CN111708009B - 一种水下声学异步测距方法 - Google Patents

一种水下声学异步测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种水下声学异步测距方法,属于水声测距技术领域，具体过程为：(一)利用发射端的声速梯度仪测量海洋中的声速和深度，使用梯度判断法建立等效的分层声速剖面；(二)结合声速剖面等声学参数，利用快速声线跟踪法，建立不同发射深度、不同接收深度下的不同水平距离距离下的声传播时间表；(三)利用深度传感器测量发射端和接收端深度，并且采用水下声学异步测距方式，测量得到收发两端的声传播时间；(四)在声传播时间表中，利用查表法初步估计水平距离，再结合快速声线跟踪法和线性插值法修正此水平距离，从而获得发射端与接收端的距离。本方法提高了利用射线声学模型搜索本征声线的速度，减少了计算的运算量。

Description

一种水下声学异步测距方法
技术领域
本发明设计属于水声测距技术领域，具体涉及一种水下声学异步测距方法。
背景技术
从海洋中获得更大的利益已成为21世纪的国家发展战略。水声技术作为一种先进的海中探测和通讯手段，被广泛地应用于海洋学科的各个领域。在水下观测、目标定位、水下机器人作业研究的过程中，均需要利用声纳进行水声定位。而水声测距的精度将直接影响着水声定位的精度，由此可见水声测距方法的探索和研究的重要性。
水声测距技术按照同步方式可分为同步测距和异步测距。同步测距要求收发两端保持高精度的同步时钟，发射端发射一个携带时标信息的脉冲，接收端根据接收时刻与发射时刻的差再结合声速就可获得距离信息。异步测距则通过收发两端的应答时间、水声传播速度结合收发两端的空间相对位置信息来解算两者的距离。一般来说，在同步时钟精度较高的情况下，同步测距精度会高于异步测距精度。但同步测距使用的同步时钟价格比较昂贵，所以研究一种高精度的异步测距方法是很有必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水下声学异步测距方法。
本发明的技术方案具体如下；
一种水下声学异步测距方法,具体过程为：
(一)利用发射端的声速梯度仪测量海洋中的声速和深度，使用梯度判断法建立等效的分层声速剖面；
(二)结合声速剖面等声学参数，利用快速声线跟踪法，建立不同发射深度、不同接收深度下的不同水平距离距离下的声传播时间表；
(三)利用深度传感器测量发射端和接收端深度，并且采用水下声学异步测距方式，测量得到收发两端的声传播时间；
(四)在声传播时间表中，利用查表法初步估计水平距离，再结合快速声线跟踪法和线性插值法修正此水平距离，从而获得发射端与接收端的距离。
有益效果
第一，本方法提出了快速声线跟踪方法，提高了利用射线声学模型搜索本征声线的速度，减少了计算的运算量。
第二，本方法结合水下声学异步测距的工作特点，在等效声速法测距的基础上，提出了一种新的计算声学距离的方法，在利用射线声学模型建立声传播时间表上，采用查表的方法，初步估计实际测量的声传播时间对应的水平距离，再结合快速声线跟踪法和线性插值方法修正此水平距离，从而更加准确地测量了距离，提高水下声学测距的精度。
附图说明
图1水下声学异步测距的流程图；
图2水下声学异步测距的布放示意图；
图3快速声线跟踪法的流程图；
图4基于快速声线跟踪的声学测距框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
当然，本发明还可以有其他的实施例，在不背离发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
本发明的基本思想：本发明在射线声学模型的基础上，结合水下声学异步测距工作方式的特点，将查表法和快速声线跟踪法相结合，更加准确地估计发射端与接收端之间的水平距离，从而提高了水下声学测距的精度。
水下声学异步测距布放示意图如图2所示，在海中布放两个带有深度传感器的水声Modem，发射端由一个水声Modem和声速梯度仪组成，接收端为一个水声Modem。
本发明一种水下声学异步测距方法，具体过程为：
(一)利用发射端的声速梯度仪测量海洋中的声速和深度，使用梯度判断法建立等效的分层声速剖面。具体如下：
首先，利用声速梯度仪测量的前两组声速和深度计算声速梯度的初始值，并将第一组声速和深度记录到等效分层声速剖面。然后依次计算相邻两组数据的声速梯度，判断声速梯度与声速梯度初始值的关系，若声速梯度与声速梯度初始值之间的误差大于门限，则更新声速梯度初始值，并将此时的声速和深度记录到等效分层声速剖面中；否则继续计算，直到判断完所有的声速值，将最后一组声速和深度记录到等效分层声速剖面中。
设声速梯度仪测得的声速为C(ci)和对应的深度为H(ci)，利用梯度判断法，构建等效的分层声速剖面SVP。
声速梯度仪测得的声速C(ci)，深度为H(ci)，海深为Hs，其中ci为1,2...,NC；NC为声速个数。声速梯度初始值为slope，分层声速剖面为SVP，声速梯度为tslope。
SVP(1,1)＝H(1)
SVP(1,2)＝C(1)
其中，ti＝2,.3,…,NC。
判断声速梯度tslope(ti)与声速梯度初始值slope的关系，当tslope(ti)与slope的差的绝对值小于A*slope，其中A为设定的倍数，则
SVP(ml,1)＝H(ti)
SVP(ml,2)＝C(ti)
否则，slope等于tslope(ti)，ml加1。其中，ml的初始值为2。直到判断完到tslope(NC)为止。
(二)结合所述声速剖面，利用快速声线跟踪法，建立不同发射深度、不同接收深度下的不同水平距离对应的声传播时间表。过程如下：
首先设置发射深度、接收深度以及水平距离的范围以及步长。然后利用快速声线跟踪，计算某一发射深度、某一接收深度下，某一水平距离下的最先到达声线的传播时间。然后不断改变发射深度、接收深度以及水平距离，从而得到不同发射深度、不同接收深度下，不同的水平距离对应的声传播时间。
下面对该步骤进行更为详细说明：
(1)设置发射深度、接收深度以及水平距离的范围以及步长。
设置发射深度Zssi、接收深度Zrrj以及水平距离Rrk的范围以及步长ΔZs，ΔZr和ΔR。发射深度Zssi、接收深度Zrrj的最大深度为海深H，水平距离Rrk的最大值为最大通信距离Rmax的1.5倍。
Zssi＝(si-1)*ΔZs
Zrrj＝(rj-1)*ΔZr
Rrk＝(rk-1)*ΔR
其中，
(2)利用快速声线跟踪，计算某一发射深度、某一接收深度下，某一水平距离下的最先到达声线的传播时间。
发射端深度Zssi，接收端深度Zrrj，水平距离Rrk，等效分层声速剖面SVP，海面反射系数Rs，海底反射系数Rb，海水吸收系数α。
(a)在等效分层声速剖面SVP下，按照发射深度Zst，接收深度Zrt，计算初始掠射角β。
其中，第一次未改变等效分层声速剖面SVP下的发射深度Zst为Zssi，接收深度Zrt为Zrrj。
(b)以初始掠射角为β对每一层的声线跟踪，计算其传播时间和水平距离，累加求和，得到初始掠射角为β的声线的传播时间tray和水平距离Rray。
(c)比较水平距离Rray与设定的水平距离Rrk是否相等。
如果水平距离Rray与设定的水平距离Rrk误差小于或等于设定阈值B，则记录此时的传播时间tray，本征声线个数增加1，再判断本征声线个数是否小于设定的本征声线个数，如果小于设定的本征声线个数，按照虚点原理将界面反射转化，建立新的声速剖面，发射深度Zst和接收深度Zrt均发生变化，再按照步骤(a)-(e)搜索下一个本征声线，否则进入步骤(f)。
如果水平距离Rray与设定的水平距离Rrk误差大于设置阈值B，判断此初始掠射角和上一次初始掠射角对应的水平距离是否设定的水平距离的两侧。
(d)若相邻初始掠射角计算出的水平距离在设定的水平距离两侧时，则按照线性插值，重新设置初始掠射角β；否则，根据水平距离和设置的水平距离的差值，重新设置初始掠射角β。
若相邻初始掠射角计算出的水平距离在设定的水平距离两侧时，相邻初始掠射角为β1和β2，对应的水平距离为R1和R2，则初始掠射角β为
否则，根据水平距离Rray和设置的水平距离Rrk的差值，重新设置初始掠射角β。
(e)判断初始掠射角β是否在最小掠射角和最大掠射角范围内，如果满足要求，返回步骤(b)进行；否则按照虚点原理将界面反射转化，建立新的声速剖面，发射深度Zst和接收深度Zrt均发生变化，再按照步骤(a)-(e)搜索下一个本征声线，否则进入步骤(f)。
(f)比较这N1个声线的传播时间tray，查找最小的声线的传播时间tray，此传播时间即为水平距离Rrk下的声线传播时间。
(g)不断地改变设定的水平距离Rrk，计算得到发射端深度Zssi、接收端深度Zrrj下、不同水平距离对应的声线传播时延tsi,rj,rk。
(3)改变发射端深度Zssi和接收端深度Zrrj，获得不同发射端深度、接收端深度下、不同水平距离对应的声线传播时延tsi,rj,rk。
(三)利用深度传感器测量发射端和接收端深度，并且采用水下声学异步测距方式，测量得到收发两端的声传播时间；具体为：
发送端发送携带发送时间的通信测距信号。接收端接收到发送端发送的信号后记录信号的接收时间，利用深度传感器测量此时接收端的深度，然后向发射端发送携带发射时间、接收端接收时间以及接收端深度的应答声信号。发射端接收到接收端的应答信号后记录此时的接收时间，并利用深度传感器测量此时发射端的深度。然后利用发射端接收应答时间与发射端发射通信测距信号的发射时间，计算水下声学异步测距的时间。具体过程为：
(1)发送端发送携带发送时间t1的通信测距信号。
(2)接收端接收到发送端发送的信号后记录接收时间t2，利用深度传感器测量此时接收端的深度h1。然后接收端向发射端发送携带发射时间t1、接收端接收时间t2以及接收端深度h2的应答声信号。
(3)发射端接收到接收端的应答信号后记录此时的接收时间t3，并利用深度传感器测量此时发射端的深度h2。水下声学异步测距的时间Δt为发射端收应答时间t3与发射端发射通信测距信号的发射时间t1的差。
Δt＝t3-t1
(四)在不同发射深度、不同接收深度下的不同水平距离距离对应的声传播时间中，采用查表法初步估计水平距离，然后结合快速声线跟踪法，利用线性插值修正此水平距离，从而获得发射端与接收端的声学距离。
(1)在声传播时间表中，查找发射深度为h1和接收深度为h2下，不同水平距离对应的时间和查找发射深度为h2和接收深度为h1下，不同水平距离对应的时间然后将相同水平距离下的时间对应相加得到tnrk。
(2)比较水下声学异步测距的Δt与tnrk大小，如果Δt与tnrk的误差小于设定门限C，则tnrk对应的水平距离Rrk，即为发射端到接收端的水平距离Rs，停止计算。否则，查找离Δt最近的时间tl和th，以及对应的水平距离Rl和Rh。
(a)利用线性插值计算临时水平距离Rtemp。
其中，tl<Δt<th。
(b)利用快速声线跟踪法计算发射深度为h1和接收深度为h2，水平距离为Rtemp的最早到达声线的时间tt1和计算发射深度为h2和接收深度为h1，水平距离为Rtemp的最早到达声线的时间tt2，得到临时水平距离Rtemp对应的声传播时间ttemp。
ttemp＝tt1+tt2
(c)比较Δt与ttemp的误差是否小于设定门限C，若Δt与ttemp的误差小于门限C，则临时水平距离Rtemp赋值给发射端到接收端的水平距离Rs，停止计算。否则，比较临时声传播时间ttemp与Δt的大小，如果ttemp小于Δt，则将ttemp赋值给时间tl；否则将ttemp赋值给时间th。然后返回步骤(a),利用线性插值计算临时水平距离Rtemp。再执行步骤(b)，利用快速声线跟踪法计算声传播时间ttemp。继续比较Δt与ttemp的关系，最多计算N1次，若第N1次还不满足条件，则将此时的临时水平距离Rtemp赋值给发射端到接收端的水平距离Rs，停止计算。
(3)利用发射端到接收端的水平距离Rs，以及发射端深度为h1和接收深度为h2，根据三角公式，计算发射端到接收端的斜距Rx。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种水下声学异步测距方法,其特征在于，具体过程为：
(一)利用发射端的声速梯度仪测量海洋中的声速和深度，使用梯度判断法建立等效的分层声速剖面；
(二)结合声速剖面等声学参数，利用快速声线跟踪法，建立不同发射深度、不同接收深度下的不同水平距离下的声传播时间表；
(三)利用深度传感器测量发射端和接收端深度，并且采用水下声学异步测距方式，测量得到收发两端的声传播时间Δt；
(四)在声传播时间表中，利用查表法初步估计水平距离，再结合快速声线跟踪法和线性插值法修正此水平距离，从而获得发射端与接收端的距离；
所述步骤(四)中结合快速声线跟踪法和线性插值法修正此水平距离的过程为：
(a)利用线性插值计算临时水平距离Rtemp；
其中，时间tl和th为传播时间表中离Δt最近的时间，tl<Δt<th，Rl和Rh为传播时间表中对应时间tl和th的水平距离；
(b)利用快速声线跟踪法计算发射深度为h1和接收深度为h2，水平距离为Rtemp的最早到达声线的时间tt1和计算发射深度为h2和接收深度为h1，水平距离为Rtemp的最早到达声线的时间tt2，得到临时水平距离Rtemp对应的声传播时间ttemp；
ttemp＝tt1+tt2
(c)比较Δt与ttemp的误差是否小于设定门限C，若Δt与ttemp的误差小于门限C，则临时水平距离Rtemp赋值给发射端到接收端的水平距离Rs，停止计算；否则，比较临时声传播时间ttemp与Δt的大小，如果ttemp小于Δt，则将ttemp赋值给时间tl；否则将ttemp赋值给时间th；然后返回步骤(a),利用线性插值计算临时水平距离Rtemp；再执行步骤(b)，利用快速声线跟踪法计算声传播时间ttemp；继续比较Δt与ttemp的关系，最多计算N1次，若第N1次还不满足条件，则将此时的临时水平距离Rtemp赋值给发射端到接收端的水平距离Rs，停止计算。
2.根据权利要求1所述的水下声学异步测距方法,其特征在于，所述步骤(一)的具体过程为：首先，利用声速梯度仪测量的前两组声速和深度计算声速梯度的初始值，并将第一组声速和深度记录到等效分层声速剖面；然后，依次计算相邻两组数据的声速梯度，判断声速梯度与声速梯度初始值的关系，若声速梯度与声速梯度初始值之间的误差大于门限，则更新声速梯度初始值，并将此时的声速和深度记录到等效分层声速剖面中；否则继续计算，直到判断完所有的声速值，将最后一组声速和深度记录到等效分层声速剖面中。
3.根据权利要求1所述的水下声学异步测距方法,其特征在于，所述步骤(二)的具体过程为：首先设置发射深度、接收深度以及水平距离的范围以及步长；然后利用快速声线跟踪，计算某一发射深度、某一接收深度下，某一水平距离下的最先到达声线的传播时间；不断改变发射深度、接收深度以及水平距离，从而得到不同发射深度、不同接收深度下，不同的水平距离对应的声传播时间。
4.根据权利要求1所述的水下声学异步测距方法,其特征在于，所述步骤(三)的具体过程为：发送端发送携带发送时间的通信测距信号，接收端接收到发送端发送的信号后记录信号的接收时间，利用深度传感器测量此时接收端的深度，然后向发射端发送携带发射时间、接收端接收时间以及接收端深度的应答声信号；发射端接收到接收端的应答信号后记录此时的接收时间，并利用深度传感器测量此时发射端的深度，然后利用发射端接收应答时间与发射端发射通信测距信号的发射时间，计算水下声学异步测距的时间。
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