CN103575927A - 声节点的水速的估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于估计属于声节点网络中的第一声节点D的水速的方法，至少一些所述声节点沿着被拖曳的声学线形天线（S）布置。所述方法包含以下步骤：a）界定N维基底，所述基底的中心为所述第一声节点，并且当N=1时，包含单条轴线，或者当N=2或N=3时，包含N条非共线轴线，每条所述轴线与从所述第一声节点延伸到另一声节点的基向量相关联；b）根据以下各项估计水速的幅值：对于界定所述基向量的每个给定的其他声节点：从所述第一声节点传输到所述给定的其他声节点的声信号的声传播持续时间，以及从所述给定的其他声节点传输到所述第一声节点的声信号的声传播持续时间；以及水下声音速度的值c。

Description

声节点的水速的估计方法

1.技术领域

本发明的领域是地球物理数据采集。它涉及的是研究海床及其沉积层特性所需的设备。

更具体而言，本发明涉及一种用于估计拖缆、扫雷器或者是广义上的由船拖曳的任何装置的水速的技术。装置的水速是指该装置通过水的相对速度。

本发明可以有效地应用到使用地震方法的石油勘探行业（海上石油勘测），但也可以应用到需要在海洋环境中进行地球物理数据采集的系统的任何其他领域中。

2.背景技术

在本文档中，下文更加具体地描述了在石油勘探行业的地震数据采集领域中存在的问题。当然，本发明并不局限于此特定应用领域，而是适用于必须处理紧密相关的或类似的问题和难题的任何技术。

在现场采集地震数据的操作常规上使用的是地震传感器的网络，例如，加速器、地震检波器或者水听器。在海洋环境中采集地震数据的情况下，这些传感器是沿着电缆分布的，以形成线性声学天线，所述声学天线通常被称作“拖缆”或“地震拖缆”。如图1所示，若干个平行的拖缆S1-S4形成了由地震勘探船V拖曳的地震拖缆的网络。

地震方法是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，将一个或多个水下地震源激活，以传播全向地震波列。由地震源生成的压力波穿过水柱，并且对海床的不同层进行声穿透。被反射的部分地震波（即，声信号）随后被分布在地震拖缆的长度上的水听器检测到。这些地震声信号由遥测技术进行处理并且从地震拖缆转发到位于地震勘探船上的操作站，在操作站处对原始数据进行处理（在替代的解决方案中，存储地震声信号以用于稍后的处理）。

在地震勘测期间，精确地定位拖缆是非常重要的，尤其是针对：

●监测水听器的位置（沿着地震拖缆分布的），以在探测区域中获得令人满意的海床精确图像；

●检测拖缆相对于彼此的移动（拖缆通常受到不同大小的多种外部自然约束，例如，风、波浪、水流）；以及

●监测拖缆的航行，尤其是在绕开障碍物（例如，油驳）的情况下。

这种功能是通过声定位系统来确保的，所述声定位系统包含沿着拖缆布置的声节点（它们通常从外部插入到拖缆中或者与拖缆同线），以及主控制器系统。

还如图1所示，扫雷器（或者“门”）P1-P2是横向向外地设置在多个拖缆S1-S4的每一侧上的水动力箔片，并且能够在邻近拖缆之间保持横向分离。现在将详细描述了解扫雷器的水速以及外部拖缆的水速的重要性。

传统上，地震勘探船朝向一个目标以直线航行，随后转向朝向平行于第一直线的另一直线前进。一个众所周知的问题是继而监测扫雷器的拖曳力，所述拖曳力位于转弯之外。所述拖曳力必须与索具的规格兼容，即，与扫雷器处理系统的主线兼容。另一个问题是继而监测由扫雷器生成的横向力，所述横向力位于转弯之内。如果横向力过低的话，那么拖缆之间的横向分离可能是不充分的。横向力和拖曳力主要取决于船的水速、转弯半径以及扫雷器与船之间的横向分离。

实际上，横向力和拖曳力是通过两个独立的量度来监测的，即，扫雷器的拖曳绳的张力以及外部拖缆的水速。拖曳绳张力的高阈值确保了扫雷器的拖曳力是可以接受的，而低阈值则确保了由扫雷器生成的横向力足够维持邻近拖缆之间的横向分离。

在操作中使用的一些扫雷器具有高度为10m、悬浮在圆柱形浮体下方的超过9m长的地方的箔片。反复发生的情况是被扫雷器钩到的树枝或者树干等物体显著地增大了拖曳力。在此类情况下，扫雷器的水速能够检查张力测量的一致性并且可以允许对被扫雷器钩到的某一物体是否引起了高张力进行确定。换言之，除了拖曳绳张力测量之外，还需要了解扫雷器的水速以鉴别出引起高张力值的原因。实际上，除了船的水速、转弯半径以及扫雷器的横向分离之外，被扫雷器钩到的物体也可能会显著地增大拖曳力。

同样，并不能假定扫雷器的横向力总是与扫雷器拖曳绳上的张力成比例。成比例是在理想条件下的情况，但是一些事件可能会改变这种假设。例如，扫雷器钩到的物体可能会隐藏了较低的横向力。在这种情况下，扫雷器的水速并不会受到影响，并且仍然会影响所述门施加的横向力。

扫雷器的水速传统上是由电池供电的仪器测量的，该仪器被称作“速度计程仪”，其靠近扫雷器插入在外部拖缆上。

这种特定测量仪器的一个缺点在于它需要经常性的维护，从而更换电池、清洁传感器并且检查校准。

此类特定测量仪器的另一缺点在于，当用于测量拖缆的水速时，它仅能给出一条轴线上的水速，即拖缆轴线上的水速。因此，它不能用于预测拖缆的变形，而这种变形的预测对于管理拖缆网络形状而言是非常有用的。实际上，拖缆的变形主要是通过放置在船身上的流速计（也称作ADCP（声学多普勒流速剖面仪））以及预测算法来估计的，所述预测算法能够对水流进行估计，当水流将到达船的位置时，可以被拖缆察觉。拖缆越长，拖缆尾部的水流预测就越差，这是由于分离ADCP测量的时间以及拖缆将要到达测量的ADCP位置的时间。

3.发明目的

在至少一项实施例中，本发明尤其旨在克服现有技术的这些不同缺点。

更具体而言，本发明的至少一项实施例的目标在于提供一种用于估计装置（拖缆、扫雷器或者任何其他装置）的水速的技术，所述技术并不需要任何特定测量设备并且能够减少常规的维护计划从而为部署和恢复节省时间。

本发明的至少一项实施例的另一目的在于提供一种此类的技术，所述技术提供了水速的方向测量，从而可以显著地（但不是专门地）改进拖缆变形估计，从而最终改进了拖缆网络的几何形状管理。

本发明的至少一项实施例的另一个目标在于提供易于实施且成本较低的此类技术。

4.发明内容

本发明的一项特定实施例提出了一种用于估计属于声节点网络中的第一声节点D的水速的方法，至少一些所述声节点沿着被拖曳的声学线形天线布置。这种用于估计水速的方法包含以下步骤：

a）界定N维基底，所述基底的中心为所述第一声节点，并且当N=1时，包含单条轴线，或者当N=2或N=3时，包含N条非共线轴线，每条所述轴线与从所述第一声节点延伸到另一声节点的基向量相关联；

b）根据以下各项估计水速的幅值：

*对于界定所述基向量的每个给定的其他声节点。从第一声节点传输到给定的其他声节点的声信号的声传播持续时间，以及从给定的其他声节点传输到第一声节点的声信号的声传播持续时间；

*水下声音速度的值c。

因此，此项特定的实施例依赖于基于声节点的精明使用的全新且具有创新性的方法，除了它们的主要功能（声定位系统）之外，还可以用于新的功能（估计水速）。

第一声节点D的水速的估计值可以用作装置的水速的估计值，确切地说，所述装置为包括节点D或者靠近节点D的拖缆或扫雷器（但是在不脱离本发明的范围的前提下也可以设想到其他装置）。

换言之，在扫雷器的水速的特定情况中，能够使用包含在扫雷器中的节点D，或者靠近扫雷器的节点D（例如，在包含在拖缆的声节点中，节点D是最接近扫雷器的声节点）。

此方法并不需要任何特定的测量设备来估计水速。因此，它消除了维护此类特定测量设备的需要。

此外，这种方法允许在整个范围内（即，拖缆网络的任一点中）对水速进行估计。

根据一项特定的特征，对于与从所述第一声节点D延伸到通常标记为X的另一声节点的所述基向量相关联的每条所述轴线，步骤b)包含根据以下各项估计水速在所述轴线上的投影的幅值

-从第一声节点D传输到另一声节点X的声信号的声传播持续时间t_DX；

-从另一声节点X传输到第一声节点D的声信号的声传播持续时间t_XD；

-水下声音速度的所述值c。

因此，获得了与水速的N个投影（每个都在不同的轴线上）相对应的N个估计幅值。

根据一项特定特征，幅值

的估计是根据以下公式进行的：

因此，所述计算容易进行。

根据一项特定特征，当N=2或N=3时，步骤b)包含：

-获得N条轴线中的每一条的方向；

-根据以下各项估计水速的幅值以及N-1个方位角：

*N条轴线的方向；以及

*对于所述N条轴线中的每一条，水速在所述轴线上的投影的估计幅值。

因此，通过二维基底或三维基底，不仅能够估计水速的幅值，而且还能够估计其方向（由N-1个方位角给定）。为此，需要了解N条轴线的方向：这些方向既可以是估计的（例如，计算的），如下文所述，或者也可以是预定的（例如，从声节点网络布局推导出）。

根据一项特定特征，N=2并且步骤a)包含界定包含第一非共线轴线和第二非共线轴线的二维基底，所述第一轴线与从所述第一声节点延伸到第二声节点A的第一基向量相关联，所述第二轴线与从所述第一声节点延伸到第三声节点C的第二基向量相关联，所述第二声节点和第三声节点沿着第一声学线形天线布置。此外，步骤b)包含在含有第一、第二和第三声节点的平面中对水速的幅值

以及方位角γ进行估计，所述方位角是对照于所述第一声学线形天线的轴线来说的，估计方法是对以下两个方程的组进行求解：

以及

其中：

-t_DA是从第一声节点传输到第二声节点的声信号的声传播持续时间；

-t_AD是从第二声节点传输到第一声节点的声信号的声传播持续时间；

-t_DC是从第一声节点传输到第三声节点的声信号的声传播持续时间；

-t_CD是从第三声节点传输到第一声节点的声信号的声传播持续时间；

-c是水下声音速度的所述值；

-α是对照于参考轴线来说的第一轴线的方向；

-β是对照于参考轴线来说的第二轴线的方向。

因此，所述计算容易进行。

根据一项特定特征，步骤b包含根据以下公式估计第一轴线的方向α和第二轴线的方向β：

$\mathrm{\α}={\cos }^{-1}\left(\frac{d_{\mathrm{DH}}}{t_{\mathrm{DA}}*c}\right)$ 以及 $\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\frac{d_{\mathrm{DH}}}{t_{\mathrm{DC}}*c}\right)$

其中d_DH是第一声节点与点H之间的距离，点H被界定为所述第一声节点在所述第一声学线形天线上的正交投影。

在这种情况下，可以轻易地计算出N条轴线的方向。

根据一项特定特征，步骤a)和b)是反复的：

-通过所述第二和第三声节点，以获得水速的幅值的第一值以及方位角的第一值，所述方位角是对照于所述第一声学线形天线的轴线来说的；并且

-至少一次，通过另一对声节点，其中该对声节点是沿着所述第一声学线形天线布置并且包含至少一个不同于所述第二和第三声节点的声节点，以获得水速的幅值的至少一个第二值以及方位角的至少一个第二值，所述方位角是对照于所述第一声学线形天线的轴线来说的；

并且所述方法包含另外的步骤：

c）根据幅值的第一值以及至少一个第二值来获得幅值的终值，并且根据方位角的第一值以及至少一个第二值来获得方位角的终值。

这种冗余使得所述方法对于一个或若干个声节点故障来说是更加精确并且稳健的。

根据一项特定特征，步骤a)和b)是反复的：

-通过所述第二和第三声节点A和C；以及

-通过另一对第四和第五声节点A′和C′，它们沿着第二声学线形天线布置；

并且所述方法包含求解以下四个方程的组的另外的步骤，以获得水速的估计幅值

对照于所述第一声学线形天线的轴线来说的估计方位角γ、以及对照于所述第二声学线形天线的轴线来说的估计方位角γ′：

这种冗余使得所述方法对于一个或若干个声节点故障是更加精确并且稳健的。

在第一实施方案中，所述第一声节点D包含在所述声学线形天线的一个中。

在第二实施方案中，所述第一声节点D包含在扫雷器中，所述扫雷器邻近于或者不邻近于所述声学线形天线中的一个。

根据一项特定特征，所述方法是在主控制器系统中实施，所述系统对包含所述声节点的声定位系统进行管理，或者所述方法是在拖曳所述声学线形天线的船上的导航系统中实施。

根据一项特定特征，所述方法包含使用水速的所述N-1个方位角中的至少一个来执行属于包含以下各项的群组中的至少一个动作的步骤：

-声学线形天线变形估计；

-声学线形天线错流估计；

-声学线形天线网络形状管理；

-沿声学线形天线网络的水速图的构建。

在另一项实施例中，本发明涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包含程序代码指令，当在计算机或处理器中执行所述程序时，能够实施上述方法（在其不同实施例中的任一实施例中）。

在另一项实施例中，本发明涉及一种存储程序的非暂时计算机可读载体媒介，所述程序在由计算机或处理器执行时致使所述计算机或所述处理器执行上述方法（在不同实施例中的任一实施例中）。

在另一项实施例中，本发明提出了一种用于估计属于声节点网络中的第一声节点D的水速的装置，至少一些所述声节点沿着被拖曳的声学线形天线布置。这种用于估计水速的装置包含：

-用于界定N维基底的构件，所述基底的中心为所述第一声节点，并且当N=1时，包含单条轴线，或者当N=2或N=3时，包含N条非共线轴线，每条所述轴线与从所述第一声节点延伸到另一声节点的基向量相关联；

-用于根据以下各项估计水速的幅值的构件：

*对于界定所述基向量的每个给定的其他声节点：从第一声节点传输到给定的其他声节点的声信号的声传播持续时间，以及从给定的其他声节点传输到第一声节点的声信号的声传播持续时间；

*水下声音速度的值c。

根据一项特定特征，当N=2或N=3时，用于估计水速的装置包含：

-用于获得N条轴线中的每一条的方向的构件（61-63）；

-用于根据以下各项估计水速的幅值以及N-1个方位角的构件（61-63）：

*N条轴线的方向；以及

*对于所述N条轴线中的每一条，所述轴线上的水速的投影的估计幅值。

有利的是，在其多项实施例的任一项中，所述装置包含用于实施在上文所述的估计方法中执行的步骤的构件。

5.附图说明

通过下文借助于说明性而非详尽的实例进行的描述，并且从附图中，可以更加清楚地了解本发明的实施例的其他特征及优点，在附图中：

-图1，已参考现有技术进行了描述，呈现了由地震勘探船拖曳的地震拖缆的网络的一个实例；

-图2描绘了根据本发明的第一实施例的用于估计水速的方法的一般原理；

-图3是根据图2所描绘的第一实施例的用于估计水速的方法的一项特定实施例的流程图；

-图4描绘了根据本发明的第二实施例的用于估计水速的方法的一般原理；

-图5描绘了根据本发明的第三实施例的用于估计水速的方法的一般原理；

-图6示出了根据本发明的一项特定实施例的用于估计水速的装置的简化结构。

6.具体实施方式

在本文档的所有附图中，相同的元件和步骤用相同字母数字参考标号表示。

现在参考图2呈现根据本发明的第一实施例的用于估计水速的方法的一般原理。

如下文详细描述，根据本发明的方法的一般原理是使用声定位系统（即，声节点）的结果，对幅值进行估计，并且在特定实施例中，还对给定节点（下文中称作“节点D”）的水速的方向进行估计，所述给定节点包含在拖缆（例如，靠近扫雷器的外部拖缆）中以对拖缆的水速进行估计，或者是包含在扫雷器中以对扫雷器的水速进行估计。必须注意的是在替代性实施例中，扫雷器的水速是通过节点D的水速估计的，所述节点并不包含在扫雷器自身中而是包含在拖缆中，并且靠近扫雷器（例如，在沿拖缆布置的声节点中，相对于扫雷器，节点D是最接近的声节点）。

此方法得益于：由于声音在水中的较低声音速度（～1500m/s），使得声信号（也称作“声音范围”）显著地受到水速在信号方向上的分量的影响。扫雷器的水速或拖缆的水速是由海流以及船速引起的。

图2表示拖缆网络的一部分。在此实例中，A、C和D为声节点（也被称作“声模块”），所述声节点集成了声定位构件，其中节点A和C位于同一拖缆S上。

是节点D处的水速。它与拖缆方向（AC）形成了角γ（也被称作“方位角”）。

换言之，界定了一个二维基底，其中心为节点D并且包含两条非共线轴线（DA）和（DC）。这两条非共线轴线中的每一条都关联于一个不同的的基向量：分别为

和

如果节点A、C和D位于同一平面中，那么可以对向量

的范数和方向（在ACD平面中）进行估计，前提是其投影在两条非共线轴线（DA）和（DC）上，并且所述投影的范数和方向是已知的。

影响从A传播到D的声信号并且影响从D传播到A的声信号的水速是向量

在轴线（DA）上的投影。此向量被称作

其范数为

并且它与线段[DH]形成了角α，线段[DH]正交于所述拖缆。

下文描述了α的计算：

$\mathrm{\α}={\cos }^{-1}\left(\frac{d_{\mathrm{DH}}}{d_{\mathrm{DA}}}\right)$

其中：

●d_DA=t_DA.c

●t_DA为节点D与节点A之间的声传播时间，由声定位构件测量（声定位构件例如包含在节点A中，如果声信号是从节点D传输到节点A的话）

●C为声音速度

●d_DH为横测线间隔。

在一项替代性实施例中，α是输入参数（例如，预定值或由导航系统提供的值，所述系统从声节点网络的布局推导出此值）。

现在将说明在已知三角形DAC的边长的情况下如何计算横测线距离d_HD。注意到边长的大小如下：d_AC=d，d_CD=a，d_AD=b，并且h是高线HD的长度。通过海伦公式，此三角形的面积为：

${\mathrm{Aera}}_{\mathrm{DAC}}=\sqrt{s(s-a)(s-b)(s-d)}$

其中

是三角形周长的一半。

但是三角形的面积也可以表示为众所周知的公式：

${\mathrm{Aera}}_{\mathrm{DAC}}=\frac{d.h}{2}$

其中h（也表示为d_HD）是高，其具有垂足H并且穿过顶点D，而d是三角形DAC的底边AC的长度。

从上述这两个用于计算三角形DAC面积的公式中，可以获得以下公式：

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

该公式在简化之后可以得到以下公式（I）：

$d_{\mathrm{HD}}^2=h^2=-\frac{(a+b+d)(A+b-d)(a-b-d)(a-b+d)}{{4c}^2}---\left(I\right)$

下文描述了

的计算：

其中：

且

因此：

$t_{\mathrm{DA}}+t_{\mathrm{AD}}=\frac{d_{\mathrm{DA}}}{c}$

所以：

已经证实了向量在轴线（DA）上的投影的幅值和方向是完全已知的。

通过相同的方式，可以证实向量

在轴线（DC）上的投影的幅值和方向也是完全已知的。影响从C传播到D的声信号并且影响从D传播到C的声信号的水速是向量

在轴线（DC）上的投影。此向量被称作

其范数

并且它与线段[DH]形成了角β，线段[DH]正交于所述拖缆。

下文描述了β的计算：

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\frac{d_{\mathrm{DH}}}{d_{\mathrm{DC}}}\right)$

其中：

●d_DC=t_DC.c

●t_DC为节点D与节点C之间的声传播时间，由声定位构件测量（声定位构件例如包含在节点C中，如果声信号是从节点D传输到节点C的话）

●C为声音速度

●d_DH为横测线间隔。

在一项替代性实施例中，β是输入参数（例如，预定值或由导航系统提供的值，所述系统从声节点网络的布局推导出此值）。

其中：

下文描述了

的计算，使用的是上述

计算：

获得了以下方程（II）：

通过将相同的方法应用在轴线（DC）上，获得了以下方程（III）：

如上文所详述，可以用t_DA、t_DC来确定角α和β，前提是声音速度c和距离d_AC是已知的。

然后就获得了关于两个未知数

和γ的两个方程（II）和（III），因此就可以求出所述未知数。

如果拖缆S上不止两个节点（即，除了节点A和C之外还存在其他节点）可以与节点D交换声信号，那么可以提高水速估计的精确度。例如，

的终值以及γ的终值的计算可以使用最小二乘法，其中水速的范数（幅值）和方向的所有估计值作为输入。实际上，当上述方法是用于一对节点A和C时，它给出了

的第一值以及γ的第一值。如果上述方法是用于一对或若干对其他节点的话，那么针对其他每一对节点它给出了

的另一个值以及γ的另一个值。如果有至少一个节点不同，那么两对节点就是不同的（例如，节点对（A,D）不同于节点对（A,B））。

图3是根据图2所描绘的第一实施例的用于估计水速的方法的一项特定实施例的流程图。

该方法可以在主控制器系统上实施，所述主控制器系统管理声定位系统，或者该方法也可以在导航系统（位于拖曳拖缆的船上）上实施，所述导航系统实时地并且以地球为参照对拖缆进行定位。

在步骤31中，界定二维基底

在步骤32中，获得了t_DA、t_AD、t_DC、t_CD、c、d_AC和d_DH（参见上述公式）。

在步骤33中，估计角α和β（参见上述公式）。

在步骤34中，估计

和

（参见上述公式）。

在步骤35中，估计和γ（参见上述方程（II）和（III）的组）。

该方法具有几个显著的优点：

●不需要特定且专门的设备来估计装置（具体而言是拖缆或扫雷器）的水速，所述装置包括节点D或者靠近节点D；

●不需要对这种特定且专门的设备（速度计程仪设备）进行维护，即，不需要涉及电池、校准、传感器清洁、捕集渔网等维护；

●不会由于专门设备的安装而增加部署和恢复时间；

●对于一个或若干个声节点的故障是稳健的；

●整个范围内（即，拖缆网络的任一点中）的水速。

在一项特定实施例中，方向γ的信息用于以下动作（操作）中的至少一项：拖缆变形估计、拖缆错流估计、拖缆网络形状管理、沿拖缆网络的水速图（其允许增大拖缆形状估计）的构建等。

图4描绘了根据本发明的第二实施例的用于估计水速的方法的一般原理。

在此第二实施例中，上文中根据图2和图3进行描述的方法被使用了两次：一次是使用一对节点A和C，一次是使用布置在另一个拖缆S′上的另一对节点A′和C′。

随后获得了以下四个方程的组：

这四个方程的组具有三个未知数γ和γ′，因此可以通过以下内容求出：

●γ对照于拖缆S来说的方向，以及

●γ′对照于另一拖缆S′来说的方向。

图5描绘了根据本发明的第三实施例的用于估计水速的方法的一般原理。此第三实施例不同于第二实施例之处仅在于在图4中节点D位于拖缆S和S′之间（即，位于（AC）和（A′C′）之间），而在图5中并非如此。

重要的是应注意上文根据示例性实施例（参见图2至图5）描述的所提出的方法可以扩展为在相同的拖缆或不同的拖缆（邻近的或不邻近的）中使用任何数目的成对节点。唯一需要考虑的约束是要了解（计算）用于进行水速估计的每条轴线（位于节点D与一对节点中的一个节点之间）的相对方向。

在一项替代性实施例中，所述方法使用的是一维基底（即，N=1）：声节点D仅与一个其他声节点（例如，节点A）一起使用。在该情况下，仅可以计算出向量

在轴线（DA）上的投影。如同上文所述，该向量被称作

无法对水速的方向进行估计。

上文根据示例性实施例（参见图2至图5）描述的具有二维基底的所提出的方法可以轻易地由所属领域的技术人员扩展到三维基底。实际上，如果使用三条非共线轴线（节点D为基底的中心），并且如果这三条轴线并不在同一平面上，那么可以了解在三维空间中的水速向量。

用于估计水速的成对节点的数目越多，估计的精确度就越高。在本文中并未详细描述如何解决系统过大的问题或者如何及时对测量中的噪声进行滤波，但是有许多种常规的方法可以解决这些问题。如果系统过大，那么当一个或若干个声模块不活跃时，该方法仍然可以进行，但是测量的精确度会降低。

为了确定水速的幅值和方向而形成的N维基底（二维或者更多）的形状对于性能具有一定影响。

如果二维基底是标准正交的，即，正交的且标准化的，那么无论水速方向如何性能都将是一样的。

如果基底是标准正交的，但是如果一个基向量大于另一个，那么形成基向量的传播时间的相同误差对于在较大向量的方向上的水速测量的影响较小。因此有利的是使其中一个基向量位于主水速方向上。在上文所述的情况下，水速主要是由船速生成的，因此有利的是使其中一个基向量与拖缆同线（例如，节点D和A位于相同的拖缆上，而节点C位于另一个拖缆上）。

基底可以是非正交的，如同在图2、图4以及图5的实施例中。在该情况下，目标是取代横测线值对同线水速测量的性能进行优化（“同线”是指“平行于拖缆”，而“横测线”是指“垂直于拖缆”）。因此形成基底的两个基向量靠近提供冗余的同线声音范围。实际上，当两个基向量为非正交时，

向量在基底的每个基向量上的投影之间存在相关性，从而提供了冗余信息。此项实施例可以与同线范围不可用的声定位系统兼容。

所述方法可以容忍声音范围被使用的拖缆之间的V形以及拖缆的羽角。

现在参考图6，呈现了根据本发明的特定实施例的用于估计水速的装置（例如，主控制器系统或者导航系统）的简化结构。

估计装置60包含只读存储器（ROM）63、随机存取存储器（RAM）61以及处理器62。只读存储器63（非暂时计算机可读载体媒介）存储可执行程序代码指令，所述指令可以由处理器62执行，以确保对本发明的技术（例如，图3的步骤31到36）的实施。

在初始化之后，上述程序代码指令从只读存储器63转移到随机存取存储器61，以便由处理器62执行。随机存取存储器61类似地包括寄存器，用于存储该执行过程中所需的变量和参数。处理器32接收以下信息作为输入64：

●声传播时间（在图2和图3的实例中：t_DA、t_AD、t_DC、t_CD）；

●已知节点间距离（在图2和图3的实例中：d_AC）；

●水下声音速度的测量值c。在一项替代性实施例中，该值是估计值（参见专利申请案EP 11305835.8）。

根据程序代码指令，处理器62递送出水速的范数

以及方向γ的估计值作为输出65。

上述估计方法的所有步骤都可以同样有效地实施，实施方式是：

●通过执行一组程序代码指令，所述指令由PC型装置、DSP（数字信号处理器）或微控制器等可再编程计算机器来执行。此程序代码指令可以存储在可拆卸（例如，软盘、CD-ROM或DVD-ROM）或不可拆卸的非暂时计算机可读载体媒介中；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 (15)

1.一种用于估计属于声节点网络中的第一声节点D的水速的方法，至少一些所述声节点沿着被拖曳的声学线形天线布置，其特征在于所述方法包含以下步骤：

a）界定N维基底，所述基底的中心为所述第一声节点，并且当N=1时，包含单条轴线，或者当N=2或N=3时，包含N条非共线轴线，每条所述轴线与从所述第一声节点延伸到另一声节点的基向量相关联；

b）根据以下各项估计所述水速的幅值：

对于界定所述基向量的每个给定的其他声节点：从所述第一声节点传输到所述给定的其他声节点的声信号的声传播持续时间，以及从所述给定的其他声节点传输到所述第一声节点的声信号的声传播持续时间；

水下声音速度的值c。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于与从所述第一声节点D延伸到通常标记为X的另一声节点的所述基向量相关联的每条所述轴线，步骤b)包含根据以下各项估计所述水速在所述轴线上的投影的幅值

从所述第一声节点D传输到所述另一声节点X的声信号的声传播持续时间t_DX；

从所述另一声节点X传输到所述第一声节点D的声信号的声传播持续时间t_XD；

水下声音速度的所述值c。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述幅值

的估计是根据以下公式进行的：

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当N=2或N=3时，步骤b)包含：

获得所述N条轴线中的每一条的方向；

根据以下各项估计所述水速的幅值以及N-1个方位角：

所述N条轴线的方向；以及

对于所述N条轴线中的每一条，所述水速在所述轴线上的投影的估计幅值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于N=2，并且步骤a)包含界定包含第一非共线轴线和第二非共线轴线的二维基底，所述第一轴线与从所述第一声节点延伸到第二声节点A的第一基向量相关联，所述第二轴线与从所述第一声节点延伸到第三声节点C的第二基向量相关联，所述第二声节点和所述第三声节点沿着第一声学线形天线布置，

并且其特征在于步骤b)包含在含有所述第一、第二和第三声节点的平面中估计所述水速的幅值以及方位角γ，所述方位角是对照于所述第一声学线形天线的轴线来说的，估计方法是对以下两个方程的组进行求解：

以及

其中：

t_DA是从所述第一声节点传输到所述第二声节点的声信号的声传播持续时间；

t_AD是从所述第二声节点传输到所述第一声节点的声信号的声传播持续时间；

t_DC是从所述第一声节点传输到所述第三声节点的声信号的声传播持续时间；

t_CD是从所述第三声节点传输到所述第一声节点的声信号的声传播持续时间；

c是水下声音速度的所述值；

α是对照于参考轴线来说的所述第一轴线的方向；

β是对照于所述参考轴线来说的所述第二轴线的方向。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤b包含根据以下公式估计所述第一轴线的方向α和所述第二轴线的方向β：

$\mathrm{\α}={\cos }^{-1}\left(\frac{d_{\mathrm{DH}}}{t_{\mathrm{DA}}*c}\right)$ 以及 $\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\frac{d_{\mathrm{DH}}}{t_{\mathrm{DC}}*c}\right)$

其中d_DH是所述第一声节点与点H之间的距离，点H被界定为所述第一声节点在所述第一声学线形天线上的正交投影。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤a)和步骤b)是反复的：

通过所述第二和第三声节点，以获得所述水速的所述幅值的第一值以及所述方位角的第一值，所述方位角是对照于所述第一声学线形天线的轴线来说的；并且

至少一次，通过另一对声节点，其中该对声节点是沿着所述第一声学线形天线布置并且包含至少一个不同于所述第二和第三声节点的声节点，以获得所述水速的所述幅值的至少一个第二值以及所述方位角的至少一个第二值，所述方位角是对照于所述第一声学线形天线的轴线来说的；

并且其特征在于所述方法包含另外的步骤：

c）根据所述幅值的所述第一值以及所述至少一个第二值来获得所述幅值的终值，并且根据所述方位角的所述第一值以及所述至少一个第二值获得所述方位角的终值。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤a)和步骤b)是反复的：

通过所述第二和第三声节点A和C；以及

通过另一对第四和第五声节点A′和C′，它们沿着第二声学线形天线布置；

并且其特征在于所述方法包含求解以下四个方程的组的另外的步骤，以获得所述水速的所述估计幅值

对照于所述第一声学线形天线的轴线来说的所述估计方位角γ，以及对照于所述第二声学线形天线的轴线来说的估计方位角γ′：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一声节点D包含在所述声学线形天线的一个中。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一声节点D包含在扫雷器中，所述扫雷器邻近于或者不邻近于所述声学线形天线中的一个。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法是在主控制器系统中实施，所述系统对包含所述声节点的声定位系统进行管理，或者所述方法是在拖曳所述声学线形天线的船上的导航系统中实施。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法包含使用所述水速的所述N-1个方位角中的至少一个来执行属于包含以下各项的群组中的至少一个动作的步骤：

声学线形天线变形估计；

声学线形天线错流估计；

声学线形天线网络形状管理；

沿声学线形天线网络的水速图的构建。

13.一种存储程序的非暂时计算机可读载体媒介，所述程序在由计算机或处理器执行时致使所述计算机或所述处理器实施一种用于估计属于声节点网络中的第一声节点D的水速的方法，至少一些所述声节点沿着被拖曳的声学线形天线布置，其中所述方法包含以下步骤：

a）界定N维基底，所述基底的中心为所述第一声节点，并且当N=1时，包含单条轴线，或者当N=2或N=3时，包含N条非共线轴线，每条所述轴线与从所述第一声节点延伸到另一声节点的基向量相关联；

b）根据以下各项估计所述水速的幅值：

对于界定所述基向量的每个给定的其他声节点：从所述第一声节点传输到所述给定的其他声节点的声信号的声传播持续时间，以及从所述给定的其他声节点传输到所述第一声节点的声信号的声传播持续时间；

水下声音速度的值c。

14.一种用于估计属于声节点网络中的第一声节点D的水速的装置，至少一些所述声节点沿着被拖曳的声学线形天线布置，其特征在于所述装置包含：

用于界定N维基底的构件，所述基底的中心为所述第一声节点，并且当N=1，包含单条轴线，或者当N=2或N=3时，包含N条非共线轴线，每条所述轴线与从所述第一声节点延伸到另一声节点的基向量相关联；

用于根据以下各项估计所述水速的幅值的构件：

对于界定所述基向量的每个给定的其他声节点：从所述第一声节点传输到所述给定的其他声节点的声信号的声传播持续时间，以及从所述给定的其他声节点传输到所述第一声节点的声信号的声传播持续时间；

水下声音速度的值c。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，当N=2或N=3时，所述装置包含：

用于获得所述N条轴线中的每一条的方向的构件；

用于根据以下各项估计所述水速的幅值以及N-1个方位角的构件：

所述N条轴线的方向；以及

对于所述N条轴线中的每一条，所述水速在所述轴线上的投影的估计幅值。

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