CN109724684B - 一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法。本发明在已知声速待测量任务区域中确定直达信号传播时间测量点集；在声速待测量任务区域布设发送水下自主航行器以及接收水下自主航行器，通过基于单输入多输出双向交互通信方式测量直达声信号传播时间；根据测量直达声信号传播时间采用基于匹配场处理技术的声速剖面反演算法获得声速剖面；根据基于匹配场处理技术的声速剖面反演算法在每个经纬度坐标点进行测量和声速剖面反演工作构建声速剖面集合。本发明优点在于减小了边界参数失配带来的影响以及单一声速剖面代表整个区域声速分布的近似误差。

Description

一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法

技术领域

本发明属于海洋声学层析领域，尤其涉及一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法。

背景技术

在水声学中，声源参数、海洋环境参数和水听器接收的声场信息是三个最基本的声学模块。理论上，已知以上三个参数中的任意两者，结合已有的水声传播模型，就能获得另外一个参数。参数获取过程依据工作模式的不同可分为正演运算、定位运算和反演运算，正演运算是已知声源参数、海洋环境参数求解声场信息，定位运算是已知海洋环境参数和声场信息求解声源参数，声速剖面反演是在已知声场信息和声源参数的条件下推测海洋环境参数。声速剖面反演是海洋声层析的一种，实质上是利用了声信号传播时隐含携带的整个深度剖面环境信息，通过精确测量的声线传播时间等声场数据，根据水声传播原理推断出海水声速剖面分布。

目前，已有的声速剖面反演方法主要基于声射线理论或者简正波理论的匹配场反演。基于简正波理论的声速剖面反演通常采用声场强度作为声速剖面反演的声场信息，可以准确的描绘出声影区，汇聚区和焦散区的声场强度分布，但其在实际反演中存在着一些不足，简正波理论使用与单一频率计算，对于宽带信号，计算量成倍增加；精确地测量海底海面边界参数十分困难，使得简正波理论的精度容易受到边界参数失配的影响。水声射线模型是计算水下声场分布的一种近似理论，具有计算速度快，形象直观的优点。基于水声射线模型的声速剖面反演通常采用多径信号传播时间作为声速剖面反演的声场信息，多径信号在传播过程中经过海底海面反射，其传播轨迹可以覆盖整个深度剖面，但由于信号反射与海底海面参数密切相关，因此同样面临着边界参数失配的问题。

在传统用于声速剖面反演的声场数据测量方法上，主要采用单一发送源节点结合垂直拖曳阵列或水平海底固定阵列作为通信发送和接收端组成单输入多输出系统。由于传统声场数据测量方法收发节点不便于频繁回收和布放，因此通常测量单一剖面下的声速剖面来近似代表整个区域声速分布情况，这对于大范围目标区域及声速变化明显的区域会引起近似误差，无法满足获取目标区域内更细粒度的声速剖面分布的应用需求。近年来，水下自主航行器被广泛用于水下探测和数据采集等应用中，其高机动性对于测量水下三维数据具有重要应用价值。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法。本发明测量系统由两个水下自主航行器组成，其中一个水下自主航行器搭载全指向性换能器作为发送端，另一个水下自主航行器在其底部机械臂搭载水平声信号接收阵列作为接收端，由此双水下自主航行器组成单输入多输出系统。

本发明的技术方案为一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法，包含以下步骤：

步骤1：在已知声速待测量任务区域中确定直达信号传播时间测量点集；

步骤2：在声速待测量任务区域布设发送水下自主航行器以及接收水下自主航行器，通过基于单输入多输出双向交互通信方式测量直达声信号传播时间；

步骤3：根据直达声信号传播时间，采用基于匹配场处理技术的声速剖面反演算法获得声速剖面；

步骤4：根据步骤3中在每个经纬度坐标点进行测量和声速剖面反演工作构建声速剖面集合；

作为优选，步骤1中所述声速待测量任务区域为S，步骤1中所述直达信号传播时间测量点集为P_S：

其中，(x_m,y_n)为测量点p_m,n的经纬度坐标，相邻坐标的横纵坐标间距满足：

Δx＝x_m+1-x_m＝D,Δy＝y_n+1-y_n＝D

其中D为采样间距，单位为千米。

作为优选，步骤2中所述布设发送水下自主航行器以及接收水下自主航行器为：

发送水下自主航行器以及接收水下自主航行器在水面通过全球定位系统获得定位信息，下潜后依靠惯性导航系统更新自身位置信息，其中发送水下自主航行器搭载单一换能器航行于海面，接收水下自主航行器搭载水平换能器阵列航行于海底，所搭载阵列由Q＝10个阵元组成；

步骤2中所述通过基于单输入多输出双向交互通信方式测量直达声信号传播时间为：

两个水下自主航行器根据步骤1所述的测量坐标点p_m,n逐点进行直达信号传播时间测量，在某个测量点时，两个水下自主航行器通信交互坐标信息并通过自身姿态调节保持在同一垂线上；

海面水下自主航行器首先发送探测信号，并记录本地信号发送时刻

上标A表示海面水下自主航行器，下标s表示信号发送，当海底水下自主航行器所搭载换能器阵列上第q个阵元接收到海面水下自主航行器的探测信号时，记录接收时刻

上标H表示水平接收阵列，q为阵元编号，下标r表示接收信号，Q表示阵列总阵元数目；

经过一定退避时间t_back后，海底水下自主航行器依次使用阵元q回复确认信号，并记录确认信号回复时刻

海面水下自主航行器记录来自阵元q回复的确认信号的到达时刻

则对于由海面水下自主航行器和海底水下自主航行器阵元q组成的发送接收节点对，其信号传播时间为：

在某个测量坐标点p_m,n，对于海面水下自主航行器和海底水下自主航行器阵列中共Q组发送接收节点对，测量得到坐标点p_m,n所在剖面的直达信号传播时间序列T_m,n＝[t_m,n,1,t_m,n,2,...,t_m,n,q],m＝1,2,...,M,n＝1,2,...,N,q＝1,2,...,Q；

作为优选，步骤3中所述基于匹配场处理技术的声速剖面反演算法为：

已知任务区域S中的经验声速剖面数据集为：

其中，k为深度标号，深度标号为k-1和k的采样点之间为第k个深度层，d_i,k为第i组声速剖面S_i中深度标号为k的采样点的深度值，当k＝0时，d_i,0表示海面水下自主航行器所处深度，v_i,k为第i组声速剖面S_i中深度标号为k的采样点的声速值，当k＝0时，v_i,0表示海面水下自主航行器所在深度的声速值，即初始声；

对经验声速剖面数据集SSP的I组声速剖面数据求平均声速剖面

其中，d_k为深度标号为k的采样点的深度值，

为经验声速剖面数据集中深度标号为k的采样点的声速平均值；

根据I组声速剖面数据和声速平均值定义协方差矩阵R：

其中，Δc_i,k是第i组声速剖面S_i在深度标号为k的采样点的声速与平均声速之差：

将协方差矩阵进行特征分解，得到特征值λ_k和对应的特征向量f_k，对特征值由大到小排序，并选取前6个特征值所对应的特征向量作为经验正交函数F_l,l＝1,2,...,6，则测量坐标点p_m,n位置的反演声速剖面可表示成：

其中，d_m,n,k为测量坐标点p_m,n位置的反演声速剖面中深度标号为k的采样点的深度值，

为测量坐标点p_m,n位置的反演声速剖面中深度标号为k的采样点的声速值，F_l,k为第l阶经验正交函数中深度标号为k的元素，α_m,n,l为测量坐标点p_m,n位置的经验正交函数系数；

通过粒子群算法对测量坐标点p_m,n位置的经验正交函数系数进行搜索，得到一组测试经验正交函数系数

H表示总的经验正交系数组数，计算拷贝声速剖面

其中，

表示测量坐标点p_m,n位置的以经验正交函数系数

生成的拷贝声速剖面中深度标号为k的采样点的声速值；

利用声射线理论计算水下自主航行器以及接收水下自主航行器中Q个收发节点对的理论信号传播时间序列

具体计算方法为：

水下自主航行器以及接收水下自主航行器位于同一垂线，则海面水下自主航行器信号发送端与海底水下自主航行器所搭载换能器阵列的各阵元之间的水平距离X＝[x₁,x₂,...,x_q],q＝1,2,...Q为先验信息，在两个水下自主航行器相对深度固定的情况下，对于拷贝声速剖面

首先根据声射线理论的水平传播距离公式计算测量坐标点p_m,n位置的信号由发送端水下自主航行器传播到接收端水下自主航行器的阵元q的水平传播距离

其中，

为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器发送到海底水下自主航行器上阵元q的信号在第k个深度层的水平传播距离，

为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面中第k个深度层的声速变化梯度，

为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器发送到海底水下自主航行器上阵元q的信号在第k个深度层的初始掠射角，

为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面的初始声速值；

对测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器发送到海底水下自主航行器上阵元q的声线在初始深度层的初始掠射角

以步进Ω度由0°搜索至90°，得到测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下直达信号在不同掠射角情况下的水平传播距离

比较每一组发送接收节点对的实际距离x_q,x_q∈X与计算水平传播距离

的误差，误差最小的计算水平传播距离作为实际距离的匹配项，同时记录获得此距离匹配项时所对应的信号初始掠射角

最终得到在测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下，由发送端水下自主航行器传播到接收端水下自主航行器各阵元的声线传播初始掠射角序列

然后将初始掠射角带入声射线理论的信号传播时间公式，计算在测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由发送端水下自主航行器传播到接收端水下自主航行器的阵元q的直达信号传播时间：

对于Q组发送接收节点对，得到在测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下的理论直达信号传播时间计算序列

将步骤2所得测量直达声信号传播时间数据T_m,n与理论直达信号传播时间计算序列

进行对比，采用最小二乘准则判端误差E：

对于由粒子群迭代搜索得到的H组拷贝声速剖面，以误差E最小时对应的拷贝声速剖面作为最终的声速反演结果，则测量坐标点p_m,n位置的最终反演声速剖面结果为

完成单经纬度坐标点声速剖面反演。

作为优选，步骤4中所述构建声速剖面集合为：

由不同经纬度坐标的反演声速剖面描述不同经纬度坐标，不同深度的三维离散声速分布。当深度标号k固定时，对坐标点p_m,n＝(x_m,y_n)位置的深度标号为k的采样点声速值采用二维三次样条插值算法，得到满足不同分辨率需求的三维离散声速分布。

本发明采用直达信号传播时间作为声场信息反演声速剖面，可以减小边界参数失配带来的影响；本发明采用信号传播时间的水下自主航行器协同双向通信交互测量方法，结合多点直达信号传播时间测量，可以实现目标区域内多经纬度坐标点的声速剖面反演任务，获得区域内三维声速分布，减小单一声速剖面代表整个区域声速分布的近似误差。

附图说明

图1：是本发明实施例的水声信号传播时间的水下自主航行器协同测量场景图；

图2：是本发明实施例的结合路径规划的水下自主航行器多经纬度坐标点信号传播时间测量示意图；

图3：是本发明实施例的水下自主航行器双向通信交互测量示意图；

图4：是本发明实施例的接收端水下自主航行器相邻阵元信号到达最短时间差与接收端阵列孔径和收发节点相对深度的关系示意图；

图5：是本发明实施例的示例目标区域经验声速剖面数据采样点示意图；

图6：是本发明实施例的反演模型框架图；

图7：是本发明实施例的示例目标区域经验声速剖面60米海深声速分布；

图8：是本发明实施例的示例目标区域单点测量近似代表区域声速分布时60米海深声速分布图；

图9：是本发明实施例的示例目标区域单点测量方式声速分布与原始声速分布在60米海深的声速误差；

图10：是本发明实施例的示例目标区域多点测量方式结合声速剖面反演算法得到的60米海深声速分布图；

图11：是本发明实施例的示例目标区域多点测量方式声速分布与原始声速分布在60米海深的声速误差；

图12：是本发明方法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

所述实施例的示例在附图中示出，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

本发明测量系统由两个水下自主航行器组成，其中一个水下自主航行器搭载全指向性换能器作为发送端，另一个水下自主航行器在其底部机械臂搭载水平声信号接收阵列作为接收端，由此双水下自主航行器组成单输入多输出系统。两个水下自主航行器的型号均为SmartOcean；

下面结合图1至图12介绍本发明的实施方式。本发明具体实施方式的技术方案为一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法，包含以下步骤：

步骤1：在已知声速待测量任务区域中确定直达信号传播时间测量点集；

步骤1中所述声速待测量任务区域为S，步骤1中所述直达信号传播时间测量点集为P_S：

其中，(x_m,y_n)为测量点p_m,n的经纬度坐标，相邻坐标的横纵坐标间距满足：

Δx＝x_m+1-x_m＝D,Δy＝y_n+1-y_n＝D

其中D＝1km为采样间距，单位为千米。

步骤2：在声速待测量任务区域布设发送水下自主航行器以及接收水下自主航行器，通过基于单输入多输出双向交互通信方式测量直达声信号传播时间；

步骤2中所述布设发送水下自主航行器以及接收水下自主航行器为：

发送水下自主航行器以及接收水下自主航行器在水面通过全球定位系统获得定位信息，下潜后依靠惯性导航系统更新自身位置信息，其中发送水下自主航行器搭载单一换能器航行于海面，接收水下自主航行器搭载水平换能器阵列航行于海底，所搭载阵列由Q＝10个阵元组成；

步骤2中所述通过基于单输入多输出双向交互通信方式测量直达声信号传播时间为：

两个水下自主航行器根据步骤1所述的测量坐标点p_m,n逐点进行直达信号传播时间测量，在某个测量点时，两个水下自主航行器通信交互坐标信息并通过自身姿态调节保持在同一垂线上；

海面水下自主航行器首先发送探测信号，并记录本地信号发送时刻

上标A表示海面水下自主航行器，下标s表示信号发送，当海底水下自主航行器所搭载换能器阵列上第q个阵元接收到海面水下自主航行器的探测信号时，记录接收时刻

上标H表示水平接收阵列，q为阵元编号，下标r表示接收信号，Q表示阵列总阵元数目；

经过一定退避时间t_back＝1s后，海底水下自主航行器依次使用阵元q回复确认信号，并记录确认信号回复时刻

海面水下自主航行器记录来自阵元q回复的确认信号的到达时刻

则对于由海面水下自主航行器和海底水下自主航行器阵元q组成的发送节点对，其信号传播时间为：

在某个测量坐标点p_m,n，对于海面水下自主航行器和海底水下自主航行器阵列中共Q组收发节点对，测量得到坐标点p_m,n所在剖面的直达信号传播时间序列T_m,n＝[t_m,n,1,t_m,n,2,...,t_m,n,q],m＝1,2,...,M,n＝1,2,...,N,q＝1,2,...,Q；

步骤3：根据直达声信号传播时间，采用基于匹配场处理技术的声速剖面反演算法获得声速剖面；

步骤3中所述基于匹配场处理技术的声速剖面反演算法为：

已知任务区域S中的经验声速剖面数据集为：

其中，k为深度标号，深度标号为k-1和k的采样点之间为第k个深度层，d_i,k为第i组声速剖面S_i中深度标号为k的采样点的深度值，当k＝0时，d_i,0表示海面水下自主航行器所处深度，v_i,k为第i组声速剖面S_i中深度标号为k的采样点的声速值，当k＝0时，v_i,0表示海面水下自主航行器所在深度的声速值，即初始声，K＝20

对经验声速剖面数据集SSP的I组声速剖面数据求平均声速剖面

其中，d_k为深度标号为k的采样点的深度值，

为经验声速剖面数据集中深度标号为k的采样点的声速平均值；

根据I组声速剖面数据和声速平均值定义协方差矩阵R：

其中，Δc_i,k是第i组声速剖面S_i在深度标号为k的采样点的声速与平均声速之差：

将协方差矩阵进行特征分解，得到特征值λ_k和对应的特征向量f_k，对特征值由大到小排序，并选取前6个特征值所对应的特征向量作为经验正交函数F_l,l＝1,2,...,6，则测量坐标点p_m,n位置的反演声速剖面可表示成：

α_m,n,1＝0.1,α_m,n,2＝0.1,α_m,n,3＝0.1,α_m,n,4＝0.1,α_m,n,5＝0.1,α_m,n,6＝0.1

其中，d_m,n,k为测量坐标点p_m,n位置的反演声速剖面中深度标号为k的采样点的深度值，

为测量坐标点p_m,n位置的反演声速剖面中深度标号为k的采样点的声速值，F_l,k为第l阶经验正交函数中深度标号为k的元素，α_m,n,l为测量坐标点p_m,n位置的经验正交函数系数；

通过粒子群算法对测量坐标点p_m,n位置的经验正交函数系数进行搜索，得到一组测试经验正交函数系数

H表示总的经验正交系数组数，计算拷贝声速剖面

其中，

表示测量坐标点p_m,n位置的以经验正交函数系数

生成的拷贝声速剖面中深度标号为k的采样点的声速值；

利用声射线理论计算水下自主航行器以及接收水下自主航行器中Q个收发节点对的理论信号传播时间序列

具体计算方法为：

水下自主航行器以及接收水下自主航行器位于同一垂线，则海面水下自主航行器信号发送端与海底水下自主航行器所搭载换能器阵列的各阵元之间的水平距离X＝[x₁,x₂,...,x_q],q＝1,2,...Q为先验信息，在两个水下自主航行器相对深度固定的情况下，对于拷贝声速剖面

首先根据声射线理论的水平传播距离公式计算测量坐标点p_m,n位置的信号由发送端水下自主航行器传播到接收端水下自主航行器的阵元q的水平传播距离

其中，

为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器发送到海底水下自主航行器上阵元q的信号在第k个深度层的水平传播距离，

为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面中第k个深度层的声速变化梯度，

为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器发送到海底水下自主航行器上阵元q的信号在第k个深度层的初始掠射角，

为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面的初始声速值；

对测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器发送到海底水下自主航行器上阵元q的声线在初始深度层的初始掠射角

以步进Ω＝0.001度由0°搜索至90°，得到测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下直达信号在不同掠射角情况下的水平传播距离

比较每一组发送接收节点对的实际距离x_q,x_q∈X与计算水平传播距离

的误差，误差最小的计算水平传播距离作为实际距离的匹配项，同时记录获得此距离匹配项时所对应的信号初始掠射角

最终得到在测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下，由发送端水下自主航行器传播到接收端水下自主航行器各阵元的声线传播初始掠射角序列

然后将初始掠射角带入声射线理论的信号传播时间公式，计算在测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由发送端水下自主航行器传播到接收端水下自主航行器的阵元q的直达信号传播时间：

对于Q组发送接收节点对，得到在测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下的理论直达信号传播时间计算序列

将步骤2所得测量直达声信号传播时间数据T_m,n与理论直达信号传播时间计算序列

进行对比，采用最小二乘准则判端误差E：

对于由粒子群迭代搜索得到的H组拷贝声速剖面，以误差E最小时对应的拷贝声速剖面作为最终的声速反演结果，则测量坐标点p_m,n位置的最终反演声速剖面结果为

完成单经纬度坐标点声速剖面反演。

步骤4：根据步骤3中在每个经纬度坐标点进行测量和声速剖面反演工作构建声速剖面集合；

步骤4中所述构建声速剖面集合为：

由不同经纬度坐标的反演声速剖面描述不同经纬度坐标，不同深度的三维离散声速分布。当深度标号k固定时，对坐标点p_m,n＝(x_m,y_n)位置的深度标号为k的采样点声速值采用二维三次样条插值算法，得到满足不同分辨率需求的三维离散声速分布。

传统的声速剖面反演方法主要分为基于简正波理论的匹配场反演和基于射线理论的匹配场反演方法，这两种方法分别采用声场强度或多径信号传播时间作为声场参数，其反演精度容易受到边界参数失配的影响。另外，在声场参数测量方案上，大多采用单一发送节点结合垂直阵列或海底水平固定阵列的方式，难以对节点进行频繁布放和回收，因此，通常假定海洋参数为各向同性，只对某一剖面的声场数据进行采集来反演声速剖面，进而近似代表整个目标区域声速剖面分布情况。实际上，浅海地区声速剖面受温度变化影响明显，同一深度不同水平位置声速值存在不同程度的差异，因此这一方法造成的近似误差会随着目标区域的扩大而增大。

为了应对边界参数失配问题和近似误差问题，本文提出采用直达信号传播时间作为声场信息进行声速剖面反演，与多径信号相比，直达信号在传输过程中不经过海面及海底反射，因此可以减小边界参数失配的影响。为了使直达信号在传输过程中可以覆盖整个声速剖面，发送节点和接收节点需要分别布放在海面和海底附近。为了达到这一目的，本文提出一种用于声速剖面反演的基于单输入多输出-水下自主航行器双向交互通信的直达信号传播时间测量方法，通过区域内多经纬度坐标点进行声场数据测量，结合声速剖面反演算法得到多经纬度坐标点的声速分布，然后对不同深度声速进行二维插值，最终得到三维声速分布，从而减小仅由单一声速剖面代替整片海域声速分布带来的近似误差。

图1为本实施例的测量场景示意。水下自主航行器在水面获得GPS定位信息，下潜后依靠惯性导航进行位置估计并分别在靠近海面和海底的指定深度航行。其中，一个水下自主航行器搭载一个全指向性换能器作为信号发送单元，另一个水下自主航行器在其底部机械臂上搭载一组声接收阵列作为信号接收端。本文采用水平接收阵列的方式，并通过测量一个剖面中不同水平传播距离情况下的多组信号传播时间数据来减小单一收发节点对的测量误差。由于水下自主航行器姿态可控，因此接收阵列的稳定性可以得到保证。

图2所示为水下自主航行器多经纬度坐标点多方向信号传播时间测量示意图，得益于水下自主航行器的机动便利性，对于精度要求更高的应用场景，结合路径规划来对区域内进行多点测量，从而获得区域内的三维声速剖面分布情况。

图3所示为水下自主航行器双向通信交互测量示意图。发送端水下自主航行器首先发送初始化消息并记录信号发送时刻，接收端每一阵元接收该初始化消息并记录接收时刻，之后等待一定退避时间后，分别回复确认消息并记录其发送时刻，发送端水下自主航行器依次接收来自接收端各个阵元的确认消息并记录接收时刻，最终信号传播时间为信号往返传播时间段的平均值。

图4是本发明实施例的接收端水下自主航行器相邻阵元信号到达最短时间差与接收端阵列孔径和收发节点相对深度的关系示意图。在信号接收端，水下自主航行器记录水平阵列每一个阵元接收信号时间，需要合理的设计阵列信号孔径尺寸来确保信号到达相邻阵元的时间差不会超出系统的时间分辨率。主流的水下通讯设备通常以DSP或FPGA作为信号处理内核，若DSP采用基本的顺序指令执行方式，并在不同阵元接收到信号时采用多通道外部中断通知DSP，则DSP区分各阵元信号到达时间的能力由其最短外部中断响应时间决定。本发明实施例以C6748DSP为例对其外部中断响应时间进行测试,在中断函数中进行一次赋值操作和一次时钟读取操作，在C6748的CPU频率为456MHz的情况下，平均中断响应时间为128个时钟周期，即约280ns。对于以FPG作为核心的水声通讯设备，由于FPGA可对各引脚数据进行并行处理，若仍以不同阵元接收信号时采用多通道脉冲通知FPGA的方式，则它对脉冲的分辨率由其最高运行时钟决定，举例而言，Spartan3型号FPGA的最高时钟脉冲为334MHz，时间分辨率为3ns，Cyclone3型号FPGA的最高时钟脉冲为133MHz，时间分辨率为7.5ns。总之，在设计多通道接收机时，各通道采用DSP进行数据运算，主系统采用FPGA作为总控单元，则可最大化系统的时间分辨率性能。

图4中以东海某海域中一组指定声速剖面分布情况为例进行说明，在阵元为圆柱体形状，其最大长度为1分米的假设条件下，对不同阵元间距不同收发节点相对深度条件时，相邻阵元最短信号到达时间差进行了模拟，最短信号到达时间差值与阵元间距成正比关系，与收发节点相对深度成反比关系。相邻节点间距设置应当满足系统的时间分辨率约束，即系统对前后到达两个信号脉冲的时间分辨能力。另外，由于阵元搭载在水下自主航行器机械臂上，在实际应用中，机械臂过长会增大水下自主航行器设计难度并增加材料成本。

本发明以西经123-124°，北纬38.5-38.7°的示例区域为例，对本发明实施例测量方法结合声速剖面反演算法获得三维声速剖面的结果进行仿真验证。图5是本发明实施例的示例目标区域经验声速剖面数据采样点示意图。

图6是本发明实施例的反演模型框架图。反演步骤为：在已知声速待测量任务区域中确定直达信号传播时间测量点集；在声速待测量任务区域布设发送水下自主航行器以及接收水下自主航行器，通过基于单输入多输出双向交互通信方式测量直达声信号传播时间；根据直达声信号传播时间，采用基于匹配场处理技术的声速剖面反演算法获得声速剖面；据步骤3中在每个经纬度坐标点进行测量和声速剖面反演工作构建声速剖面集合。在所述匹配场处理中，先对经验声速剖面进行经验正交分解得到前6阶特征向量，采用粒子群算法搜索特征向量系数，产生拷贝声速剖面，利用射线理论计算理论直达声信号传播时间，与实际测量直达声信号传播时间进行匹配，寻找匹配项所对应的拷贝声速剖面为最终的反演声速剖面结果。

图7是本发明实施例的示例目标区域经验声速剖面60米海深声速分布。对图5所示采样点的所有经验声速剖面在不同深度进行二维插值，得到区域原始声速剖面分布，并将水深60米的声速分布绘制于图6中。

图8是本发明实施例的示例目标区域单点测量近似代表区域声速分布时60米海深声速分布图。对于传统声速剖面反演的测量方法，由于系统不便于回收布放，通常采用单点测量近似代表整个区域声速剖面，以图5所示中间点作为仿真测量点，进行声速剖面反演，得到区域水深60米声速值。

图9是本发明实施例的示例目标区域单点测量方式声速分布与原始声速分布在60米海深的声速误差。

图10是本发明实施例的示例目标区域多点测量方式结合声速剖面反演算法得到的60米海深声速分布图。本发明实施例以水下自主航行器机动性，对图5目标区域分别在右上部分、左部分、中间部分和右下部分各选取一个仿真测量点，模拟多次测量以及多次声速剖面反演，对反演结果在各水深进行二维数据插值，并得到60米水深的区域声速分布情况。

图11是本发明实施例的示例目标区域多点测量方式声速分布与原始声速分布在60米海深的声速误差。将图10多点测量时的声速剖面反演结果与图7的目标区域60米水深原始声速分布进行对比，得到其绝对声速误差。

通过图8与图10、图9与图11的对比，证明了本发明实施例中多点测量得到三维声速剖面的有效性，可以减小传统测量反演方法在大目标区域的声速反演误差。

本文中所描述的具体实施案例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在已知声速待测量任务区域中确定直达信号传播时间测量点集；

步骤2：在声速待测量任务区域布设发送水下自主航行器以及接收水下自主航行器，通过基于单输入多输出双向交互通信方式测量直达声信号传播时间；

步骤3：根据直达声信号传播时间，采用基于匹配场处理技术的声速剖面反演算法获得声速剖面；

步骤4：根据步骤3中在每个经纬度坐标点进行测量和声速剖面反演工作构建声速剖面集合；

步骤1中所述声速待测量任务区域为S，步骤1中所述直达信号传播时间测量点集为P_S：

其中，(x_m,y_n)为测量点p_m,n的经纬度坐标，相邻坐标的横纵坐标间距满足：

Δx＝x_m+1-x_m＝D,Δy＝y_n+1-y_n＝D

其中D为采样间距，单位为千米；

步骤3中所述基于匹配场处理技术的声速剖面反演算法为：

已知任务区域S中的经验声速剖面数据集为：

其中，k为深度标号，深度标号为k-1和k的采样点之间为第k个深度层，d_i,k为第i组声速剖面S_i中深度标号为k的采样点的深度值，当k＝0时，d_i,0表示海面水下自主航行器所处深度，v_i,k为第i组声速剖面S_i中深度标号为k的采样点的声速值，当k＝0时，v_i,0表示海面水下自主航行器所在深度的声速值，即初始声；

对经验声速剖面数据集SSP的I组声速剖面数据求平均声速剖面

其中，d_k为深度标号为k的采样点的深度值，

为经验声速剖面数据集中深度标号为k的采样点的声速平均值；

根据I组声速剖面数据和声速平均值定义协方差矩阵R：

其中，Δc_i,k是第i组声速剖面S_i在深度标号为k的采样点的声速与平均声速之差：

将协方差矩阵进行特征分解，得到特征值λ_k和对应的特征向量f_k，对特征值由大到小排序，并选取前6个特征值所对应的特征向量作为经验正交函数F_l,l＝1,2,...,6，则测量坐标点p_m,n位置的反演声速剖面可表示成：

其中，d_m,n,k为测量坐标点p_m,n位置的反演声速剖面中深度标号为k的采样点的深度值，

为测量坐标点p_m,n位置的反演声速剖面中深度标号为k的采样点的声速值，F_l,k为第l阶经验正交函数中深度标号为k的元素，α_m,n,l为测量坐标点p_m,n位置的经验正交函数系数；

通过粒子群算法对测量坐标点p_m,n位置的经验正交函数系数进行搜索，得到一组测试经验正交函数系数

H表示总的经验正交系数组数，计算拷贝声速剖面

其中，

表示测量坐标点p_m,n位置的以经验正交函数系数

生成的拷贝声速剖面中深度标号为k的采样点的声速值；

利用声射线理论计算水下自主航行器以及接收水下自主航行器中Q个发送接收节点对的理论信号传播时间序列

具体计算方法为：

水下自主航行器以及接收水下自主航行器位于同一垂线，则海面水下自主航行器信号发送端与海底水下自主航行器所搭载换能器阵列的各阵元之间的水平距离X＝[x₁,x₂,...,x_q],q＝1,2,...Q为先验信息，在两个水下自主航行器深度固定的情况下，对于拷贝声速剖面

首先根据声射线理论的水平传播距离公式计算测量坐标点p_m,n位置的信号由海面水下自主航行器传播到海底水下自主航行器的阵元q的水平传播距离

其中，

为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器发送到海底水下自主航行器上阵元q的信号在第k个深度层的水平传播距离，

为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面中第k个深度层的声速变化梯度，

为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器发送到海底水下自主航行器上阵元q的信号在第k个深度层的初始掠射角，

为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面的初始声速值；

对测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器发送到海底水下自主航行器上阵元q的声线在初始深度层的初始掠射角

以步进Ω度由0°搜索至90°，得到测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下直达信号在不同掠射角情况下的水平传播距离

比较每一组发送接收节点对的实际距离x_q,x_q∈X与计算水平传播距离

的误差，误差最小的计算水平传播距离作为实际距离的匹配项，同时记录获得此距离匹配项时所对应的信号初始掠射角

最终得到在测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下，由海面水下自主航行器传播到海底水下自主航行器各阵元的声线传播初始掠射角序列

然后将初始掠射角带入声射线理论的信号传播时间公式，计算在测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器传播到海底水下自主航行器的阵元q的直达信号传播时间：

对于Q组发送接收节点对，得到在测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下的理论直达信号传播时间计算序列

将步骤2所得测量直达声信号传播时间数据T_m,n与理论直达信号传播时间计算序列

进行对比，采用最小二乘准则判端误差E：

对于由粒子群迭代搜索得到的H组拷贝声速剖面，以误差E最小时对应的拷贝声速剖面作为最终的声速反演结果，则测量坐标点p_m,n位置的最终反演声速剖面结果为

完成单经纬度坐标点声速剖面反演。

2.根据权利要求1所述的基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法，其特征在于：

步骤2中所述布设发送水下自主航行器以及接收水下自主航行器为：

发送水下自主航行器以及接收水下自主航行器在水面通过全球定位系统获得定位信息，下潜后依靠惯性导航系统更新自身位置信息，其中发送水下自主航行器搭载单一换能器航行于海面，接收水下自主航行器搭载水平换能器阵列航行于海底，所搭载阵列由Q＝10个阵元组成；

步骤2中所述通过基于单输入多输出双向交互通信方式测量直达声信号传播时间为：

两个水下自主航行器根据步骤1所述的测量点p_m,n逐点进行直达信号传播时间测量，在某个测量点时，两个水下自主航行器通信交互坐标信息并通过自身姿态调节保持在同一垂线上；

海面水下自主航行器首先发送探测信号，并记录本地信号发送时刻

上标A表示海面水下自主航行器，下标s表示信号发送，当海底水下自主航行器所搭载换能器阵列上第q个阵元接收到海面水下自主航行器的探测信号时，记录接收时刻

上标H表示水平接收阵列，q为阵元编号，下标r表示接收信号，Q表示阵列总阵元数目；

经过一定退避时间t_back后，海底水下自主航行器依次使用阵元q回复确认信号，并记录确认信号回复时刻

海面水下自主航行器记录来自阵元q回复的确认信号的到达时刻

则对于由海面水下自主航行器和海底水下自主航行器阵元q组成的发送接收节点对，其信号传播时间为：

在某个测量坐标点p_m,n，对于海面水下自主航行器和海底水下自主航行器阵列中共Q组收发节点对，测量得到坐标点p_m,n所在剖面的直达信号传播时间序列T_m,n＝[t_m,n,1,t_m,n,2,...,t_m,n,q],m＝1,2,...,M,n＝1,2,...,N,q＝1,2,...,Q。

3.根据权利要求1所述的基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法，其特征在于：步骤4中所述构建声速剖面集合为：

由不同经纬度坐标的反演声速剖面描述不同经纬度坐标，不同深度的三维离散声速分布，当深度标号k固定时，对坐标点p_m,n＝(x_m,y_n)位置的深度标号为k的采样点声速值采用二维三次样条插值算法，得到满足不同分辨率需求的三维离散声速分布。

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