CN108387872B - 基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于最大偏移量法的超短基线定位精度优化方法，首先获取超短基线上水听器组成的基线的几何结构、水听器之间的相位差、水下目标与水听器之间的温度差、深度以及水听器距离目标范围内的原始声速数据；再根据该范围内的原始声速数据，对其进行预处理，用基于最大偏移量法对该区域的声速进行精简和优化；根据测量区域内声速波动情况，对阈值取值进行调整；声速数据进行优化后，将该浅水区域声速转换为波长；根据获得数据用物理定律与立体几何之间的关系求得水听器距离水下目标的斜距，以及水下目标相对于超短基线阵的的三维坐标。本发明的有益效果是：提高超短基线系统的定位精度和自适应能力，提升系统运算速度。

Description

基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法

技术领域

本发明属于水下定位与导航领域，涉及定位优化方法，尤其涉及一种基于最大偏移量法的超短基线定位精度优化方法。

背景技术

为促进社会发展，解决陆地资源逐渐贫瘠的问题，除了要对陆地资源合理利用之外，海洋资源的开发及有效利用也具有极其重大的意义。但海洋资源的调查、开发等一系列海洋活动都需要依靠高精度的水下位置信息。所以水下定位是获取海洋数据中至关重要的一步。因为水声环境极度复杂，水下声音的传播会受温度，海底深度，盐度等各种因素的影响，不同水域又各有差异，所以在定位的过程中会产生一系列的误差，严重影响定位精度。研究如何提高水下超短基线系统的定位精度对海洋资源的开发、加快建设海洋强国均至关重要。在现阶段仪器精密度水平下，超短基线定位系统的定位精度主要受制于声线传播误差引起的收发时延估计困难，由折射、反射等声线传播路径难于预测，从而使声线跟踪、补偿等措施难以有效实施，限制了水下定位精度的进一步提升。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法，可以提高超短基线系统在浅水区域的定位精度和自适应能力，提升系统运算速度。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法，其特征在于，所述优化方法包括以下步骤：

S01：构造模型；

采用三基元超短基线，构造直角三角形基阵；

S02：获取所需原始数据；

通过安装在超短基线阵上的温度、深度、相位传感器以及声速剖面测量设备，获取所需的相关数据，所述相关数据包括阵元间距、相位差以及目标距离阵元的高度；

S03：对测量区域内的原始声速数据预处理；

测量出船只所在的水面到目标的水下深度后，利用声速经验模型公式获得在所述测量范围内的原始声速数据，然后对所述原始声速数据进行预处理；

S04：对处理后的声速数据进行有针对性的取舍，对所述测量区域的声速进行精简和优化；

S05：根据测量区域内声速波动情况，对阈值取值进行调整；

S06：将所述测量区域声速转换为波长，获得目标距离水听器的相位差；

S07：用立体几何之间的关系求得水听器距离水下目标的斜距，以及水下目标相对于所述超短基线阵的的三维坐标。

前述的基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法，其特征在于：所述步骤S04中，对所述测量区域的声速进行精简和优化方法如下：采用基于最大偏移量法的声速优化方法，在所需的声速剖面上连接首尾两个声速点，得到一条直线，依次计算实际声速剖面到所述直线在声速方向的偏移量，运用式(1)计算出实际声速剖面到所述直线的偏移量D_i：

其中，C₁、h₁分别为所述超短基线阵所在的所述测量区域内的声速线的第一个点对应的声速值和深度值；C_n、h_n分别为所述超短基线阵所在的所述测量区域内的声速线的最后一个点对应的声速值和深度值，C_i、h_i分别为所述超短基线阵所在的区域内的声速线上的点对应的声速值和深度值，且C₁、h₁、C_n、h_n、C_i、h_i皆为设备测量得到的已知量；

计算出偏移量D_i中的最大值D_imax后，根据实际情况设定一个阈值参数Δ，比较D_imax和阈值参数Δ的大小：若D_imax＜Δ，则只保留初始值D₁和最终值D_n；若D_imax≥Δ，则保留初始值D₁和最终值D_n的同时，保留D_imax对应的声速节点，并将D_imax对应的声速节点，从该节点处将线段划分为两部分，分别连接D_i和D₁以及D_i和D_n；重复迭代上述过程，直到所有节点的偏移量D_i＜Δ，完成声速特征值取舍；

将抽取的所述声速特征值点连接起来，构建出基于原始声速数据模型的优化声速剖面模型。

前述的基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法，其特征在于：所述步骤S05中，对阈值取值进行调整的方法如下：

在所述测量区域内，若声速不均匀分布现象严重，波动现象明显，需在所述测量区域内对阈值有更细致的划分；在波动范围不大的区域，仍使用初始阈值Δ，在波动范围较大的区域，根据水听器与水下目标两处温差T的不同，应用两分法原理更新阈值Δ_i：

当温差T≤5℃，阈值为输入值Δ；

当温差T＞5℃，阈值更新为

其中，i为更新次数。

前述的基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法，其特征在于：所述步骤S06中，声速转换为波长的公式为：

c＝f·λ(c＝C₁，C₂，......，C_i) (2)

其中，f为接收信号的中心频率，c为声速，且皆为设备测量得到的已知量。

前述的基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法，其特征在于：所述步骤S07中，用立体几何之间的关系求得水听器距离水下目标的斜距，以及水下目标相对于所述超短基线阵的的三维坐标的具体方法如下；

r²＝x²+y²+z² (3)

其中，z为目标距离阵元的高度、d为阵元间距、

分别为基准基元到其他两个基元的相位差，都是设备测量得到，都为已知量；r为目标距离阵元的斜距，x为目标在x轴方向上的距离，y为目标在y轴方向上的距离，(x，y，z)为目标相对于阵元的三维坐标。

前述的基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法，其特征在于：所述步骤S03中对所述原始声速数据的预处理采用滑动平均的预处理方式。

本发明的有益效果为：本发明是基于超短基线定位原理，根据不同水下区域声速传播速度不同，利用基于最大偏移量法的声线精简优化方法，达到超短基线定位优化的目标，利用安装在超短基线阵上的温度、深度传感器以及声速剖面测量等设备获得原始数据，再利用最大偏移量法的声线优化方法精简声速模型，利用物理定律与立体几何之间的关系求得水听器距离水下目标的斜距，以及水下目标相对于超短基线阵的的三维坐标。本发明使超短基线水下定位系统在环境复杂的浅水区也趋于稳定，抗干扰能力提高，解决复杂环境下，声速不均匀分布、声线弯曲导致的定位精度不准确问题。同时，对需要计算的数据进行大规模的精简，使该定位系统的计算速度得到增强，总体概括为：

(1)提高超短基线阵下水下目标的定位精度；

(2)提升运算速度；

(3)系统在复杂海域环境的目标定位能力增强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的超短基线定位原理示意图；

图2是本发明提供的基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法的流程框图；

图3是本发明提供的最大偏移量法原理图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

图1是本发明提供的超短基线定位原理示意图，如图1所示，包括步骤：

布置在船底的超短基线定位系统其基线阵，包括采用安装在超短基线阵上的温度、深度、相位传感器以及声速剖面测量设备，其中阵元集中在一个阵列上，如图1所示，由三个水听器组成的超短基阵进行水下目标定位时，船底的水听器发出声波，水下目标收到后，返回声波，水听器基阵接收到水下目标返回的声波，测量出x，y两个方向的相位差，并根据声波的到达时间计算出声波在水中的传播时间从而能够得到水下目标到超短基线阵距离，由此获得水下目标三维位置坐标。

采用直角三角形基阵，阵元间距为d以2号基元为基准，设2号基元为基阵中心原点(0，0，0)，测量得到基准基元与其他两个基元的相位差分别为

和

将获取的声速转换为波长λ，利用超短基线原理以及几何物理公式求得目标的三维坐标：

r²＝x²+y²+z² (3)

其中，d为阵元间距，

分别为2号基元到其他两个基元的相位差，z为目标距离阵元的高度，x为目标在x轴方向上的距离，y为目标在y轴方向上的距离，r为目标距离阵元的斜距，(x，y，z)为目标相对于阵元的三维坐标。

图2是本发明提供的基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法的流程框图，如图2所示，包括：

S01：构造模型；

采用三基元超短基线，构造直角三角形基阵，模型基础、精简、便于计算便捷和快速定位水下目标；

S02：获取所需原始数据；

通过安装在超短基线阵上的温度、深度、相位传感器以及声速剖面测量等设备，获取所需的相关数据，包括阵元间距、相位差以及目标距离阵元的高度。

S03：对测量区域内的原始声速数据预处理；

测量出船只所在的水面到目标的水下深度后，利用声速经验模型公式获得在该范围内的原始声速数据，对该原始声速数据进行滑动平均的预处理。

S04：对处理后的声速数据进行有针对性的取舍，对该区域的声速进行精简和优化；

图3是本发明提供的的最大偏移量法原理图；如图3所示，包括步骤：

采用基于最大偏移量法的MOV(maximum offset of sound velocity)算法对处理后的声速数据进行有针对性的取舍，舍去冗余重复、会产生干扰的数据，保留声速剖面上变化明显，有计算价值的数据，并对该区域的声速进行精简和优化声。在所需的声速剖面上连接首尾两个声速点，依次计算实际声速剖面到这条直线在声速方向(矢量，单位为m\s)的偏移量，运用如下公式计算出实际声速剖面到上述直线的偏移量Di：

其中，C₁、h₁分别为该超短基线阵所在的区域内的声速线的第一个点对应的声速值和深度值；C_n、h_n分别为该超短基线阵所在的区域内的声速线的最后一个点对应的声速值和深度值；C_i、h_i分别为所述超短基线阵所在的区域内的声速线上的点对应的声速值和深度值，且C₁、h₁、C_n、h_n、C_i、h_i皆为设备测量得到的已知量；。

计算出偏移量Di中的最大值D_imax后，根据历史经验值并考虑实际情况，自适应调整阈值参数并确定一个阈值参数Δ，比较D_imax和阈值参数Δ的大小：若D_imax＜Δ，则只保留初始值D₁和最终值D_n；若D_imax≥Δ，则保留初始值D₁和最终值D_n的同时，保留D_imax对应的声速节点，并将D_imax对应的声速节点，从该节点处将线段划分为两部分，分别连接D_i和D₁以及D_i和D_n；重复迭代上述过程，直到所有节点的偏移量D_i＜Δ，完成声速特征值取舍。

将上述抽取的声速特征值点连接起来，构建出基于原始声速数据模型的优化声速剖面模型。

S05：根据测量区域内声速波动情况，对阈值取值进行调整；

其中，在所述测量区域内，若声速不均匀分布现象严重，波动现象明显，需在所述测量区域内对阈值有更细致的划分。在波动范围不大的区域，仍使用初始阈值Δ，在波动范围较大的区域，根据水听器与水下目标两处温差T的不同，应用两分法原理更新阈值Δ_i：

当温差T≤5℃，阈值为输入值Δ；

当温差T＞5℃，阈值更新为

其中，i为更新次数；

说明：根据射线声学理论，等声速剖面水体中的声线传播可看成是直线传播，如果声速随着深度的变化而变化，则声线在斯奈尔定律的作用下将会沿着弯曲的路径向前传播，在本发明申请中，主要研究的就是如何将这些弯曲的声线传播路径用数据尽可能的精准的表现出来。故本申请文件中提到的波动范围较大是指声传播路径中某些线段部分相对整体声速线段而言，斜率变化次数增多；波动范围较小时指声传播路径中某些线段部分相对整体声速线段而言，斜率变化次数较少。所以现状中，这段波动起伏的声速无法用准确的数值概括，它们的变化是随机的，只能说是不断的通过技术手段逼近来获取最接近现实情况的数据。

S06：将测量区域声速转换为波长，获得目标距离水听器的相位差；

根据声速-波长转换公式：

c＝f·λ(c＝C₁，C₂，......，C_i) (2)

其中，f为接收信号的中心频率，c为声速，且皆为设备测量得到的已知量。

S07：用立体几何之间的关系求得水听器距离水下目标的斜距，以及水下目标相对于超短基线阵的的三维坐标；

r²＝x²+y²+z² (3)

其中，z为目标距离阵元的高度，d为阵元间距，

分别为基准基元到其他两个基元的相位差，以上为已知量；r为目标距离阵元的斜距，x为目标在x轴方向上的距离，y为目标在y轴方向上的距离，(x，y，z)为目标相对于阵元的三维坐标。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法，其特征在于，所述优化方法包括以下步骤：

S01：构造模型；

采用三基元超短基线，构造直角三角形基阵；

S02：获取所需原始数据；

通过安装在超短基线阵上的温度、深度、相位传感器以及声速剖面测量设备，获取所需的相关数据，所述相关数据包括阵元间距、相位差以及目标距离阵元的高度；

S03：对测量区域内的原始声速数据预处理；

测量出船只所在的水面到目标的水下深度后，利用声速经验模型公式获得在所述测量区域 内的原始声速数据，然后对所述原始声速数据进行预处理；

S04：对处理后的声速数据进行有针对性的取舍，对所述测量区域的声速进行精简和优化；

S05：根据测量区域内声速波动情况，对阈值取值进行调整；

S06：将所述测量区域声速转换为波长，获得目标距离水听器的相位差；

S07：用立体几何之间的关系求得水听器距离水下目标的斜距，以及水下目标相对于所述超短基线阵的三维坐标；

所述步骤S04中，对所述测量区域的声速进行精简和优化方法如下：采用基于最大偏移量法的声速优化方法，在所需的声速剖面上连接首尾两个声速点，得到一条直线，依次计算实际声速剖面到所述直线在声速方向的偏移量，运用式(1)计算出实际声速剖面到所述直线的偏移量D_i：

其中，C₁、h₁分别为所述超短基线阵所在的所述测量区域内的声速线的第一个点对应的声速值和深度值；C_n、h_n分别为所述超短基线阵所在的所述测量区域内的声速线的最后一个点对应的声速值和深度值，C_i、h_i分别为所述超短基线阵所在的区域内的声速线上的点对应的声速值和深度值，且C₁、h₁、C_n、h_n、C_i、h_i皆为设备测量得到的已知量；

计算出偏移量D_i中的最大值D_imax后，根据实际情况设定一个阈值参数Δ，比较D_imax和阈值参数Δ的大小：若D_imax＜Δ，则只保留初始值D₁和最终值D_n；若D_imax≥Δ，则保留初始值D₁和最终值D_n的同时，保留D_imax对应的声速节点，并将D_imax对应的声速节点，从该节点处将线段划分为两部分，分别连接D_i和D₁以及D_i和D_n；重复迭代上述过程，直到所有节点的偏移量D_i＜Δ，完成声速特征值取舍；

将抽取的所述声速特征值点连接起来，构建出基于原始声速数据模型的优化声速剖面模型；

所述步骤S05中，对阈值取值进行调整的方法如下：

在所述测量区域内，若声速不均匀分布现象严重，波动现象明显，需在所述测量区域内对阈值有更细致的划分；在波动范围不大的区域，仍使用初始阈值Δ，在波动范围较大的区域，根据水听器与水下目标两处温差T的不同，应用两分法原理更新阈值Δ_i：

当温差T≤5℃，阈值为输入值Δ；

当温差T＞5℃，阈值更新为

其中，i为更新次数。

2.根据权利要求1所述的基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法，其特征在于：所述步骤S06中，声速转换为波长的公式为：

c＝f·λ (c＝C₁，C₂，......，C_i) (2)

其中，f为接收信号的中心频率，c为声速，且皆为设备测量得到的已知量。

3.根据权利要求2所述的基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法，其特征在于：所述步骤S07中，用立体几何之间的关系求得水听器距离水下目标的斜距，以及水下目标相对于所述超短基线阵的三维坐标的具体方法如下；

r²＝x²+y²+z² (3)

其中，z为目标距离阵元的高度、d为阵元间距、

分别为基准基元到其他两个基元的相位差，都是设备测量得到，都为已知量；r为目标距离阵元的斜距，x为目标在x轴方向上的距离，y为目标在y轴方向上的距离，(x，y，z)为目标相对于阵元的三维坐标。

4.根据权利要求1所述的基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法，其特征在于：所述步骤S03中对所述原始声速数据的预处理采用滑动平均的预处理方式。

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