CN107990969A - 一种基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法 - Google Patents

一种基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法，该方法包括采集作业海域的声速剖面数据，设定接收点位置并根据声线跟踪法求得声线到达对应接收点深度时的水平位置，判断所述声线的水平位置是否等于所述接收点的水平位置，是则求取此时声线位置的有效声速，构成密集有效声速表；基于梯度对密集有效声速表进行稀疏采样，对稀疏后的有效声速表进行多项式拟合重构，并求均方差值；判断所述均方差值是否小于或等于门限值，是则将所述稀疏后的有效声速表作为最终有效声速表。本发明的有效声速表构造方法在应用于声速定位时，能获取精度较高的定位，具有精度高、数据量少的优点，减轻了硬件系统的负担，能适用于对定位实时性要求高的系统。

Description

一种基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法
技术领域
本发明涉及水声传播及水声定位技术领域，更具体地说，涉及一种基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法。
背景技术
海水是非均匀介质，海水中的声速随温度、盐度和深度的变化而变化，从而导致声波在海水中传播的路径发生弯曲。因此，需要一种声线修正方法，消除声线弯曲对水声定位系统的影响。目前，比较常用的声线修正方法主要有三种，分为为声线跟踪法，等效声速剖面法和有效声速法。声线跟踪方法为了精确逼近实际声线轨迹，采用分层介质模型模拟水下声速分布，把复杂的声速垂直分布近似由多层恒梯度声速构成，即用每个分层为等梯度的声速分布替代连续变化的声速分布，每层用一段圆弧来逼近实际声线轨迹。声线跟踪的优势在于能够以极高的精度逼近实际声线轨迹，但是跟踪过程较为繁琐，非常耗时。等效声速剖面法是根据实际的声速剖面，构造一个恒梯度的声速剖面，则声线轨迹便可以近似为一段圆弧。该方法的优势在于简化了声速剖面，提高了计算效率，但是误差较大。
有效声速法重新定义了声线修正模型中的声速，即为两点之间的几何距离与实际声传播时间的比值，从而将传播路径由曲线近似成直线，在实际应用中，根据已知的声速垂直分布，通过声线跟踪方法离线计算得到作业区域所有位置的有效声速，构造一个有效声速表，在目标深度已知的情况下，直接调用表中的有效声速，再结合测得的声传播时间，便可以求得声波的实际传播距离，有效声速表的精度主要取决于水平和垂直方向上步长，若要获得较高的精度，则需要构造数据庞大的有效声速表，虽然可以离线计算得到，但在对定位实时性要求高的系统中，会对硬件系统造成一定的负担，影响系统实时性。。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：采集作业海域的声速剖面数据；
步骤二：初始化参数，所述参数包括声源位置、所述作业海域的采样空间范围、声速采样率以及声源的初始掠射角；
步骤三：设定接收点的深度和水平位置，并对所述声速剖面数据进行分层量化；根据声线跟踪法并结合所述分层量化后的声速剖面数据对所述声源出射的声线进行追踪，求取所述声线的有效声速；
优选地，当所述声线抵达所述接收点的深度时，判断所述声线的水平位置是否等于所述接收点的水平位置，是则求取此时声线位置的有效声速，若所述声线的水平位置不等于所述接收点的水平位置，则改变所述声源的初始掠射角并重新对所述声源出射声线进行追踪；
步骤四：重复所述步骤三，直至求得所述作业海域的采样空间范围内的所有位置的有效声速，并根据所述有效声速构成密集有效声速表；
步骤五：分别求取所述密集有效声速表平均梯度，并根据所述密集声速表的平均梯度变化规律和所述声速采样率对所述密集有效声速表进行稀疏采样，构成稀疏有效声速表；
步骤六：通过多项式拟合重构所述稀疏有效声速表，并求取重构后的稀疏有效声速表与所述密集有效声速表的均方差值；
步骤七：设置所述重构后的稀疏有效声速表与所述密集声速表的门限值，并判断所述均方差值是否小于或等于所述门限值，是则将所述重构后的稀疏有效声速表作为最终有效声速表。
在本发明所述的有效声速表构造方法中，所述声速剖面数据是在作业前通过声速剖面仪测得的。
在本发明所述的有效声速表构造方法中，所述密集有效声速表的平均梯度包括水平方向的平均梯度和垂直方向的平均梯度。
在本发明所述的有效声速表构造方法中，所述步骤三中的声线跟踪法建立在分层假设的前提下，包括在所述作业海域的垂直方向上将海水分为至少两层，假设所述声线在每一层海水中的声速是均匀变化的，并逐层求解所述声线的传播时间和传播距离，最终累加求得所述声线在所述声源和所述接收点之间的传播时间和所述声源和所述接收点的几何距离。
在本发明所述的有效声速表构造方法中，所述有效声速为所述声源和所述接收点的几何距离与所述声线在所述声源和所述接收点之间的传播时间的比值。
在本发明所述的有效声速表构造方法中，所述步骤三中改变所述声源初始掠射角包括采用二分法的思想改变所述声源初始掠射角，每次改变后声源的掠射角是所述声源的初始掠射角的一半。
在本发明所述的有效声速表构造方法中，所述声源采样率还根据作业系统的承受能力决定的，所述作业系统的承受能力包括所述硬件系统的存储空间以及运算速度。
在本发明所述的有效声速表构造方法中，所述步骤五中对所述密集有效声速表进行稀疏采样包括根据所述平均梯度的变化规律将所述密集有效声速表中的有效声速分为至少两段，并调整所述声速采样率以根据不同的声速采样率对所述每一段有效声速进行采样，所述每一段有效声速的声速采样率的比值等于平均梯度的比值，能提高搜索速度。
在本发明所述的有效声速表构造方法中，所述步骤七中的门限值根据作业系统要求的声速精度进行设置，所述门限值小于作业系统要求的最小声速精度。
在本发明所述的有效声速表构造方法中，在所述步骤七中，若所述均方差值大于所述门限值，则调整所述声速采样率并重复所述步骤五和步骤六。
优选地，所述步骤六中的多项式拟合重构所述稀疏有效声速表采用分段拟合的方式，所述多项式的最高次数由实际声速的变化趋势决定。
优选地，所述最终有效声速表只适用于所述作业海域，对于不同的海域需要根据分别测量该海域的声速剖面数据，并重新获得有效声速表。
优选地，对于浅海作业区声速剖面数据会随时间发生变化，若对有效声速的精度要求较高，则需要每隔3-5小时更新一次所述声速剖面数据，若在深海作业区，则可忽略所述声速剖面数据的变化。
实施本发明的基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法，具有以下有益效果：本发明中的有效声速表构造方法具有数据量小、精度高的优点，能应用于高精度、高实时性的水声定位技术中，且在进行声速定位时，能获取精度较高的声速定位，且无需构造数据庞大的有效声速表，减轻了硬件系统的负担，能适用于对定位实时性要求高的系统。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法第一实施例的流程图；
图2是本发明基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法中作业海域的第一实施例的声速剖面图；
图3是本发明基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法中的密集有效声速表；
图4a是本发明基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法中密集有效声速表的水平方向的平均梯度图；
图4b是本发明基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法中密集有效声速表的垂直方向的平均梯度图；
图5是本发明基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法中的稀疏有效声速表。
具体实施方式
如图1所示，在本发明的基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法第一实施例中，包括如下步骤：
步骤一：采集作业海域的声速剖面数据；
可以理解的，在进行作业前，通过声速剖面仪采集作业海域的声速剖面数据，图2为根据该声速剖面数据建立的声速剖面图。
步骤二：初始化参数，该参数包括声源位置、作业海域的采样空间范围、声速采样率以及声源的初始掠射角。
在本实施例中，该声源位置为位于海水面以下10m处，作业海域的采样空间范围包括深度方向范围和水平方向范围，其中该深度方向范围为50m-4km，步长为10m；该水平方向范围为0m-10km，步长为50m。声源的初始掠射角范围为[0:90°]。
步骤三：设定接收点的深度和水平位置，并对声速剖面数据进行分层量化；根据声线跟踪法并结合分层量化后的声速剖面数据对声源出射的声线进行追踪，求取声线的有效声速；当声线抵达接收点的深度时，判断声线的水平位置是否等于接收点的水平位置，是则求取此时声线位置的有效声速，若声线的水平位置不等于接收点的水平位置，则改变声源的初始掠射角并重新对声源出射声线进行追踪。
可以理解的，设接收点位于Pt＝(rt,zt)，由图1的声速剖面图可以得到声速分布函数记为c(z)，声线以θ＝45度的初始掠射角出射，对该声线进行追踪，该声线传播距离以及传播时间的表达式分别为：
其中，
上面(1)(2)(3)式中，θ(z)为深度为z处声线的出射角，z0为声源深度，n为Snell定律系数。
可以理解的，该声线传播距离为声源和接收点的几何距离，声线传播时间为声线在声源和接收点之间的传播时间。该有效声速为声源和接收点的几何距离与声线在声源和所述接收点之间的传播时间的比值。
当z＝zt时，判断r与rt的大小，若r＞rt，则初始掠射角变为度，重新进行搜索，若r＜rt，则初始掠射角变为度，重新进行搜索。直至r＝rt，求得该位置的有效声速，即
步骤四：重复上述步骤三，直至求得该作业海域的采样空间范围内的所有位置的有效声速，并将求得的有效声速构成密集有效声速表。在本实施例中，该密集有效声速表如图3所示。
步骤五：分别求取密集有效声速表平均梯度，并根据密集声速表的平均梯度变化规律和声速采样率对密集有效声速表进行稀疏采样，构成稀疏有效声速表。该密集有效声速表水平方向上的平均梯度变化如图4a所示，该密集有效声速表垂直方向上的平均梯度变化如图4b所示。
在本实施例中，根据平均梯度的变化规律将密集有效声速表中的有效声速分为至少两段，并调整声速采样率以根据不同的声速采样率对每一段有效声速进行采样，每一段有效声速的声速采样率的比值等于平均梯度的比值，即
可以理解的，上式为密集有效声速表中第i段声速的采样率和第j段声速的采样率的比值等于第i段声速的平均梯度和第j段声速的平均梯度的比值。
可以理解的，本实施例包括的声速采样率应符合作业系统需求和硬件承受能力，在作业系统允许的情况下，尽可能的设计更高的采样率。
上述步骤三中的密集有效声速表水平方向上的梯度变化很小，采用均匀采样；垂直方向上根据梯度变化将其分为两段，进行非均匀采样，第一段的平均梯度是第二段的10倍，设计第一段采样30个样本点，第二段采样3个样本点，从而得到稀疏有效声速表，如图5所示。
可以理解的，本实施例在进行密集有效声速表的稀疏化处理时，是基于梯度信息的，但不限于只依赖梯度信息，也可以基于密集有效声速表的其他信息，包括声速大小、梯度的变化率等。
可以理解的，本实施例基于梯度的非均匀采样思想，通过设计密集的搜索范围构造高精度的密集有效声速表，保证任意位置有效声速的精确性，然后根据平均梯度的变化趋势将声速分段，每段以不同的采样率进行采样，采样率的比值等于平均梯度的比值，能获得数据量少且精度高的稀疏有效声速表。
步骤六：通过多项式拟合重构稀疏有效声速表，并求取重构后的稀疏有效声速表与密集有效声速表的均方差值。
步骤七：设置重构后的稀疏有效声速表与密集声速表的门限值，并判断均方差值是否小于或等于门限值，是则将重构后的稀疏有效声速表作为最终有效声速表。
在本实施例中，通过分段三次多项式拟合重构有效声速表，并与密集有效声速表进行比较，二者的均方差值的误差为0.21m/s，满足系统精度要求，从而输出稀疏有效声速表作为最终有效声速表。
可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种基于非均匀稀疏采样的有效声速表构造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：采集作业海域的声速剖面数据；
步骤二：初始化参数，所述参数包括声源位置、所述作业海域的采样空间范围、声速采样率以及声源的初始掠射角；
步骤三：设定接收点的深度和水平位置，并对所述声速剖面数据进行分层量化；根据声线跟踪法并结合所述分层量化后的声速剖面数据对所述声源出射的声线进行追踪，求取所述声线的有效声速；
步骤四：重复所述步骤三，直至求得所述作业海域的采样空间范围内的所有位置的有效声速，并根据所述有效声速构成密集有效声速表；
步骤五：分别求取所述密集有效声速表平均梯度，并根据所述密集声速表的平均梯度变化规律和所述声速采样率对所述密集有效声速表进行稀疏采样，构成稀疏有效声速表；
步骤六：通过多项式拟合重构所述稀疏有效声速表，并求取重构后的稀疏有效声速表与所述密集有效声速表的均方差值；
步骤七：设置所述重构后的稀疏有效声速表与所述密集声速表的门限值，并判断所述均方差值是否小于或等于所述门限值，是则将所述重构后的稀疏有效声速表作为最终有效声速表。
2.根据权利要求1所述的有效声速表构造方法，其特征在于，所述声速剖面数据是在作业前通过声速剖面仪测得的。
3.根据权利要求1所述的有效声速表构造方法，其特征在于，所述密集有效声速表的平均梯度包括水平方向的平均梯度和垂直方向的平均梯度。
4.根据权利要求1所述的有效声速表构造方法，其特征在于，所述步骤三中的声线跟踪法建立在分层假设的前提下，包括在所述作业海域的垂直方向上将海水分为至少两层，假设所述声线在每一层海水中的声速是均匀变化的，并逐层求解所述声线的传播时间和传播距离，最终累加求得所述声线在所述声源和所述接收点之间的传播时间和所述声源和所述接收点的几何距离。
5.根据权利要求1所述的有效声速表构造方法，其特征在于，所述有效声速为所述声源和所述接收点的几何距离与所述声线在所述声源和所述接收点之间的传播时间的比值。
6.根据权利要求1所述的有效声速表构造方法，其特征在于，所述步骤三还包括：当所述声线抵达所述接收点的深度时，判断所述声线的水平位置是否等于所述接收点的水平位置，是则求取此时声线位置的有效声速，若所述声线的水平位置不等于所述接收点的水平位置，则改变所述声源的初始掠射角并重新对所述声源出射声线进行追踪。
7.根据权利要求6所述的有效声速表构造方法，其特征在于，所述步骤三中改变所述声源初始掠射角包括采用二分法的思想改变所述声源初始掠射角，每次改变后声源的掠射角是所述声源的初始掠射角的一半。
8.根据权利要求1所述的有效声速表构造方法，其特征在于，所述声源采样率还根据作业系统的承受能力决定的，所述作业系统的承受能力包括所述作业系统的存储空间以及运算速度。
9.根据权利要求1所述的有效声速表构造方法，其特征在于，所述步骤五中对所述密集有效声速表进行稀疏采样包括根据所述平均梯度的变化规律将所述密集有效声速表中的有效声速分为至少两段，并调整所述声速采样率以根据不同的声速采样率对每一段有效声速进行采样，所述每一段有效声速的声速采样率的比值等于平均梯度的比值。
10.根据权利要求1所述的有效声速表构造方法，其特征在于，在所述步骤七中，若所述均方差值大于所述门限值，则调整所述声速采样率并重复所述步骤五和步骤六；且所述门限值根据作业系统要求的声速精度进行设置，所述门限值小于所述作业系统要求的最小声速精度。
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