CN106569215A - 一种应用于海洋物探获取发射水鸟声信号直达时间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种应用于海洋物探获取发射水鸟声信号直达时间的方法，首先根据水下多缆声学网络定位系统的组网方式确定轮询方案；其次采用多频实时数据获取模型获取指定接收水鸟与发射水鸟的时域信号，若直达信号与多途信号能分开，则提取直达信号，若直达信号与多途信号重叠，则采用另一种抗多途方案去掉多途信号。本发明所述多频实时数据获取技术的优点是：所有发射水鸟和接收水鸟可以同时进行工作，大大提高了拖缆系统的效率，缩短了定位解算的时间，提高了声学网络定位系统的抗多途干扰效果。

Description

一种应用于海洋物探获取发射水鸟声信号直达时间的方法

技术领域

本发明涉及一种应用于海洋物探获取发射水鸟声信号直达时间的方法，属于海洋地震拖缆系统中的多缆声学网络定位领域。

背景技术

水下多缆定位技术是海上地震勘探技术中的一项关键技术。精确的拖缆定位可以保证较高的三维地震成像精度，为后续开发方案的制定提供可靠的依据。但由于在海上地震数据采集时，拖缆长度达到数千米，受海流影响，其位置时时都在变化，且拖缆布放的深度较浅，声传播过程中海面反射声的影响明显。

现有技术对海上石油勘探中的水下多缆定位原理、特点及关键技术进行了分析，并建立了海上地震勘探多缆定位模型，但对于如何有效抗多途干扰和实时数据获取方面较少涉及；

长基线水声定位技术要求精确获取每个接收水鸟和发射水鸟的相对距离，而由于每条拖缆上间隔布放发射水鸟和接收水鸟，在拖缆的数目多、长度长的情况下，水鸟的数目庞大，且拖缆布放的深度较浅，声传播过程中海面反射声的影响明显，这就导致当发射水鸟同时工作时，每个接收水鸟都会接收到一长串具有数个峰值的脉冲信号，无法从这一长串脉冲信号中准确提取需要的直达峰值，导致无法准确的确定接收水鸟相对发射水鸟的位置，无法获取发射水鸟声信号直达时间的方法。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有水下多缆声学网络定位系统抗多途干扰效果差且定位精度不高的缺点，采用一种新的多频实时数据获取方式来提高声学网络定位系统的抗多途干扰效果，提高拖缆系统的工作效率，缩短定位解算的时间。

本发明解决的技术方案为：一种应用于海洋物探获取发射水鸟声信号直达时间的方法，步骤如下

所述确定海上拖缆系统的组网方式阶段步骤如下：

(1)发射水鸟发射声信号，同一条拖缆上的发射水鸟设置相同的发射频率，不同拖缆上的发射水鸟设置不同的声信号发射频率；

(2)在接收到指令后，某个接收水鸟收到的某发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号；

(3)判断步骤(2)该接收水鸟收到的该发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号能否在时域上分开；若能够在时域上分开，进行步骤(4)；若在时域上分不开即产生重叠，进行步骤(5)；

所述抗多途干扰阶段步骤如下：

(4)获取步骤(3)该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i；

(5)采用抗多途干扰方法，获取步骤(3)该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i；

所述步骤(2)中在接收到指令后，得到某个接收水鸟收到的某发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号，步骤如下：

在接收到指令后，将每根拖缆分成N阶，每阶拖缆的第一个水鸟为发射水鸟，每阶其余水鸟为接收水鸟；对某一阶拖缆进行定位时，除这一阶的发射水鸟、接收水鸟开始工作外，拖缆的其它阶所有发射水鸟和接收水鸟关闭，即所有拖缆的第一阶中的发射水鸟先发射声信号，所有拖缆的第一阶中的接收水鸟接收声信号，然后所有拖缆的第二阶中的发射水鸟再发射声信号，所有拖缆的第二阶中的接收水鸟接收声信号，以此类推，直至所有拖缆的第N个阶中的发射水鸟发射声信号，所有拖缆的第N阶中的接收水鸟接收声信号；将该接收水鸟收到的声信号脉冲以该发射水鸟发射的声信号的发射频率为中心频率，进行窄带滤波后再放大，得到该发射频率的时域脉冲信号，这些发射频率的时域脉冲信号包括该发射水鸟直接到达该接收水鸟的直达信号和发射水鸟未直接到达该接收水鸟的多途信号；遍历所有接收水鸟，得到每一阶拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号。

所述步骤(3)判断步骤(2)各个接收水鸟收到的每个发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号能否在时域上分开，步骤如下；

若某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号能够在时域上分开，进行步骤(4)；若某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号在时域上重叠进行步骤(5)；若发射的时域脉冲信号的脉宽为0.5ms，接收水鸟在距离海平面6.5米以内，或者发射的时域脉冲信号的脉宽为1ms，接收水鸟在距离海平面9米以内，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上重叠；若发射的时域脉冲信号的脉宽为0.5ms，接收水鸟在距离海平面6.5米之上，或者发射的时域脉冲信号的脉宽为1ms，接收水鸟在距离海平面9米之上，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上能分开。

所述步骤(4)中，获取步骤(3)该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i，步骤如下：

设定搜索窗的时间宽度，搜索窗的宽度小于该接收水鸟收到的某频率发射信号的脉冲宽度，对该接收水鸟收到的时域脉冲信号进行采样，将该接收水鸟收到的时域脉冲信号的所有采样点的信号幅度进行统计平均，得到平均幅度，将每个采样点的信号幅度与该平均幅度做比，得到每个采样点的幅度比；以该搜索窗的时间宽度为单位宽度在滤波放大后的时域脉冲信号上进行循环搜索，在每个搜索窗的时间宽度内找到幅度比最大的采样点，然后将每个搜索窗的时间宽度内找到幅度比最大的采样点按照幅度比的值从大到小进行排列，取幅度比最大的采样点作为直达信号，则该幅度比最大的采样点的采样时间即为该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i；遍历所有接收水鸟和发射水鸟，能够得到各个接收水鸟接收到的各个发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i。

所述步骤(5)采用抗多途干扰方法，获取接收水鸟接收到的某发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i，步骤如下：

设定搜索窗的时间宽度为步骤(4)的搜索窗的时间宽度的一半，设置幅度上限和幅度下限，对该接收水鸟收到的时域脉冲信号进行采样，以该搜索窗的时间宽度为单位宽度在滤波放大后的时域脉冲信号上进行循环搜索，对每个搜索窗的时间宽度内的所有采样点的脉冲幅度进行判断，若某采样点脉冲幅度大于幅度上限，判定该采样点信号幅度大于幅度上限的信号是接收的脉冲信号，然后以幅度大于幅度上限的该采样点为起点对时域脉冲宽度进行计数，计数时间为发射脉冲宽度的一半，第一次出现信号幅度大于幅度上限的采样点，则直接将该采样点接收的脉冲信号判定为有效脉冲，即直达信号；若某采样点的脉冲幅度小于幅度上限，则将该采样点的脉冲幅度再与设定的幅度下限比较，若该接收的采样点的脉冲幅度大于幅度下限则暂时保存该采样点接收的脉冲信号，然后判断该采样点接收的脉冲信号的发射脉冲宽度的另一半内是否有同样幅度的脉冲出现，有同样的幅度脉冲出现则认为暂存的脉冲是有效脉冲，将此有效脉冲判定为直达信号，则该直达信号的采样时间即为该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i；遍历所有接收水鸟和发射水鸟，能够得到各个接收水鸟接收到的各个发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i。

所述发射声信号的脉冲宽度0.5ms～1ms，直达信号、多途信号脉冲宽度0.5～1ms。

所述设定的搜索窗的时间宽度为发射信号脉冲宽度的0.5～1倍之间。

所述步骤(5)幅度上限为发射信号幅度的1/50，幅度下限为发射信号幅度的1/150。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的方法简单，原理清楚，能够满足拖缆系统实时性的要求。

(2)本发明采用多频实时数据获取模型，所有水鸟可以同时工作，提高拖缆系统的工作效率。

(3)本发明采用抗多途干扰方案，避免漏报直达信号。

(4)本发明采用全局解算算法，缩短定位解算时间，提高定位解算的。精度。

附图说明

图1(a)为水下多缆声学网络定位系统的两种组网方式1示意图，(b)为水下多缆声学网络定位系统的两种组网方式2示意图；

图2为本发明抗多途干扰方案流程图；

图3为逐步解算方案示意图；

图4为本发明全局解算方案示意图；

图5为本发明长基线水声定位模型示意图；

图6为本发明简单构造的水下多缆声学网络定位系统示意图；

图7为本发明算例各水鸟布放距离示意图；

图8的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为本发明6个接收水鸟收到的仿真拟合脉冲信号示意图；

图9(a)为本发明X坐标定位结果绝对误差示意图，(b)为本发明Y坐标定位结果绝对误差示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，

海上拖缆系统一般由3～4条拖缆组成，拖缆之间平行布放。对多缆的声学网络定位系统主要由发射水鸟和接收水鸟组成，每条拖缆的组成一样，其组网方式主要有两种，若拖缆较短(每根拖缆小于等于1km)，可在拖缆前端和末端放置发射水鸟(即声学鸟)，中间放置接收水鸟(即水平鸟)，如图1(a)所示；若拖缆较长(每根拖缆大于1km)，由于高频声信号衰减较大，发射水鸟只在前端和末端布放会导致中间的接收水鸟接收不到信号，一般采取发射、接收水鸟间隔布放的原则，如图1(b)所示，发射水鸟为实心圆，接收水鸟为空心圆，水鸟之间通过拖缆内的连接电缆传递数据，根据高频声信号的衰减大小，一般将水鸟的间距定为50米～100米。本发明所述多频实时数据获取方案中所有发射水鸟和接收水鸟可以同时进行工作，大大提高了拖缆系统的效率，缩短了定位解算的时间，提高了声学网络定位系统的抗多途干扰效果，采用全局解算算法减小了定位误差。

本发明优选的方案为：一种水下多缆声学网络定位方法，包括确定水下多缆声学网络定位系统的组网方式阶段、多频实时数据获取阶段、抗多途干扰阶段和全局解算求解所有水鸟的位置信息阶段；

所述确定水下多缆声学网络定位系统的组网方式阶段步骤如下：

(1)确定海上拖缆系统中拖缆数量和每条拖缆上的发射水鸟和接收水鸟的数量，确定每条拖缆的长度，若每条拖缆的长度小于等于1km，则进行步骤(2)，若每条拖缆的长度大于1km，则进行步骤(3)；所述发射水鸟能够发射声信号，接收水鸟能够接收声信号；设每条拖缆上有N个发射水鸟和M个接收水鸟，为同一条拖缆上的发射水鸟设置相同的发射频率，为不同拖缆上的发射水鸟设置不同的声信号发射频率；

(2)在接收到指令后，向每条拖缆的发射水鸟和接收水鸟发出统一的启动脉冲，使每条拖缆的各个发射水鸟和接收水鸟启动，在接收到启动脉冲信号后，发射水鸟和接收水鸟开始工作，每条拖缆的发射水鸟同时工作，发出不同发射频率的声信号，接收水鸟接收声信号；要确定某一拖缆某个接收水鸟与某发射水鸟之间的相对距离时，将该接收水鸟收到的声信号脉冲以该发射水鸟发射的声信号的发射频率为中心频率，带宽1kHz进行滤波后再放大，得到发射频率的时域脉冲信号，这些发射频率的时域脉冲信号包括该发射水鸟直接到达该接收水鸟的直达信号和发射水鸟未直接到达该接收水鸟的多途信号；遍历所有接收水鸟，得到拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号；

所述多频实时数据获取阶段步骤如下：

(3)将每根拖缆分成N阶，每阶拖缆的第一个水鸟为发射水鸟，每阶其余水鸟为接收水鸟；对某一阶拖缆进行定位时，除这一阶的发射水鸟、接收水鸟开始工作外，拖缆的其它阶所有发射水鸟和接收水鸟关闭，即所有拖缆的第一阶中的发射水鸟先发射声信号，所有拖缆的第一阶中的接收水鸟接收声信号，然后所有拖缆的第二阶中的发射水鸟再发射声信号，所有拖缆的第二阶中的接收水鸟接收声信号，以此类推，直至所有拖缆的第N个阶中的发射水鸟发射声信号，所有拖缆的第N阶中的接收水鸟接收声信号；要确定某一拖缆某个接收水鸟与发射水鸟之间的相对距离时，将该接收水鸟收到的声信号脉冲以该发射水鸟发射的声信号的发射频率为中心频率，带宽1kHz进行滤波后再放大，得到发射频率的时域脉冲信号，这些发射频率的时域脉冲信号包括该发射水鸟直接到达该接收水鸟的直达信号和发射水鸟未直接到达该接收水鸟的多途信号；遍历所有接收水鸟，得到每一阶拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号；

(4)对步骤(2)拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号和步骤(3)得到的每一阶拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号的时域进行判断，即若某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号能够在时域上分开，进行步骤(5)；若接收水鸟在距离海平面6.5米以内(发射的时域脉冲信号脉宽为0.5ms时)或者接收水鸟在距离海平面9米(发射的时域脉冲信号脉宽为1ms时)以内，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上重叠；接收水鸟在距离海平面6.5米之上(发射的时域脉冲信号脉宽为0.5ms时)或者接收水鸟在距离海平面9米之上(发射的时域脉冲信号脉宽为1ms时)，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上能分开。

所述抗多途干扰阶段步骤如下：

(5)设定搜索窗的时间宽度，搜索窗的宽度小于某接收水鸟收到的时域脉冲信号的时长，对接收水鸟收到的时域脉冲信号进行采样，将某接收水鸟收到的时域脉冲信号的所有采样点的信号幅度进行统计平均，得到平均幅度，将每个采样点的信号幅度与该平均幅度做比，得到每个采样点的幅度比；以该搜索窗的时间宽度为单位宽度在滤波放大后的时域脉冲信号上进行循环搜索，在每个搜索窗的时间宽度内找到幅度比最大的采样点，然后将每个搜索窗的时间宽度内找到幅度比最大的采样点按照幅度比的值从大到小进行排列，取幅度比做大的采样点作为直达信号，则该幅度比做大的采样点的采样时间即为该接收水鸟接收到的某发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i，将该直达时间t_i乘以声速c得到某接收水鸟与某发射水鸟相对距离；遍历所有接收水鸟，得到各个接收水鸟与各个发射水鸟之间的直线距离；

(6)设定搜索窗的时间宽度为步骤(5)的搜索窗的时间宽度的一半，设置幅度上限和幅度下限，对接收水鸟收到的时域脉冲信号进行采样，以该搜索窗的时间宽度为单位宽度在滤波放大后的时域脉冲信号上进行循环搜索，对每个搜索窗的时间宽度内的所有采样点的脉冲幅度进行判断，若某采样点脉冲幅度大于幅度上限，判定该采样点信号幅度大于幅度上限的信号是接收的脉冲信号，然后以幅度大于幅度上限的该采样点为起点对时域脉冲宽度进行计数，计数时间为发射脉冲宽度的一半，第一次出现信号幅度大于幅度上限的采样点，则直接将该采样点接收的脉冲信号判定为有效脉冲，即直达信号；若某采样点的脉冲幅度小于幅度上限，则将该采样点的脉冲幅度再与设定的幅度下限比较，若该接收的采样点的脉冲幅度大于幅度下限则暂时保存该采样点接收的脉冲信号，然后判断该采样点接收的脉冲信号的发射脉冲宽度的另一半内是否有同样幅度的脉冲出现，有同样的幅度脉冲出现则认为暂存的脉冲是有效脉冲，将此有效脉冲判定为直达信号，则该直达信号的采样时间即为该接收水鸟接收到的某发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i，将该直达时间乘以声速c得到某接收水鸟与某发射水鸟相对距离；遍历所有接收水鸟，得到各个接收水鸟与各个发射水鸟之间的直线距离；

所述全局解算求解所有水鸟的位置信息阶段步骤如下：

(7)建立一个三维坐标系O-x,y,z三维正交坐标系，z的正方向垂直海平面向下，x的正方向从拖缆头部指向尾部，y的正方向与x在海平面正交，z符合右手定则，原点O任意设置，设定所有发射水鸟的位置已知，并设第i个发射水鸟的位置坐标为T_i(x_i,y_i,z_i)，根据步骤(5)或步骤(6)发射水鸟发出的声信号从发射水鸟直接到达接收水鸟的时间为t_i，设接收水鸟的位置坐标为(x,y,z),发射水鸟和接收水鸟之间的距离R_io为：

令，z＝h，z_i＝h_i，ΔH_i＝h-h_i，发射水鸟的深度h_i和接收水鸟的深度h分别通过安装在发射水鸟和接收水鸟的压力传感器直接获得；

将公式(1)表示为：

式中，N为大于等于3的整数；

将式(2)化简得到：x²+y²-2x_ix-2y_iy＝(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)² (3)

令(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)²＝Δ_i，

将i＝1,...,N代入方程(3)得到N个方程，联立N个方程解算出接收水鸟的位置(x,y),再根据z＝h,得到接收水鸟的三维位置坐标(x,y，z)；遍历所有接收水鸟，得到各接收水鸟相对于各发射水鸟的三维坐标。

根据上述海上拖缆的特点，本发明更优选的一种水下多缆声学网络定位方法，步骤如下：

(1)第一步是确定水下多缆声学网络定位系统的组网方式。

首先确定海上拖缆系统中拖缆数量和每条拖缆上的发射水鸟和接收水鸟的数量，即一共有多少条拖缆，每条上面有多少个发射水鸟和多少个接收水鸟，然后确定每条拖缆的长度，若每条拖缆的长度小于等于1km，则进行步骤(2)，若每条拖缆的长度大于1km，则进行步骤(3)；所述发射水鸟能够发射声信号，接收水鸟能够接收声信号；设每条拖缆上有N个发射水鸟和M个接收水鸟，为同一条拖缆上的发射水鸟设置相同的发射频率，为不同拖缆上的发射水鸟设置不同的声信号发射频率；

(2)在接收到指令后，向每条拖缆的发射水鸟和接收水鸟发出统一的启动脉冲，使每条拖缆的各个发射水鸟和接收水鸟启动，在接收到启动脉冲信号后，发射水鸟和接收水鸟开始工作，每条拖缆的发射水鸟同时工作，发出不同发射频率的声信号，接收水鸟接收声信号；要确定某一拖缆某个接收水鸟与某发射水鸟之间的相对距离时，将该接收水鸟收到的声信号脉冲以该发射水鸟发射的声信号的发射频率为中心频率，带宽1kHz进行滤波后再放大，得到发射频率的时域脉冲信号，这些发射频率的时域脉冲信号包括该发射水鸟直接到达该接收水鸟的直达信号和发射水鸟未直接到达该接收水鸟的多途信号；遍历所有接收水鸟，得到拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号；假设拖缆网络中每条拖缆有N个发射水鸟和M个接收水鸟，在作业过程中，主机软件发出定位测量指令，接收到指令后确定处于网络内各个水鸟的收发任务和顺序，将指令发送到相应的水鸟中，待各个水鸟完成准备工作后，发送一个统一的启动脉冲，各水鸟在接收到发射启动脉冲信号后，开始各自的工作，即当拖缆较短时(每条拖缆长度小于1km)，每条拖缆前端和末端的发射水鸟同时工作，中间的接收水鸟接收声信号并定位；当拖缆较长时(每条拖缆长度小于1km)，将每根拖缆分成N阶，每阶拖缆的第一个水鸟为发射水鸟，其余为接收水鸟；某一阶拖缆进行定位时，除这一阶开启发射水鸟、接收水鸟外，拖缆的其它阶所有水鸟关闭，即第一阶中的发射水鸟先发射，第一阶中的接收水鸟接收声信号并定位，然后第二阶中的发射水鸟再发射，第二阶中的接收水鸟接收声信号并定位，以此类推，直至第N个阶中的发射水鸟发射，第N阶中的接收水鸟接收声信号并定位，完成整根拖缆的定位；

设定每根拖缆上的N个发射水鸟发射N个不同频率的声信号，M个接收水鸟收到的脉冲信号中包括了N个发射水鸟的直达信号和海面反射的多途信号。当需要获取第i个接收水鸟与第j个发射水鸟的相对距离时(j＝1.2…M,M为大于等于N的整数)，只需以第j个发射水鸟相对应的频率对第i个接收水鸟接收到的时域信号进行滤波并放大该频率信号，经过滤波及放大处理后的脉冲信号中只包含第j个发射水鸟的直达信号和相应的多途信号。由于先进行滤波，只保留同一频率的信号，再将这一频率的信号放大，由于不同频率与发射水鸟已经一一对应了，所以可以确定该脉冲信号是哪一个发射水鸟发射的)

(3)将每根拖缆分成N阶，每阶拖缆的第一个水鸟为发射水鸟，每阶其余水鸟为接收水鸟；对某一阶拖缆进行定位时，除这一阶的发射水鸟、接收水鸟开始工作外，拖缆的其它阶所有发射水鸟和接收水鸟关闭，即所有拖缆的第一阶中的发射水鸟先发射声信号，所有拖缆的第一阶中的接收水鸟接收声信号，然后所有拖缆的第二阶中的发射水鸟再发射声信号，所有拖缆的第二阶中的接收水鸟接收声信号，以此类推，直至所有拖缆的第N个阶中的发射水鸟发射声信号，所有拖缆的第N阶中的接收水鸟接收声信号；要确定某一拖缆某个接收水鸟与发射水鸟之间的相对距离时，将该接收水鸟收到的声信号脉冲以该发射水鸟发射的声信号的发射频率为中心频率，带宽1kHz进行滤波后再放大，得到发射频率的时域脉冲信号，这些发射频率的时域脉冲信号包括该发射水鸟直接到达该接收水鸟的直达信号和发射水鸟未直接到达该接收水鸟的多途信号；遍历所有接收水鸟，得到每一阶拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号；

(4)对步骤(2)拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号和步骤(3)得到的每一阶拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号的时域进行判断，即若某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号能够在时域上分开，进行步骤(5)；若某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号在时域上重叠进行步骤(6)；接收水鸟在距离海平面1.5米以内，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上重叠；接收水鸟在距离海平面1.5米之上，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上能分开；(直达信号、多途信号脉冲宽度0.5～1ms，接收的直达信号、多途信号如果传播距离差小于1.5米，可定义为时域上重叠；)

由于直达波与海面反射波信号在时域上存在分离和相互叠加两种情况。对于直达信号和海面反射多途信号的判别，首先通过搜索窗确定接收到的脉冲信号内所有峰值及其产生的时间，根据峰值数量及其产生的时间，并结合接收水鸟与海面的距离来区分直达信号、多途信号，及二者是否叠加。若直达波和海面反射波的声程差较大，二者在时域上可以分开，设定搜索窗的宽度略小于发射脉宽(因为若是出现直达信号与多途信号虽然相距较近，但并没有重叠这种情况，搜索窗太宽则不能有效区分两种信号)，并以该宽度为单位在处理后的时域脉冲信号上进行循环，按照搜索窗内最大幅度与平均幅度之比是否满足指定阈值为条件，找出该脉冲信号内所有峰值及其产生的时间，最后再根据直达声的声程最小、且幅度最大的原则，确定时间靠前且能量最大的峰值是直达信号，时间靠后且能量较小的峰值是多途信号，以此获得直达信号的产生时间t_i，结合声速即可计算出与指定发射水鸟的相对距离R_io。(说明：三维情况下仍是两点之间直线最短，直达声信号传播时间一定小于经过海面反射的声信号传播时间，若是接收水鸟离海面很近，则会出现直达信号与多途信号重叠)

若直达信号与多途信号在时域上重叠，则采用如下抗多途干扰的方案进行处理。

(5)设定搜索窗的时间宽度(若接收的时域脉冲时长为10s,优选搜索窗的时间宽度略小于10s)，搜索窗的宽度小于某接收水鸟收到的时域脉冲信号的时长，对接收水鸟收到的时域脉冲信号进行采样，将某接收水鸟收到的时域脉冲信号的所有采样点的信号幅度进行统计平均，得到平均幅度，将每个采样点的信号幅度与该平均幅度做比，得到每个采样点的幅度比；以该搜索窗的时间宽度为单位宽度在滤波放大后的时域脉冲信号上进行循环搜索，在每个搜索窗的时间宽度内找到幅度比最大的采样点，然后将每个搜索窗的时间宽度内找到幅度比最大的采样点按照幅度比的值从大到小进行排列，取幅度比做大的采样点作为直达信号，则该幅度比做大的采样点的采样时间即为该接收水鸟接收到的某发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i，将该直达时间t_i乘以声速c得到某接收水鸟与某发射水鸟相对距离；遍历所有接收水鸟，得到各个接收水鸟与各个发射水鸟之间的直线距离；

(6)设定搜索窗的时间宽度为步骤(5)的搜索窗的时间宽度的一半(搜索窗减半，若接收的时域脉冲时长为10s,优选1ms-5ms先搜索一次，5ms-10ms再搜索依次，以覆盖整个接收的时域脉冲时长)，设置幅度上限和幅度下限，对接收水鸟收到的时域脉冲信号进行采样，以该搜索窗的时间宽度为单位宽度在滤波放大后的时域脉冲信号上进行循环搜索，对每个搜索窗的时间宽度内的所有采样点的脉冲幅度进行判断，若某采样点脉冲幅度大于幅度上限，判定该采样点信号幅度大于幅度上限的信号是接收的脉冲信号，然后以幅度大于幅度上限的该采样点为起点对时域脉冲宽度进行计数，计数时间为发射脉冲宽度的一半，第一次出现信号幅度大于幅度上限的采样点，则直接将该采样点接收的脉冲信号判定为有效脉冲，即直达信号；若某采样点的脉冲幅度小于幅度上限，则将该采样点的脉冲幅度再与设定的幅度下限比较，若该接收的采样点的脉冲幅度大于幅度下限则暂时保存该采样点接收的脉冲信号，然后判断该采样点接收的脉冲信号的发射脉冲宽度的另一半内是否有同样幅度的脉冲出现，有同样的幅度脉冲出现则认为暂存的脉冲是有效脉冲，将此有效脉冲判定为直达信号，则该直达信号的采样时间即为该接收水鸟接收到的某发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i，将该直达时间乘以声速c得到某接收水鸟与某发射水鸟相对距离；遍历所有接收水鸟，得到各个接收水鸟与各个发射水鸟之间的直线距离；

抗多途干扰方案是数据获取之后、定位解算之前进行的最重要的信号处理过程。由于拖缆布放的深度较浅，声传播过程中海面反射声对定位系统解算的影响明显，水面多途干扰是水声定位误差最重要的来源，需要采取有效的方法去除水面多途干扰。当声源与接收点水平距离较远时，直达声与反射声信号会叠加产生相消干涉，为此设计抗水面多途干扰方案，以避免漏报直达声。

抗多途干扰方案如图2所示，主要利用逻辑判决结合窄带包络幅度检波和鉴宽器检波方法进行联合检测。首先求取通过窄带滤波器后输出信号的包络，设置一定大小的幅度门限进行包络检波，判断包络信号序列的幅度是否大于幅度门限。若某时刻包络幅度大于幅度门限，认为是接收的脉冲信号。其次，以此时刻为起点，利用鉴宽器对脉冲的宽度进行计数。鉴宽器的宽度门限设为大小两种，大的门限依据发射信号的脉冲宽度而定，设定为略小于发射信号的脉冲宽度；小的门限依据叠加信号时延差的规律而定，即根据两个信号相消干涉的规律再结合实践经验来确定，这里选择为期望的时延估计误差，如发射信号脉冲宽度的一半等。判决时，首先宽度计数器与大宽度门限比，大于大宽度门限则直接判为有效脉冲；小于则再与小宽度门限比较，若大于小宽度门限就暂时保存脉冲信息，然后判断其前后等于或略大于一个脉冲宽度的时间间隔内是否有类似的脉冲出现，有则认为暂存的脉冲是有效脉冲。最后，结合这两个脉冲信息来判断、修正直达脉冲信息，以提高测距的精度。当直达声和多途干扰叠加产生相消干涉时，通过以上逻辑判断出相消干涉后的直达声脉冲和多途干扰脉冲，这两个经过相消干涉后的脉冲前沿之间的时间差即等于直达波的脉冲宽度。如果二者之间不发生重叠，则直达脉冲信息不需要修正。

最后采用全局解算算法(逐步解算算法和全局解算算法如图3和图4所示)。

(7)建立一个三维坐标系O-x,y,z三维正交坐标系，z的正方向垂直海平面向下，x的正方向从拖缆头部指向尾部，y的正方向与x在海平面正交，z符合右手定则，原点O任意设置，设定所有发射水鸟的位置已知，并设第i个发射水鸟的位置坐标为T_i(x_i,y_i,z_i)，根据步骤(5)或步骤(6)发射水鸟发出的声信号从发射水鸟直接到达接收水鸟的时间为t_i，设接收水鸟的位置坐标为(x,y,z),发射水鸟和接收水鸟之间的距离R_io为：

令，z＝h，z_i＝h_i，ΔH_i＝h-h_i，发射水鸟的深度h_i和接收水鸟的深度h分别通过安装在发射水鸟和接收水鸟的压力传感器直接获得；

将公式(1)表示为：

式中，N为大于等于3的整数；

将式(2)化简得到：x²+y²-2x_ix-2y_iy＝(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)² (3)

令(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)²＝Δ_i，

将i＝1,...,N代入方程(3)得到N个方程，联立N个方程解算出接收水鸟的位置(x,y),再根据z＝h,得到接收水鸟的三维位置坐标(x,y，z)；遍历所有接收水鸟，得到各接收水鸟相对于各发射水鸟的三维坐标。

全局解算算法是在所有距离数据获取之后进行的，通过长基线水声定位技术建立位置解算的系统方程。长基线水声定位数学模型如图5所示。发射阵元T_i(x_i,y_i,z_i)的位置已知，从发射阵元到达接收阵元O的时间为t_i，两阵元之间的距离

由于水下多缆定位系统中的阵元深度信息是通过压力传感器直接获得的，可以视为接收阵元坐标中的一维信息已知(即深度z＝h)，同样发射阵元坐标中的深度信息也可以通过相同方法获得(即深度z_i＝h_i)，但是接收的深度与发射阵元的深度不同，这时的声学定位数学模型为准三维的。

令ΔH_i＝h-h_i，则公式(1)可以表示为

进一步化简可以表示为

x²+y²-2x_ix-2y_iy＝(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)²＝Δv_i，i＝1,...,N (3)

将上面的二次方程线性化求解，消去二次项，得到

Ax＝b (4)

其中，A为(N-1)×2的矩阵。对于该线性方程，通过迭代最小二乘方法求解得到所有位置信息的最优化解；

最后经电子罗经验证水声定位的纵向位置，电子罗经类似于指南针，是一种方位指示设备，安装在每个发射水鸟和接收水鸟上，用于辅助定位，当声学定位结束后，参考这种罗经设备可以验证定位结果，提高定位精度。最终的目的是根据N个已知的T_i(x_i,y_i,z_i)求取M个未知的(x、y)，h是深度信息，是由每个水鸟上的压力传感器直接获得的，是已知量。

本发明克服了由于GPS等传感器、声学测距均存在误差的问题，克服了每一次定位解算都会产生一定的误差，导致根据逐步解算方案求解得到的位置误差会传递到下一步，误差会逐渐积累，随着解算的进行误差越来越大；本发明的全局解算方案中位置的求解是在距离数据测量后进行的，得到的是全局最优解，其定位解算产生的误差总体上是一致的，误差不会累积，所以定位结果更精确。

优选的实施例为：一种水下多缆声学网络定位方法，步骤如下：

第一步是确定水下多缆声学网络定位系统的组网方式。

为了简化分析过程，首先构造一个简单的水下多缆声学网络定位系统，其由3个发射水鸟和6个接收水鸟组成的，如图6所示。空心圆为发射水鸟，编号分别为1、2、3号；实心圆为接收水鸟，编号分别为1、2、3、4、5、6号，每个发射水鸟采用不同的频率发射,这里假设1号发射水鸟的发射频率为25kHz，2号发射水鸟的发射频率为30kHz，3号发射水鸟的发射频率为35kHz。

第二步是设计了一种多频实时数据获取模型。

假设仅考虑一次海面多途反射，当三个发射水鸟同时工作时，每个接收水鸟将收到三个直达信号和三个海面多途信号，总共六个峰值。假如现在需要获取3号接收水鸟与2号发射水鸟的相对距离，只需将3号接收水鸟收到的脉冲信号按照中心频率30kHz(2号发射水鸟的发射频率)，带宽1kHz进行滤波并放大该频率信号分量，经过处理后的脉冲信号中就只剩下30kHz频率的直达信号和对应的多途信号。

若直达信号与多途信号能够在时域上分开，接下来确定搜索窗的宽度，并以该宽度为单位在滤波后的时域脉冲信号上进行循环，按照搜索窗内最大幅度与平均幅度之比是否满足指定阈值为条件，找出该脉冲信号内的两个峰值(一个是直达信号，另一个是多途信号)，最后再根据两点间直线最短的原则，多途信号的传播距离大于直达信号的传播距离，相应其衰减也会更大，所以产生时间靠前且幅度较大的峰值是直达信号，产生时间靠后且幅度较小的峰值是多途信号，以此确定直达信号的产生时间，结合声速即可计算出3号接收水鸟与2号发射水鸟相对距离。若直达信号与多途信号在时域上重叠，则采用第三步中的抗多途干扰方案进行处理。

第三步是设计了抗多途干扰的方案。

利用图2中设计的抗多途干扰方案，对各个水鸟接收到的直达波和海面反射波干扰信号反生叠加的情况进行处理，首先，设置一幅度门限对通过窄带滤波器后输出信号的包络进行检波，若某时刻包络幅度大于幅度门限，认为是接收的脉冲信号。其次，以此时刻为起点对脉冲宽度进行计数，若其大于大宽度门限，则直接判为有效脉冲；小于则再与小宽度门限比较，若大于小宽度门限就暂时保存脉冲信息，然后判断其前后一个发射信号脉宽内是否有类似的脉冲出现，有则认为暂存的脉冲是有效脉冲。最后，利用第二步中的方法，判断直达波信号及其到达时刻。

第四步是采用全局解算方案求解所有水鸟的位置信息。

对于本例，共有三个发射水鸟，将前面推导的公式(3)中的N设为3，公式(3)变为：

将(5)式中的x²+y²消去，可求得：

根据公式(6)、(7)，即可对各接收水鸟进行定位。

说明：1、深度h是由每个水鸟上的压力传感器直接获得的，是已知量。

对各接收水鸟进行定位后，通过电子罗经进行验证，目的主要还是验证定位结果。

若各水鸟之间的布放距离如图7所示，仿真拟合的各接收水鸟接收的脉冲信号如图8(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示，横轴为各接收水鸟接收的脉冲的时间宽度，纵轴为接收水鸟接收到的脉冲信号幅度，可以看出幅度最大的最先到达的为直达信号，定位绝对误差如图9(a)、(b)所示，横坐标为接收水鸟的标号，1.000表示一号接收水鸟，6.000表示二号接收水鸟，以此类推，图9(a)纵坐标表示X轴误差，图9(b)纵坐标表示Y轴误差,从中可以看到，发射水鸟和接收水鸟的距离约为35米～145米，定位的最大绝对误差为0.467米，平均相对误差小于1％。

Claims (8)

1.一种应用于海洋物探获取发射水鸟声信号直达时间的方法，其特征在于步骤如下

所述确定海上拖缆系统的组网方式阶段步骤如下：

(1)发射水鸟发射声信号，同一条拖缆上的发射水鸟设置相同的发射频率，不同拖缆上的发射水鸟设置不同的声信号发射频率；

(2)在接收到指令后，某个接收水鸟收到的某发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号；

(3)判断步骤(2)该接收水鸟收到的该发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号能否在时域上分开；若能够在时域上分开，进行步骤(4)；若在时域上分不开即产生重叠，进行步骤(5)；

所述抗多途干扰阶段步骤如下：

(4)获取步骤(3)该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i；

(5)采用抗多途干扰方法，获取步骤(3)该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i；

2.根据权利要求1所述的一种应用于海洋物探获取发射水鸟声信号直达时间的方法，其特征在于：所述步骤(2)中在接收到指令后，得到某个接收水鸟收到的某发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号，步骤如下：

在接收到指令后，将每根拖缆分成N阶，每阶拖缆的第一个水鸟为发射水鸟，每阶其余水鸟为接收水鸟；对某一阶拖缆进行定位时，除这一阶的发射水鸟、接收水鸟开始工作外，拖缆的其它阶所有发射水鸟和接收水鸟关闭，即所有拖缆的第一阶中的发射水鸟先发射声信号，所有拖缆的第一阶中的接收水鸟接收声信号，然后所有拖缆的第二阶中的发射水鸟再发射声信号，所有拖缆的第二阶中的接收水鸟接收声信号，以此类推，直至所有拖缆的第N个阶中的发射水鸟发射声信号，所有拖缆的第N阶中的接收水鸟接收声信号；将该接收水鸟收到的声信号脉冲以该发射水鸟发射的声信号的发射频率为中心频率，进行窄带滤波后再放大，得到该发射频率的时域脉冲信号，这些发射频率的时域脉冲信号包括该发射水鸟直接到达该接收水鸟的直达信号和发射水鸟未直接到达该接收水鸟的多途信号；遍历所有接收水鸟，得到每一阶拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的一种应用于海洋物探获取发射水鸟声信号直达时间的方法，其特征在于：所述步骤(3)判断步骤(2)各个接收水鸟收到的每个发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号能否在时域上分开，步骤如下；

若某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号能够在时域上分开，进行步骤(4)；若某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号在时域上重叠进行步骤(5)；若发射的时域脉冲信号的脉宽为0.5ms，接收水鸟在距离海平面6.5米以内，或者发射的时域脉冲信号的脉宽为1ms，接收水鸟在距离海平面9米以内，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上重叠；若发射的时域脉冲信号的脉宽为0.5ms，接收水鸟在距离海平面6.5米之上，或者发射的时域脉冲信号的脉宽为1ms，接收水鸟在距离海平面9米之上，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上能分开。

4.根据权利要求1所述的一种应用于海洋物探获取发射水鸟声信号直达时间的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，获取步骤(3)该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i，步骤如下：

设定搜索窗的时间宽度，搜索窗的宽度小于该接收水鸟收到的某频率发射信号的脉冲宽度，对该接收水鸟收到的时域脉冲信号进行采样，将该接收水鸟收到的时域脉冲信号的所有采样点的信号幅度进行统计平均，得到平均幅度，将每个采样点的信号幅度与该平均幅度做比，得到每个采样点的幅度比；以该搜索窗的时间宽度为单位宽度在滤波放大后的时域脉冲信号上进行循环搜索，在每个搜索窗的时间宽度内找到幅度比最大的采样点，然后将每个搜索窗的时间宽度内找到幅度比最大的采样点按照幅度比的值从大到小进行排列，取幅度比最大的采样点作为直达信号，则该幅度比最大的采样点的采样时间即为该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i；遍历所有接收水鸟和发射水鸟，能够得到各个接收水鸟接收到的各个发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i。

5.根据权利要求1所述的一种应用于海洋物探获取发射水鸟声信号直达时间的方法，其特征在于：所述步骤(5)采用抗多途干扰方法，获取接收水鸟接收到的某发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i，步骤如下：

设定搜索窗的时间宽度为步骤(4)的搜索窗的时间宽度的一半，设置幅度上限和幅度下限，对该接收水鸟收到的时域脉冲信号进行采样，以该搜索窗的时间宽度为单位宽度在滤波放大后的时域脉冲信号上进行循环搜索，对每个搜索窗的时间宽度内的所有采样点的脉冲幅度进行判断，若某采样点脉冲幅度大于幅度上限，判定该采样点信号幅度大于幅度上限的信号是接收的脉冲信号，然后以幅度大于幅度上限的该采样点为起点对时域脉冲宽度进行计数，计数时间为发射脉冲宽度的一半，第一次出现信号幅度大于幅度上限的采样点，则直接将该采样点接收的脉冲信号判定为有效脉冲，即直达信号；若某采样点的脉冲幅度小于幅度上限，则将该采样点的脉冲幅度再与设定的幅度下限比较，若该接收的采样点的脉冲幅度大于幅度下限则暂时保存该采样点接收的脉冲信号，然后判断该采样点接收的脉冲信号的发射脉冲宽度的另一半内是否有同样幅度的脉冲出现，有同样的幅度脉冲出现则认为暂存的脉冲是有效脉冲，将此有效脉冲判定为直达信号，则该直达信号的采样时间即为该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i；遍历所有接收水鸟和发射水鸟，能够得到各个接收水鸟接收到的各个发射水鸟发射的声信号的直达时间t_i。

6.根据权利要求1所述的一种应用于海洋物探获取发射水鸟声信号直达时间的方法，其特征在于：所述发射声信号的脉冲宽度0.5ms～1ms，直达信号、多途信号脉冲宽度0.5～1ms。

7.根据权利要求4或5所述的一种应用于海洋物探获取发射水鸟声信号直达时间的方法，其特征在于：所述设定的搜索窗的时间宽度为发射信号脉冲宽度的0.5～1倍之间。

8.根据权利要求6所述的一种应用于海洋物探获取发射水鸟声信号直达时间的方法，其特征在于：所述步骤(5)幅度上限为发射信号幅度的1/50，幅度下限为发射信号幅度的1/150。