CN102854534A - 声学节点网络中节点到表面测距的方法,装置和存储构件 - Google Patents

Abstract

获得参考表面(33)与属于网络的第一节点(30)之间距离(D1)的方法，其中所述网络包括沿拖曳声学线式天线布置的多个节点，且在所述网络中在节点之间发送多个声学序列，每个序列用于估计节点间距离，节点间距离是序列在节点之间的传播持续时间的函数。在第一节点(30)发射给定信号之后：-第一节点测量第一回声(由参考表面对给定信号的第一反射产生)的第一传播持续时间，且所述节点到表面距离的第一值被获得，而所获得第一值是第一传播持续时间的函数；和/或-第二节点(31、32)测量第二回声(由参考表面对给定信号的第二反射产生)的第二传播持续时间，且所述节点到表面距离的第二值被获得，而所获得的第二值是第二传播持续时间的函数。

Description

声学节点网络中节点到表面测距的方法,装置和存储构件

1.技术领域

本发明涉及地球物理数据采集领域。更确切来说，本发明涉及用于分析位于海床下面的地质层的设备。本发明尤其涉及使用地震法的石油勘探工业，但可应用于任何使用用于在海洋环境中采集地球物理学数据的系统的领域。 

更确切来说，本发明与一项技术相关，所述技术用于获得参考表面(例如海面或洋底)与声学节点网络中的至少一个节点之间的节点到表面距离，其中所述声学节点沿拖曳声学直线式天线布置。 

2.背景技术

在此文件的下文中试图更具体地描述存在于石油勘探工业的地震数据采集领域中的问题。本发明当然不限于此特定应用领域，而是有关于必须应付密切相关的或类似的事项和问题的任何技术。 

按照惯例，使用地震传感器网络(如加速计、地震检波器或水听器)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，这些传感器沿电缆分布，从而形成通常称作“等浮电缆”或“地震等浮电缆”的直线式声学天线。地震等浮电缆网络由地震勘测船拖曳。 

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数据，启动一或多个水下震源以传播地震波列。由震源产生的压力波通过水柱并声穿透海床的不同层。反射地震波(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地震勘测船上的操作员站，这些声学信号被存储在所述操作员站中。 

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，精确地定位等浮电缆十分重要： 

-监视传感器(水听器)的位置，从而获得具有良好精度的勘测地带中的海床图像；以及 

-检测等浮电缆之间的相对运动(等浮电缆常常受到各种具有可变量值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。 

控制等浮电缆的位置的本质在于实施沿地震等浮电缆按固定间距(例如，每隔300米)安装的航行控制装置(一般称作“压敏浮筒(birds)”)。 

现有技术压敏浮筒仅用于控制浸没状态的等浮电缆的深度。目前，所述压敏浮筒用于控制等浮电缆的深度和横向位置。 

图1展示等浮电缆13的一部分的配置，其包括一系列传感器(水听器)16、电声转换器14(在下文中进行更详细的描述)以及沿等浮电缆13的长度分布的压敏浮筒10。 

完整的等浮电缆13(沿其长度)包括图1上描绘的许多部分，并因此包括数量庞大的传感器(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关联并包括配备至少一个机动枢转翼12的主体11，其中所述机动枢转翼12可能实现对等浮电缆13的横向操纵以及对等浮电缆13的浸没深度的控制。 

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。 

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。 

为了横向控制，电声转换器14可估计沿两种不同等浮电缆13(邻近的或不邻近的)放置的声学节点之间的距离(下文中称为“节点间距离”)。更确切来说，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，其中第二等浮电缆与所述第一等浮电缆邻近或不邻近。为了估计节点间距离，由声学 节点的转换器14接收的数据随后由与转换器14关联的电子模块(未在图1上绘示)在本地进行处理，或由位于勘测船上的主控制器进行处理。 

转换器14是声学序列(即，经调制的位形式的声学信号)的收发器，所述声学序列用于确定位于各个等浮电缆上的邻近节点之间的距离，由此形成节点间距离的网格，从而获知所有等浮电缆的精确横向定位。 

应将本文中的转换器理解成意指由声学信号的收发器(发射器/接收器)组成的单个电声装置，或发送器装置(例如，声波脉冲发射器)与接收器装置(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，每个节点包括电声转换器，其使得所述节点能够交替地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)。在一项替代实施例中，第一组节点仅作为发送器节点且第二组节点仅作为接收器节点。第三组节点(每个节点作为发送器节点和接收器节点)也可结合所述第一及第二组节点一起使用。 

为了控制浸没深度，每个压敏浮筒10配备一个(或一个以上)压力传感器15以及相关联的电子模块(未图示)，所述压力传感器15以及电子模块能够实施反馈回路以测量深度的变化并将等浮电缆带到预定深度。 

然而，由于此种压力传感器在海洋环境中十分易损，因此用其测量地震等浮电缆浸没可能引发问题。事实上，压力传感器受到影响其精度甚至其工作的各种现象的作用，例如： 

-发生裂缝、电偶腐蚀或电解腐蚀，这可能造成错误的压力测量(并因此造成错误的浸没驱动)和/或压敏浮筒内部渗入海水(由于感测薄膜损坏，其不再防水)； 

-压力传感器的感测薄膜上生长海洋生物，这可能造成反应时间减少并因此改变压敏浮筒的驱动特征； 

-测量准确度由于温度变化产生的随时间的改变，因此要求对校准步骤进行持久更新。 

因此，似乎尤其值得在不必求助于压力传感器的情况下对声学节点的浸没距离进行测量。 

需要提醒的是，虽然前述问题在特定领域(即，在海洋环境中进行地震勘探)中进行描述，但也可适用于其他应用领域。 

3.发明目标 

在至少一项实施例中，本发明尤其旨在克服现有技术的上述缺点。 

更确切来说，本发明的至少一项实施例的一个目标是提供一项技术，所述技术用于获得参考表面与声学节点网络中的声学节点之间的节点到表面距离(例如，浸没距离(或深度))，且所述技术克服了有关于使用压力传感器的不良影响。 

本发明的至少一项实施例还旨在提供不必使用压力传感器的此类技术。 

本发明的至少一项实施例的另一个目标是提供易于实施且制造成本低的此类技术。 

至少一项特定实施例的目标是设想与帮助控制等浮电缆的位置的构件相关联的投资缩减。 

本发明的至少一项实施例的另一个目标是提供一项技术，所述技术能够实现对与压力传感器关联的节点到表面距离测量的质量控制。因此，本发明旨在提高节点到表面距离测量的可靠性，具体来说，旨在改进对等浮电缆的浸没深度的控制。 

4.发明内容

本发明的一项特定实施例建议一种方法，所述方法获得参考表面与属于网络的第一节点之间的第一节点到表面距离，其中所述网络包括沿拖曳声学直线式天线布置的多个节点，且在所述网络中在所述节点之间传输多个声学序列，每个经传输的声学序列用于估计至少一个节点间距离，所述节点间距离是所述声学序列在发送器节点与至少一个接收器节点之间的传播持续时 间的函数。所述方法包括： 

-在发射时刻由所述第一节点发射给定声学信号； 

-由至少一个第二节点测量： 

*在所述发射时刻与回声的接收时刻之间消逝的第一传播持续时间，其中所述回声由参考表面对所述给定声学信号的反射产生； 

*在所述发射时刻与给定声学信号的接收时刻之间消逝的第二传播持续时间，其中所述给定声学信号未被参考表面反射； 

-获得第一节点到表面距离的至少一个第一值，每个第一值为所述第一和第二传播持续时间的函数。 

因此，本发明的此特定实施例的一般原理是：由第一节点传输给定声学信号，所述声学信号经参考表面反射产生的回声由第二节点回收，从而估计节点到表面距离。更确切来说，基于由第二节点进行的两个传播持续时间的测量而获得节点到表面距离的每个值：由第一节点发送的信号的回声的第一传播持续时间以及由第一节点直接发送的信号的第二传播持续时间。因此，此特定实施例依靠全新的和创造性的方法，所述方法具有以下优势：在不求助于专用装置(例如，在估计深度的情况下为压力传感器)的情况下获得第一节点到表面距离的至少一个值。 

有利地，所述节点包括用于传输声学序列的转换器，且用所述转换器来实施测量第一和第二传播持续时间的所述步骤。 

因此，通过重复使用通常专用于估计节点间距离(即，性质不同于第一节点到表面距离的距离)的电声转换器，此特定实施例能够缩减关于帮助控制浸没状态的声学直线式天线的构件的成本。换句话说，由于通过此方法，转换器既可用于确定节点间距离又可用于确定节点到表面距离，因此转换器的使用受到优化。 

有利地，将所述节点集成于拖曳声学直线式天线中。 

与将节点连接到作为外部卫星装置的等浮电缆(每个节点通过，例如，电缆附接到等浮电缆)的另一解决方案相比，当前解决方案(将节点集成于 等浮电缆中)具有若干优势：运输便利，整体(等浮电缆和节点)更紧凑，制造和装配更便宜，节点受到的保护更佳(卫星装置可能受到与等浮电缆撞击的影响)。 

有利地，所述方法进一步包括以下步骤：获得在参考表面与所述至少一个第二节点之间的第二节点到表面距离值。所述第一节点到表面距离的第一值是以下量的函数： 

*所述第二节点到表面距离值； 

*所述第一和第二传播持续时间；以及 

*声速值。 

因此，除第一节点到表面距离的第一值外，有可能以简易的方式(仅四个参数：第二节点到表面距离，第一和第二传播持续时间，以及声速)获得第一节点到表面距离的一个或若干进一步值，从而提供提高所获距离值的准确度的便利。 

此外，在不能获得第一值的情况下，即使第一节点不能进行第一回声的传播持续时间的测量，所述方法仍可提供第一节点到表面距离值。 

声速值由(例如)节点管理系统或由一个或若干速度计(例如，位于由勘测船拖曳的等浮电缆组的两个最外等浮电缆上的两个速度计，一个速度计靠近勘测船定位且另一个位于勘测船的相反侧)提供。 

例如，第二节点到表面距离值可通过以下方式获得： 

-由包括在第二节点中的压力传感器执行压力测量；和/或 

-例如，由在节点管理系统处的用户规定预定设定值；和/或 

-通过针对第二节点实施根据本发明的方法获得第一传播持续时间和/或第二传播持续时间。 

有利地，所述方法包括以下步骤：实施第一节点到表面距离的至少两个第一值的加权平均(其中所述第一值是在所述获得步骤中获得)作为回声质量标准的函数。 

第一节点到表面距离的结果值因此更加准确。 

有利地，所述方法进一步包括以下步骤： 

-获得由压力测量产生的第一节点到表面距离的第二值， 

-通过比较第一节点到表面距离的所述第二值与第一节点到表面距离的所述至少一个第一值来分析质量水平。 

因此，有可能进行对用压力传感器获得的节点到表面距离测量的质量控制(用本发明获得的第一节点到表面距离的第一值被用于控制用压力传感器获得的第一节点到表面距离的第二值的质量)。在一项替代实施例中，也有可能进行对用本发明获得的节点到表面距离测量的质量控制(用压力传感器获得的第一节点到表面距离的第二值被用于控制用本发明获得的第一节点到表面距离的第一值的质量)。 

因此，这样可提高节点到表面距离测量的可靠性，具体来说，可改进对声学直线式天线的浸没深度控制。 

有利地，所述方法包括以下步骤：通过应用定时窗口来过滤由第二节点接收的回声，从而仅保留由所述参考表面反射的回声。 

因此，即使给定声学信号被除参考表面之外的一个或若干表面反射，也能实施所述解决方案。例如，给定声学信号被作为参考表面的海面反射并被作为另一表面的洋底反射。 

有利地，所述参考表面属于包括海面和洋底的群组。 

有利地，所述给定声学信号是所述声学序列中的一个声学序列或是在分配给第一节点的预定传输时间周期中在所述声学序列中的一个声学序列之前或之后的声学脉冲信号。所述给定声学信号之后是收听时隙。 

以此方式，传输声学序列通常所用的传输时间周期被用于传输本方法的实施所需的给定声学信号。 

有利地，获得第一节点到表面距离的所述至少一个第一值的所述步骤由所述至少一个第二节点或由网络节点的管理系统实施。 

因此，第一节点到表面距离的第一和第二值可在每个节点中在本地估计或在与声学直线式天线分离的管理者系统级别处估计。 

本发明的另一项实施例与包括程序代码指令的计算机程序产品相关，其中所述程序代码指令用于在计算机上执行所述程序时实施上述方法(在所述方法的不同实施例中的任一项实施例中)。 

本发明的另一项实施例与存储计算机程序的计算机可读存储构件相关，其中所述计算机程序包括可由计算机执行以实施上述方法(在所述方法的不同实施例中的任一项实施例中)的指令集。 

在本发明的另一项实施例中，建议一种用于获得参考表面与属于网络的第一节点之间的节点到表面距离的装置，其中所述网络包括沿拖曳声学直线式天线布置的多个节点，且在所述网络中在所述节点之间传输多个声学序列，每个经传输的声学序列被用于估计至少一个节点间距离，所述节点间距离是所述声学序列在发送器节点与至少一个接收器节点之间的传播持续时间的函数。所述第二节点包括： 

-用于获得以下值的构件： 

*在给定声学信号的发射时刻与回声的接收时刻之间消逝的第一传播持续时间，其中所述回声由参考表面对所述给定声学信号的反射产生； 

*在所述发射时刻与给定声学信号的接收时刻之间消逝的第二传播持续时间，其中所述给定声学信号未被参考表面反射； 

-用于获得节点到表面距离的至少一个值的构件，所述节点到表面距离值是所述第一和第二传播持续时间的函数。 

5.附图说明

本发明的实施例的其他特征和优势将根据以下描述(由象征性的且并非详尽的实例给出)和附图显而易见，附图中： 

-图1呈现沿等浮电缆布置的声学节点的结构的实例，已参考现有技术描绘图1； 

-图2根据本发明的一项特定实施例表示由声学节点传输的声学信号的定时图解； 

-图3根据本发明的一项特定实施例说明一种通信方案，在所述方案中实施用于确定声学节点的浸没距离的方法； 

-图4根据本发明的一项特定实施例表示由声学节点经由直接传输路径和间接传输路径接收的声学信号的定时图解； 

-图5为在图3的特定实施例的背景下说明声学节点浸没距离的计算的数学表示； 

-图6根据符合本发明的一项特定实施例说明声学节点网络的实例，在所述声学节点网络中有可能实施用于获得浸没距离的方法。 

6.具体实施方式

在本文件的所有图中，相同元件和步骤由同一标号标明。 

已参考现有技术描绘了图1，其说明声学节点(转换器14及其相关联的电子元件)的示意性实例，所述声学节点与沿等浮电缆13布置的压敏浮筒10关联。 

应注意，在声学节点网络中，例如图6中所示的网络，所有节点不必配备用于驱动等浮电缆的机动枢转翼12。实际上，网络的一些声学节点可仅包括具备相关联电子模块(未图示)的电声转换器14以处理来源于放置在不同等浮电缆上的其他节点的声学数据。在本文中，转换器是等浮电缆的部分。转换器也可与等浮电缆(未在图上绘示)分离。 

图2根据本发明的一项特定实施例表示由声学节点传输的声学信号20的定时图解。 

此声学信号20包括： 

-经调制的位序列21，其具有声学性质，并由各种类型的数据组成，且在稍后的描述中称作声学序列； 

-声学脉冲信号22，例如声学脉冲、线性调频脉冲或具备短暂持续时间的任何信号，其后是收听时隙23(也称作收听时窗)。 

在一项替代实施例中，经调制的位序列21和声学脉冲信号22是同一个 信号。 

声学序列21通常用于估计放置在邻近等浮电缆上的发送器节点与至少一个接收器节点之间的节点间距离，从而定位等浮电缆网络并控制等浮电缆的位置(如果有必要)。为了估计节点间距离，根据相对于公共基准对声学序列21进行测时(网络的节点组是同步的且知道每个发送器节点的语音时间)，接收声学序列21的节点测量在声学序列21的发射时刻与接收时刻之间消逝的传播持续时间。随后根据以下等式估计发送节点与接收器节点之间的节点间距离： 

                             d_AB＝k.t_AB

其中： 

d_AB，发送器节点A与接收器节点B的间距； 

t_AB，在声学序列的发射(节点A)与接收(节点B)时刻之间消逝的传播持续时间； 

k，在勘探环境中的声速的预定义值。 

声学信号20还包括专用于确定节点与海面之间的浸没距离的信号。此信号由声学脉冲信号22和随后的收听时隙23组成。 

在下文更详细描述的一项特定实施例中，此信号也可用于确定节点与洋底表面之间的节点到表面距离。 

应注意，声学序列21可在包括声学脉冲信号22和随后的收听时隙23的信号之前(如图2中所示)或(相反的)之后。 

进一步应注意，可设想一项特定实施例，其中声学信号20的发送器节点不发送声学序列21，而是仅发送专用于确定节点到表面距离的信号22(在图2上，声学脉冲信号22和随后的收听时隙23)。 

意图将收听时隙23用于使声学信号20的接收器节点能够收听并检测由海面对脉冲信号22的反射产生的回声。关于确定节点与海面之间的浸没距离(或更确切来说，深度)的原理的具体细节在下文中结合图3至图6进行解释。 

在声学节点网络的背景下，每个节点能够交替地充当发送器节点或接收器节点且仅具有一个用于传输和接收声学信号的电声转换器。 

根据另一项特定实施例，还可以设想另一配置：仅执行发送功能的发送器节点(如声脉冲发送器)和仅执行接收功能的接收器节点(如用在等浮电缆上的水听器)。然而，需要已知声脉冲发送器与水听器之间的距离。 

声学网络依靠时间、频率和空间访问模式(即，时间、频率和空间区分)。 

时间区分的原理为：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：网络的每个节点周期性地具有语音时间，在语音时间内节点传输其声学序列。 

因此，根据本发明，当节点在其语音时间24内传输声学信号20时，所有其他节点可收听到所述声学信号20。而且，当节点不打算传输声学序列21时，则必须在分配给发送器节点的语音时间内发送声学脉冲信号22和收听时隙23。 

频率区分的原理为：针对声学信号的发射使用多个频带，每个频带被分配给网络的确定节点。 

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节点，则两个相距遥远的节点可在同一时隙和同一频率带宽内发射。因此声学序列之间没有任何干扰且每个接收器节点能够独立进行处理。 

图3根据本发明的一项特定实施例说明一种通信方案，在所述方案中实施用于确定声学节点的浸没距离(或深度)的方法。 

此图考虑一声学网络，在所述网络中试图确定声学节点30的深度。 

给定节点的深度为给定节点与海面33的间距。 

图3的网络在此包括放置在节点30两侧的两个邻近节点31、32。例如，三个节点30、31和32浸没在海平面33以下约十米的水中。 

在第一步骤中，节点30全方位地发送声学信号20，例如，在语音时间内且在所述用途保留的频带上发送。 

如果发送器节点30检测到已发送声学信号的回声(此回声由海面33(水 和空气的界面实际上作为声波的反射表面)对此声学信号的反射产生)，发送器节点30就能够测量在声学信号的发射时刻与所述声学信号的回声的接收时刻之间消逝的传播持续时间。更确切来说，由发送器节点30测量的传播持续时间是在声学脉冲信号22的发射时刻与声学脉冲信号的回声的接收时间之间消逝的持续时间(根据相对于公共基准对声学脉冲信号进行测时得出)。 

在第一种情况(本地计算)下，发送器节点30自己推算出它自己的深度，所述深度是已测量的传播持续时间以及节点航行于的海洋环境中的声速(k)的预定义值的函数。 

应注意，在典型的等浮电缆浸没(即，在约10米的深度)的背景下，声学浸没测量对声速测量的误差相对较不敏感。实际上，1m/s的声速精度暗示深度测量的误差小于1厘米。 

在第二种情况(分离计算)下，发送器节点30通过集成于等浮电缆的有线通信总线将以前测量的传播持续时间传输至节点管理系统，所述节点管理系统负责计算发送器节点30的深度。 

深度的此第一测量以下被称作双向浸没测量：其特征为，由发送器节点实行的在发送器节点与反射表面之间的返程的传播持续时间测量。 

应注意，节点使用的电声转换器的全方位辐射场型不会导致将此种转换器用于实施双向浸没测量，双向浸没测量实际上更需要定向辐射场型。 

如果双向浸没测量不允许获得深度的第一测量，则实施另一浸没测量(其原理在下文中描述)以克服此缺陷。 

例如，在深度小的情况下，声学脉冲信号的发射时刻与声学脉冲信号的回声的接收时刻之间的传播持续时间很短暂，以致由于众所周知的有关转换器减幅振荡的现象，唯一发送器节点并不总是有可能测量出传播持续时间。而且，如果气泡云(例如，由勘测船尾流产生)位于海面与节点之间，则不可测量传播持续时间。 

在最后这两种情况下，发送器节点30检测不到表面回声，但声学节点 30的深度可由网络的另一节点(如邻近的声学节点31或32)确定，前提是此另一节点已接收到由发送器节点30发送的声学脉冲信号22(经过反射的或未经过反射的，如下文更详细描述)。 

作为接收器节点的节点31检测由发送器节点30发送的声学信号20，并因此检测由发送器节点30发送的声学脉冲信号22。接收器节点31随后测量在声学脉冲信号22的发射与接收时刻之间消逝的第一传播持续时间，此声学脉冲信号22是经由直接传输路径(由虚线35a表示)接收。此信号称作“直接声学脉冲”。更确切来说，且如图4中所示，由接收器节点31测量的传播持续时间为在声学脉冲信号22的发射时刻(T₀)与声学脉冲信号22的接收时刻(T₁)之间消逝的持续时间(t_DR)。 

随后，接收器节点31检测由发送器节点30发送的声学信号20的回声，并因此检测由发送器节点30发送的声学脉冲信号22，此回声由海面33对声学信号20的反射产生。如图4中所示，接收器节点31随后测量在声学脉冲信号22的发射时刻(T₀)与声学脉冲信号22的回声的接收时刻(T₂)之间消逝的第二传播持续时间(t_RR)。此回声在此处对应于经由间接传输路径(由虚线35b表示)从发送器节点30接收的声学脉冲信号。此信号称作“反射声学脉冲”。 

在第一种情况下，根据下文中关于图5所述的条件，通过由节点接收器节点31以前测量的第一和第二传播持续时间(t_DR、t_RR)，接收器节点31能够自行确定发送器节点30的深度。 

在第二种情况下，根据下文中关于图5所述的条件，节点接收器节点31将以前测量的第一和第二传播持续时间的值传输至节点管理系统，所述节点管理系统负责确定发送器节点30的深度。 

在上文中关于接收器节点31进行的论证可转移至接收器节点32以及直接和间接传输路径35c和35d。 

深度的此第二测量以下称作单向浸没测量：其特征为，由所述发送器节点30的相邻节点(31或32)实行的对反射信号的传播持续时间以及直接信 号的传播持续时间的测量。 

应注意，为了进行纯粹教学式的描述，图3中所示的声学节点的数目受到有意限制，以免对图和相关联描述造成麻烦。然而，显然，如图6中所示，本发明可在具备更多数目节点的应用背景下实施(特别是为了更准确地测量深度)。此外，图3的描绘考虑了仅具备与发送器节点邻近的节点的实施例。然而，显然，本发明可在具备未必与发送器节点邻近的节点的应用背景下实施。 

已参考图3部分地描述图4，其根据本发明的一项特定实施例表示经由直接传输路径和间接传输路径、由声学节点(31或32)接收的声学信号的定时图解。 

声学信号40a对应于由发送器节点30发送且由接收器节点(31或32)直接接收的声学信号，其中不存在信号在海面33的任何反射。声学信号40a包括声学脉冲信号41a，随后是收听时隙43a和声学序列42a。 

声学信号40b对应于经由间接传输路径、由发送器节点30发送且由接收器节点(31或32)间接接收的声学信号。换句话说，信号40b表示由海面——或更一般来说，参考表面——对声学信号的反射产生的回声。信号40b包括声学脉冲信号的回声41b，随后是收听时隙43b和声学序列的回声42b。 

收听时隙43a使信号40a和40b的接收器节点能够检测由发送器节点发送的声学脉冲信号22的回声41b。 

应了解，当两个声学信号由接收器节点接收时，应实行直接路径与间接路径之间的区分。可认为： 

-由此节点接收的第一信号对应于经由直接传输路径传输的信号，且第二信号对应于经由间接传输路径传输的信号；或者 

-能量较高的信号对应于通过直接路径的信号，且能量较低的信号对应于通过间接路径的信号(因为海面或海底对信号的反射所产生的能量损失)。 

图5为在图3的特定实施例的背景下说明用于计算声学节点的深度的方法的数学表示。 

图3与图5之间的相同元件由同一标号标明。如图3所示，待确定的深度(由标号D1标明)对应于发送器节点30与海面33的间距。 

需要提醒的是，发送器节点30在此处被认为以小深度浸没。因此，此发送器节点30不能够经由双向浸没测量来确定它自己的深度D1。在这种情况下，接收器节点31(或节点32)应负责基于以下公式计算发送器节点30的深度D1： 

$D1=\frac{({t_{\mathrm{RR}}}^2-{t_{\mathrm{DR}}}^2)}{4D2}{k}^2---\left(I\right)$

其中： 

D1，在发送器节点30与海面33之间的深度，由接收器节点31进行计算； 

D2，在节点31与海面33之间的深度，节点31已知所述深度； 

t_DR，由节点31测量的直接声学脉冲信号的传播持续时间(即，在声学脉冲信号的发射与接收时刻之间的传播持续时间)； 

t_RR，由节点31测量的反射声学脉冲信号的传播持续时间(即，在声学脉冲信号的发射时刻与声学脉冲信号的回声的接收时刻之间的传播持续时间)； 

k，声速的预定义值。 

事实上，根据勾股定理(Pythagorean theorem)，可以写出以下公式： 

HR²＝DR²-(D1-D2)²和HR²＝RR²-(D1+D2)²，其中RR＝RR1+RR2。 

从这两个公式，可以写出HR²＝DR²-(D1-D2)²＝RR²-(D1+D2)²，简化后，得出公式 

$D1=\frac{{\mathrm{RR}}^2-{\mathrm{DR}}^2}{4D2}=\frac{({t_{\mathrm{RR}}}^2-{t_{\mathrm{DR}}}^2)}{4D2}{k}^2.$

此公式展示，如果发送器节点30不能够实行对它自己的深度D1的测量，因此存在已知其深度D2和直接声学脉冲信号的传播持续时间(t_DR)以 及反射声学脉冲信号的传播持续时间(t_RR)的至少一个另外的节点(如此种情况中的接收器节点31)便足以推算出深度D1。 

深度D2的值可通过(例如)以下方式获得： 

-由用户在节点管理系统处定义设定值； 

-由节点31的压力传感器执行压力测量； 

-在根据本发明的方法预先针对节点31实施单向浸没测量或双向浸没测量(或同时进行两种测量之后获得传播持续时间测量结果。 

不管接收器节点31是否已知深度D2，此节点31仍然确定相对于发送器节点30的相对深度值D1。因此，由于有前述公式(I)，获知网络中的单一节点的深度就足以从相邻节点到相邻节点地推算出网络的所有剩余节点的深度。以图3的情形为例，其中深度D2未知且D1的相对值已获得。考虑节点31、32，其中已知节点32的深度(记作D3)，D2的绝对值可用公式(I)确定。随后，考虑节点30、31，D 1的绝对值可用公式(I)推算出来，其中所述D1的绝对值是用节点32确定的D2值的函数。 

换句话说，即使发送器节点30未检测到来自它自己发送的信号的任何表面回声，此节点的深度D1仍然可由网络的另一个节点或其他若干节点推算出。 

可设想变体实施例，其中发送器节点30能够确定它自己的深度(双向浸没测量)且也牵连至少另一个用于确定发送器节点的深度值(单向浸没测量)的节点。 

以此方式，节点管理系统可使用多个深度值(所述深度值可以是相对值或绝对值)，从而有可能实行数学处理以强化深度测量。 

因此，节点深度的确定过程中牵连的节点数目越大，深度值就越准确。实际上，集中多个深度值之后，管理系统可实行(例如)这些值的平均值计算，从而降低深度测量的标准偏差。因此提高深度测量的可靠性。在一项特定实施例中，也可设想实施针对给定节点所获得的深度值的加权平均的可能性，其中所述加权平均是所接收信号回声的质量标准的函数。信号回声质量越 高，加在对应深度值上的权数就越大。 

根据本发明的一项特定实施例，可设想实行对深度值的质量控制，其中所述深度值由用网络的压力传感器进行的测量产生。实际上，在情况一中，网络的若干或所有节点配备压力传感器，可对压力传感器获得的深度值与通过实施根据本发明的声学浸没测量方法(提供双向浸没测量和/或单向浸没测量)获得的深度值(或平均深度值，如果存在的话)进行比较，以便证实所述压力传感器深度值有效或无效。例如，如果两个值相差很远，则意味着压力传感器有缺陷。这样能够提高浸没测量的可靠性。 

图6根据符合本发明的一项特定实施例说明声学节点63的网络60的实例，在所述实例中有可能实施用于获得深度的方法。 

声学节点63沿被船61拖曳的多根等浮电缆62进行布置，其中节点管理系统和航行系统内嵌于所述船61上。图上由黑色点表示的节点是网络的能够实行双向浸没测量的节点，剩余节点不能进行类似测量。 

当网络的若干节点能够实行双向浸没测量时，由管理系统管理的等式系统是过大的(等式多于未知量)，关于浸没测量的不确定性显著降低。 

例如，在具有六个节点(其中有四个节点能够实行双向浸没测量)的情况下，试图获得深度的节点将获得标准偏差除以2的深度值。 

为了简化本发明的描述，上文的描述仅考虑由海面对声学脉冲信号的反射产生的回声。然而，显然，本发明可在具备由洋底对声学脉冲的反射产生的回声的应用背景下实施。实际上，根据定义，以全方位方向性发送的电声转换器有可能类似地检测洋面和洋底。特别是在浅深度(也称为浅水配置)和等浮电缆的头部处(为了避免海底的等浮电缆可能受到的损坏)，此情形尤其受到关注。为了区分由海面反射产生的信号回声与由洋底反射产生的信号回声，可设想通过信号处理来实行定时窗口功能。以此方式，为了检测来自洋底的回声，应定义观察窗口以排除来自海面的回声的理论接收时刻，所述时刻取决于等浮电缆的平均深度。 

Claims (13)

1.一种获得参考表面(33)与属于网络的第一节点(30)之间的第一节点到表面距离(D1)的方法，其中所述网络包括沿拖曳声学直线式天线布置的多个节点，且在所述网络中在所述节点之间传输多个声学序列(21)，每个经传输的声学序列被用于估计至少一个节点间距离，所述节点间距离是所述声学序列在发送器节点与至少一个接收器节点之间的传播持续时间的函数，所述方法的特征在于其包括：

-在发射时刻(T₀)由所述第一节点(30)发射给定声学信号；

-由至少一个第二节点(31，32)测量：

*在所述发射时刻与回声的接收时刻之间消逝的第一传播持续时间(t_RR)，其中所述回声由所述参考表面对所述给定声学信号的反射产生；

*在所述发射时刻(T_o)与所述给定声学信号的接收时刻(T1)之间消逝的第二传播持续时间(t_DR)，其中所述给定声学信号未被所述参考表面反射；

-获得所述第一节点到表面距离的至少一个第一值，每个第一值是所述第一(t_RR)和第二(t_DR)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，所述节点包括用于传输所述声学序列的转换器，且特征在于测量所述第一和第二传播持续时间的所述步骤用所述转换器来实施。

3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法的特征在于，将所述节点集成于所述拖曳声学直线式天线中。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，所述方法的特征在于：所述方法进一步包括获得所述参考表面与所述至少一个第二节点之间的第二节点到表面距离(D2)值的步骤；

且特征在于所述第一节点到表面距离(D1)的所述第一值是以下量的函数：

所述第二节点到表面距离(D2)的所述值；

所述第一(t_RR)和第二(t_DR)传播持续时间；以及

声速值。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的方法，所述方法的特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：实施在所述获得步骤中获得的所述第一节点到表面距离(D1)的至少两个第一值的加权平均作为回声质量标准的函数。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的方法，所述方法的特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：

-获得由压力测量产生的所述第一节点到表面距离(D1)的第二值；以及

-通过比较所述第一节点到表面距离(D1)的所述第二值与所述第一节点到表面距离(D1)的所述至少一个第一值来分析质量水平。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，所述方法的特征在于，所述方法包括以下步骤：通过应用定时窗口来过滤由所述第二节点接收的所述回声，从而仅保留由所述参考表面反射的所述回声。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的方法，所述方法的特征在于，所述参考表面属于包括海面和洋底的群组。

9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的方法，所述方法的特征在于：所述给定声学信号是所述声学序列(21)中的一个声学序列或是在分配给所述第一节点的预定传输时间周期中在所述声学序列(21)中的一个声学序列之前或之后的声学脉冲信号(22)；

且特征在于所述给定声学信号之后是收听时隙(23)。

10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的方法，所述方法的特征在于，获得所述第一节点到表面距离的所述至少一个第一值的所述步骤由所述至少一个第二节点或由所述网络节点的管理系统实施。

11.一种计算机程序产品，其特征在于，其包括程序代码指令，所述程序代码指令用于在所述程序执行于计算机上时实施根据权利要求1至10中至少一项权利要求所述的方法。

12.一种用于存储计算机程序的计算机可读存储构件，所述计算机程序包括可由计算机执行以实施根据权利要求1至10中至少一项权利要求所述的方法的指令集。

13.一种用于获得参考表面(33)与属于网络的第一节点(30)之间的节点到表面距离(D1)的装置，其中所述网络包括沿拖曳声学直线式天线布置的多个节点，且在所述网络中在所述节点之间传输多个声学序列(21)，每个经传输的声学序列用于估计至少一个节点间距离，所述节点间距离是所述声学序列在发送器节点与至少一个接收器节点之间的传播持续时间的函数，所述装置的特征在于其包括：

-用于获得以下值的构件：

*在给定声学信号的发射时刻与回声的接收时刻之间消逝的第一传播持续时间，其中所述回声由参考表面对所述给定声学信号的反射产生；

*在所述发射时刻与所述给定声学信号的接收时刻之间消逝的第二传播持续时间，其中所述给定声学信号未被所述参考表面反射；

-用于获得所述节点到表面距离(D1)的至少一个值的构件，所述节点到表面距离值是所述第一和第二传播持续时间的函数。

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