CN108267743B - 基于拟合插值的快速迭代水下定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于拟合插值的快速迭代水下定位方法，将拟合插值与传统的二分法融合，在单纯数值计算的基础上加入预测理论，使得算法在保证计算精度的同时，具有更快的收敛速度，适合结合有效声速对水下目标物进行实时性定位的要求，能快速的获得水下目标物的定位位置，满足高精度、高实时性的水声定位技术。

Description

基于拟合插值的快速迭代水下定位方法

技术领域

本发明涉及水声定位技术领域，更具体地说，涉及一种基于拟合插值的快速迭代水下定位方法。

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。因此需要通过声线修正的方法，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是有效声速法。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。

目前解决该问题通常是先通过某些手段将高精度的有效声速表进行稀疏化方法，然后通过搜索算法找到最优的有效声速，但目前现有的方法普遍效率较低或者精度较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于拟合插值的快速迭代水下定位方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于拟合插值的快速迭代水下定位方法，包括以下步骤：

S1、获得水下目标物的深度Z_t，获得声波在所述目标物和作业点之间的单向传播时间t以及作业区域水的有效声速表；

S2、在所述有效声速表中找到对应到深度Z_t的一行向量，设定所述一行向量中任意位置的声速为c_i，其中，c₁≤c_i≤c_n,c₁、c_n分别为所述一行向量中的最小有效声速、最大有效声速，令有效声速的初始迭代值为c_k，且c₁≤c_k≤c_n；

S3、根据声波单向传播时间t和有效声速的初始迭代值c_k，计算所述目标物与所述作业点的水平距离r_k；

S4、根据有效声速表中的数据分布进行拟合插值，得到水下深度为Z_t且距离所述作业点水平距离为r_k的位置对应的有效声速c_k'；

S5、比较c_k和c_k'，若c_k-c_k'＞0，则令c₁＝c_k'，若c_k-c_k'＜0，则令c_n＝c_k'，重复步骤S2至步骤S5，直至c_k和c_k'的差小于设定的门限值，则此时c_k'为所述作业点到所述目标物的有效声速；

S6、根据有效声速、单向传播时间t以及深度Z_t实现水下目标物的定位。

优选地，所述步骤S1中，通过安装在所述目标物上的压力传感器获得所述目标物所处的深度。

优选地，所述步骤S1中，所述单向传播时间t为声波从所述目标物达到作业点的传播时间；

通过水声定位系统获得声波在所述目标物和作业点之间的单向传播时间t；

所述水声定位系统包括水声换能器基阵、应答器，所述水声换能器基阵安装在所述作业点，所述应答器安装在所述目标物上，所述水声换能器基阵发射询问信号，所述应答器在接收到所述询问信号后向所述水声换能器基阵回复应答信号，求得声波的单向传播时间t。

优选地，有效声速的初始迭代值

优选地，所述目标物与所述作业点的水平距离

优选地，所述步骤S4中，通过多项式拟合插值，多项式拟合插值分为拟合和插值两个步骤，多项式拟合时，在距离所述作业点水平距离为r_k对应到水下深度为Z_t的一行向量中的位置的前后各选择至少一个已知点进行拟合，得到多项式系数，再将r_k作为已知量求得对应的有效声速值c_k'。

优选地，所述步骤S4中，采用四次项拟合的方式，即：

c_k'＝ar_k ³+br_k ²+cr_k+d，其中，a、b、c、d为多项式的四个系数；

在距离所述作业点水平距离为r_k对应到水下深度为Z_t的一行向量中的位置的前后各选择两个已知点，然后解由上式组成的方程组，得到四个系数的值，然后将r_k的值带入上述表达式，求得对应的c_k'。

优选地，所述多项式拟合的多项式次数的选择要根据已知点的分布趋势而定。

优选地，其特征在于，有效声速是目标物和作业点的直线距离与声音在目标物和作业点之间的单向传播时间的比值；

所述有效声速表是由作业区域内所有位置的有效声速形成的。

优选地，所述步骤S5中，门限值越大，精度越高，门限值越小，精度越低。

实施本发明的基于拟合插值的快速迭代水下定位方法，具有以下有益效果：将拟合插值与传统的二分法融合，在单纯数值计算的基础上加入预测理论，使得算法在保证计算精度的同时，具有更快的收敛速度，适合结合有效声速对水下目标物进行实时性定位的要求，能快速的获得水下目标物的定位位置，满足高精度、高实时性的水声定位技术。

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是本发明实施例中的基于拟合插值的快速迭代水下定位方法的步骤说明图；

图2是有效声速表的示意图；

图3是目标深度为2000米时二元法和基于拟合插值的快速迭代水下定位方法的迭代速度对比图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明一个优选实施例中的基于拟合插值的快速迭代水下定位方法结合声波在水下传播的有效声速，利用拟合插值等计算，快速的获得水下目标物的定位位置，满足高精度、高实时性的水声定位技术。

由于水的不均匀性，使得声音在水中并不是沿着直线传播，有效声速将传播的直线距离与实际传播时间联系在一起，能够极大的简化声速修正的过程。

有效声速表是通过声线跟踪方法计算得到，该过程可以离线完成，避免声线跟踪计算过程复杂的问题，同时保证了计算的准确性。

声线跟踪法是建立在分层假设的前提下，即在深度方向上将作业区域的水分为很多层，并假设每一层的声速是等梯度的，声传播轨迹是一条圆弧，然后利用数学方法逐层求解传播时间和传播距离，最终累加求得整个传播过程的传播时间和起始点到终点的直线距离。

在一些实施例中，基于拟合插值的快速迭代水下定位方法包括以下步骤：

S1、获得水下目标物的深度Z_t，获得声波在目标物和作业点之间的单向传播时间t以及作业区域水的有效声速表；

S2、在有效声速表中找到对应到深度Z_t的一行向量，设定该一行向量中任意位置的声速为c_i，其中，c₁≤c_i≤c_n,c₁、c_n分别为该一行向量中的最小有效声速、最大有效声速，令有效声速的初始迭代值为

S3、根据声波单向传播时间t和有效声速的初始迭代值c_k，计算目标物与作业点的水平距离

S4、根据有效声速表中的数据分布进行拟合插值，得到水下深度为Z_t且距离作业点水平距离为r_k的位置对应的有效声速c_k'；

S5、比较c_k和c_k'，若c_k-c_k'＞0，则令c₁＝c_k'，若c_k-c_k'＜0，则令c_n＝c_k'，重复步骤S2至步骤S5，直至c_k和c_k'的差小于设定的门限值，则此时c_k'为作业点到目标物的有效声速；

S6、根据有效声速、单向传播时间t以及深度Z_t实现水下目标物的定位。

有效声速是目标物和作业点的直线距离与声音在目标物和作业点之间的单向传播时间的比值，进一步地，有效声速表是由作业区域内所有位置的有效声速形成的，形成深度、水平位置与有效声速的关系表。

本发明将拟合插值与传统的二分法融合，在单纯数值计算的基础上加入预测理论，使得算法在保证计算精度的同时，具有更快的收敛速度，适合结合有效声速对水下目标物进行实时性定位的要求。

优选地，在步骤S1中，通过水声定位系统获得声波在目标物和作业点之间的单向传播时间t。

本实施例中，步骤S1中的单向传播时间t为声波从目标物达到作业点的传播时间。在其他实施例中，单向传播时间t也可为作业点达到目标物的传播时间。

水声定位系统为超短基线水声定位系统，通过测距和测向完成对目标精确方位的确定，声速在两个过程中都是重要的参数。

水声定位系统包括水声换能器基阵、应答器、电源、信号处理器等结构组成，水声换能器基阵安装在作业点，比如，安装在水面作业船的底部，应答器安装在水下待定位的目标物上。水声换能器基阵发射询问信号，应答器在接收到询问信号后向水声换能器基阵回复应答信号，求得声波的单向传播时间t。

进一步地，步骤S1中，通过安装在目标物上的压力传感器获得目标物所处的深度。

在一些实施例中，步骤S4中，通过多项式拟合插值，多项式拟合插值分为拟合和插值两个步骤，多项式拟合时，在距离作业点水平距离为r_k对应到水下深度为Z_t的一行向量中的位置的前后各选择一个或多个已知点进行拟合，得到多项式系数，再将r_k作为已知量求得对应的有效声速值c_k'。

通常，多项式拟合时，在距离作业点水平距离为r_k对应到水下深度为Z_t的一行向量中的位置的前后各选择两到三个已知点进行拟合。优选地，多项式拟合的多项式次数的选择也可根据已知点的分布趋势而定，选择其他数量的已知点进行拟合。

本实施例中拟合时使用的多项式拟合的方法，但不局限于多项式拟合，任何数据拟合方式均可以应用在本发明中与二分法结合，达到迭代求解的目的，如：最小二乘法、线性回归法等。

优选地，步骤S4中，采用四次项拟合的方式，即：

c_k'＝ar_k ³+br_k ²+cr_k+d，其中，a、b、c、d为多项式的四个系数；

在距离作业点水平距离为r_k对应到水下深度为Z_t的一行向量中的位置的前后各选择两个点，然后解由上式组成的方程组，得到四个系数的值，然后将r_k的值带入上述表达式，求得对应的c_k'。

步骤S5中，门限值越大，精度越高，门限值越小，精度越低，门限值的设定取决于对精度的要求，通常取和精度值相同的数量级。进一步地，本发明包括的搜索工程中的迭代门限值的选择应符合系统需求和硬件承受能力，在系统允许的情况下，尽可能的设计更低的门限。

如图3所示，在相同的条件下，将本发明的方法与传统的二分法进行比较，比较结果如图3所示，在精度要求均为0.1m/s的情况下，本发明的方法只需要3-4次迭代即可达到更接近真值，具有更快的收敛速度。

可以理解地，上述各技术特征可以任意组合使用而不受限制。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于拟合插值的快速迭代水下定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获得水下目标物的深度Z_t，获得声波在所述目标物和作业点之间的单向传播时间t以及作业区域水的有效声速表；

S2、在所述有效声速表中找到对应到深度Z_t的一行向量，设定所述一行向量中任意位置的声速为c_i，其中，c₁≤c_i≤c_n,c₁、c_n分别为所述一行向量中的最小有效声速、最大有效声速，令有效声速的初始迭代值为c_k，且c₁≤c_k≤c_n；

S3、根据声波单向传播时间t和有效声速的初始迭代值c_k，计算所述目标物与所述作业点的水平距离r_k；

S4、根据有效声速表中的数据分布进行拟合插值，得到水下深度为Z_t且距离所述作业点水平距离为r_k的位置对应的有效声速c_k'；

S5、比较c_k和c_k'，若c_k-c_k'＞0，则令c₁＝c_k'，若c_k-c_k'＜0，则令c_n＝c_k'，重复步骤S2至步骤S5，直至c_k和c_k'的差小于设定的门限值，则此时c_k'为所述作业点到所述目标物的有效声速；

S6、根据有效声速、单向传播时间t以及深度Z_t实现水下目标物的定位。

2.根据权利要求1所述的基于拟合插值的快速迭代水下定位方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过安装在所述目标物上的压力传感器获得所述目标物所处的深度。

3.根据权利要求1所述的基于拟合插值的快速迭代水下定位方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述单向传播时间t为声波从所述目标物达到作业点的传播时间；

通过水声定位系统获得声波在所述目标物和作业点之间的单向传播时间t；

所述水声定位系统包括水声换能器基阵、应答器，所述水声换能器基阵安装在所述作业点，所述应答器安装在所述目标物上，所述水声换能器基阵发射询问信号，所述应答器在接收到所述询问信号后向所述水声换能器基阵回复应答信号，求得声波的单向传播时间t。

4.根据权利要求1所述的基于拟合插值的快速迭代水下定位方法，其特征在于，有效声速的初始迭代值

5.根据权利要求1所述的基于拟合插值的快速迭代水下定位方法，其特征在于，所述目标物与所述作业点的水平距离

6.根据权利要求1所述的基于拟合插值的快速迭代水下定位方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过多项式拟合插值，多项式拟合插值分为拟合和插值两个步骤，多项式拟合时，在距离所述作业点水平距离为r_k对应到水下深度为Z_t的一行向量中的位置的前后各选择至少一个已知点进行拟合，得到多项式系数，再将r_k作为已知量求得对应的有效声速值c_k'。

7.根据权利要求5所述的基于拟合插值的快速迭代水下定位方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用四次项拟合的方式，即：

c_k'＝ar_k ³+br_k ²+cr_k+d，其中，a、b、c、d为多项式的四个系数；

在距离所述作业点水平距离为r_k对应到水下深度为Z_t的一行向量中的位置的前后各选择两个已知点，然后解由上式组成的方程组，得到四个系数的值，然后将r_k的值带入上述表达式，求得对应的c_k'。

8.根据权利要求6所述的基于拟合插值的快速迭代水下定位方法，其特征在于，所述多项式拟合的多项式次数的选择要根据已知点的分布趋势而定。

9.根据权利要求1至7任一项所述的基于拟合插值的快速迭代水下定位方法，其特征在于，有效声速是目标物和作业点的直线距离与声音在目标物和作业点之间的单向传播时间的比值；

所述有效声速表是由作业区域内所有位置的有效声速形成的。

10.根据权利要求1至7任一项所述的基于拟合插值的快速迭代水下定位方法，其特征在于，所述步骤S5中，门限值越大，精度越高，门限值越小，精度越低。

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