述第三节点。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述第一节点群组包含沿着所述第一声学直线式天线布置的通用节点(B)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述估计所述水下声速的步骤基于以下公式：

$k=\sqrt{\left|\frac{\mathrm{AB}.\mathrm{BC}(\mathrm{AB}+\mathrm{BC})}{{t_{\mathrm{AD}}}^2\mathrm{BC}-t_{\mathrm{BD}}^2(\mathrm{AB}+\mathrm{BC})+{t_{\mathrm{CD}}}^2\mathrm{AB}}\right|}$

其中：

k指所述估计的水下声速；

AB指分离所述第一节点群组ABD的所述第一节点A和所述第二节点B的所述第一预定距离；

BC指分离所述第一节点群组BCD的所述第一节点B和所述第二节点C的所述第一预定距离；

t_AD指在所述第一节点群组ABD的所述第三节点D和所述第一节点A之间传输的声学信号的所述第一传播持续时间；

T_CD指在所述第一节点群组BCD的所述第三节点D和所述第二节点C之间传输的声学信号的所述第二传播持续时间；

t_BD指在所述第一节点群组ABD的所述第三节点D和所述第二节点B之间传输的声学信号的所述第二传播持续时间或在所述第一节点群组BCD的所述第三节点D和所述第一节点B之间传输的声学信号的所述第一传播持续时间。

5.根据权利要求2至4中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述第二声学直线式天线(32)与所述第一声学直线式天线(31)相邻。

6.根据权利要求2至5中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述步骤a)、b)和c)对于至少两个第一对第一节点群组实行，允许获得所述第一对中的每个对的所述声速的第一估计，

并且特征在于所述方法包含确定所述水下声速的最终估计的步骤，所述最终估计是所述第一估计的函数。

7.根据权利要求2至6中任一权利要求所述的方法，所述方法的特征在于包含以下步骤：

a’)获得(64)第二对第二节点群组((E，G，D)，(G，I，D))，每个第二节点群组包含所述第三节点(D)以及沿着第三声学直线式天线(33)布置的第四节点和第五节点，每个第二节点群组与以所述第三、第四和第五节点作为顶点的三角形相关联；

b’)对于每个第二节点群组，获得(65)：

*在所述第三节点和所述第四节点之间传输的声学信号的第三传播持续时间；

*在所述第三节点和所述第五节点之间传输的声学信号的第四传播持续时间；

*分离所述第四和第五节点的预定的距离；

c’)估计(66)水下声速，所述水下声速是对于每个第二节点群组获得的第三和第四传播持续时间以及所述第二预定距离的函数，并且假定与所述第二对第二节点群组相关联的所述两个三角形的高度相等，所述高度穿过所述第三节点；

特征在于所述步骤a)、b)和c)允许获得所述水下声速的第一估计且所述步骤a’)、b’)和c’)允许获得所述水下声速的第二估计，

并且特征在于所述方法包含确定所述水下声速的最终估计的步骤(66)，所述最终估计是所述第一和第二估计的函数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述步骤a’)、b’)和c’)对于至少两个第二对第二节点群组实行，从而允许获得所述第二对中的每个对的所述水下声速的第二估计，

并且特征在于所述方法包含确定所述声速的最终估计的步骤，所述最终估计是所述一或多个第一估计以及所述第二估计的函数。

9.根据权利要求7和8中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述第一(31)和第三(33)声学直线式天线不放置于所述第二声学直线式天线(32)的同一侧。

10.根据权利要求2至9中任一权利要求所述的方法，特征在于所述方法是由属于包含以下各者的群组的装置(700)实施：

-所述第三节点；

-集中式系统。

11.一种计算机程序产品，其特征在于所述计算机程序产品包含程序代码指令，所述程序代码指令用于当所述程序在计算机上执行时实施根据权利要求1至10中至少一权利要求所述的方法。

12.一种存储计算机程序的计算机可读存储构件，其包含可由计算机执行以实施根据权利要求1至10中至少一权利要求所述的方法的指令集。

13.一种装置(700)，其用于在沿着拖曳声学直线式天线布置的声学节点网络中估计水下声速，且在所述网络中在所述节点间传输多个声学信号，所述装置的特征在于其包含：

-用于获得两个预定距离的构件，所述距离各自分离沿着相同的第一声学直线式天线放置的一对节点；

-用于对于每对第一和第二节点(A，B)获得以下值的构件：

*在所述第一节点(A)和沿着第二声学直线式天线放置的第三节点(D)之间传输的声学信号的第一传播持续时间；

*在所述第二节点(B)和所述第三节点(D)之间传输的声学信号的第二传播持续时间；

-用于估计所述水下声速的构件，所述水下声速是对于每对节点获得的所述两个预定的距离和所述第一和第二传播持续时间的函数。

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