CN112083427B - 一种冰下无人潜航器测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冰下无人潜航器测距方法，基于几何原理和声信号处理，当水下无人潜航器2发射信号至接收水听器3时，通过匹配滤波处理得到直达波和最短途径平面冰层1的下表面反射波的时延差，结合冰层下的水中声速，估计得到水下无人潜航器2与接收水听器3之间的水平距离；本发明在利用水下无人潜航器进行冰下航行作业时，由于冰层的存在，不易确定水下无人潜航器与接收水听器之间的距离，通过此方法可以估计出水下无人潜航器与接收水听器之间的距离，对水声研究具有一定的帮助。

Description

一种冰下无人潜航器测距方法

技术领域

本发明涉及一种测距方法，尤其涉及一种冰下无人潜航器测距方法，属于水声学技术领域。

背景技术

水声测距是水声学领域的重要研究内容之一，水声测距是实现水下导航、探测等能力的基础，水声测距技术对海洋探索和开发具有重要的意义。水声测距技术体制按照工作方式可分为两种：主动测距和被动测距。主动测距从发射端发射信号到接收端，接收端接收到信号后会返回一个信号回到发射端，在发射端估计出发送和接收的时延，结合声速可以计算出收发两端的距离。被动测距一端发射信号，另一端被动接收信号，根据接收端接收信号的方位、时延差等信息，结合声速来估计发射端到接收端的距离。

极地蕴含着大量资源，但受地理、水文和气候条件限制，冰下环境探测任务困难重重。无人潜航器不需通过人们驾驶，可以靠遥控和自动控制在冰层覆盖下的水中航行，无人潜航器在执行冰下水声通信、探测、导航等航行作业时，需要实时监测无人潜航器与接收水听器的距离。本发明设计了一种估计在冰下航行作业的无人潜航器与接收水听器之间距离的测距方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服水下无人潜航器在冰下航行作业测距的困难而提供一种冰下无人潜航器测距方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种冰下无人潜航器测距方法，利用“虚源法”建立冰下声场模型，由以下步骤得出：

步骤一：设置冰下环境，水下无人潜航器2布放深度为d₁，接收水听器3布放深度为d₂，水下无人潜航器2与接收水听器3之间的水平距离R；

步骤二：利用勾股定理分别表示出水下无人潜航器2与接收水听器3之间的水平距离R与直达波所经途径R₁和经点O'反射传播到接收水听器端的反射波所经途径R₂的关系式，可计算得到途径R₁和R₂为：

步骤三：通过匹配滤波处理分析接收水听器3接收的信号可得到，经途径R₁到达接收水听器3的直达波和经途径R₂到达接收水听器3的反射波之间的时延差为Δτ；

冰层下的水中声速为c，可计算得到途径R₁和R₂的路程差为：

R₂-R₁＝cΔτ

通过计算上式，可得到水下无人潜航器2与接收水听器3之间的水平距离R为：

本发明还包括这样一些特征：

以平面冰层1的下表面为中心线，作水下无人潜航器的对称点，称作虚源4，与平面冰层1的下表面的距离为d₁，水下无人潜航器2与虚源4的连线与平面冰层1的下表面交至于点O，由虚源4发射的信号传播到接收水听器3的直达波所经途径为R₂＝R₂₁'+R₂₂，与平面冰层1的下表面交至于点O'，由水下无人潜航器2发射的信号经点O'反射传播到接收水听器3所经途径为R₂＝R₂₁+R₂₂，该途径是发射信号经平面冰层1的下表面反射传播到接收水听器3的反射波中所经的最短途径，根据几何关系，R₂₁＝R₂₁'，即R₂＝R₂'，由虚源4发射的信号传播到接收水听器3的直达波所经途径R₂'可分别表示为：又R₂＝R₂'，因此由水下无人潜航器2发射的信号经点O'反射传播到接收水听器4所经途径R₂可表示为：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在利用水下无人潜航器进行冰下航行作业时，由于冰层的存在，不易确定水下无人潜航器与接收水听器之间的距离，通过此方法可以估计出水下无人潜航器与接收水听器之间的距离，对水声研究具有一定的帮助。

附图说明

图1是测距方法几何原理图；

图2是线性调频发射信号仿真图；

图3是接收信号仿真图；

图4是接收信号局部放大图；

图5是匹配滤波处理结果图；

图6是匹配滤波处理结果局部放大图

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的是这样实现的：

如图1所示，本发明所述的环境包括，厚度为d的平面冰层1、布放于冰下水深d₁处可在水平方向自主航行的水下无人潜航器2，固定布放于水深d₂处的接收水听器端3。

利用”虚源法”建立冰下声场模型：

以平面冰层1的下表面为中心线，作水下无人潜航器的对称点，称作虚源4，与平面冰层1的下表面的距离为d₁，水下无人潜航器2与虚源4的连线与平面冰层1的下表面交至于点O。

直达波是指在均匀介质中由声源直接传播到接收点的声波。由水下无人潜航器2发射的信号传播到接收水听器3的直达波所经途径为R₁，由虚源4发射的信号传播到接收水听器3的直达波所经途径为R₂＝R₂₁'+R₂₂，与平面冰层1的下表面交至于点O'。由水下无人潜航器2发射的信号经点O'反射传播到接收水听器3所经途径为R₂＝R₂₁+R₂₂，该途径是发射信号经平面冰层1的下表面反射传播到接收水听器3的反射波中所经的最短途径。根据几何关系，R₂₁＝R₂₁'，即R₂＝R₂'。

水下无人潜航器2与接收水听器3之间的水平距离表示为R，根据勾股定理，由水下无人潜航器2发射的信号传播到接收水听器3的直达波所经途径R₁和由虚源4发射的信号传播到接收水听器3的直达波所经途径R₂'可分别表示为：

又R₂＝R₂'，因此由水下无人潜航器2发射的信号经点O'反射传播到接收水听器4所经途径R₂可表示为：

通过匹配滤波处理分析接收水听器3接收的信号可得到，经途径R₁到达接收水听器3的直达波和经途径R₂到达接收水听器3的反射波之间的时延差为Δτ。

冰层下的水中声速为c，可计算得到途径R₁和R₂的路程差为：

R₂-R₁＝cΔτ

通过计算上式，可得到水下无人潜航器2与接收水听器3之间的水平距离R为：

本发明基于几何原理和声信号处理，当水下无人潜航器2发射信号至接收水听器3时，通过匹配滤波处理得到直达波和最短途径平面冰层1的下表面反射波的时延差，结合冰层下的水中声速，估计得到水下无人潜航器2与接收水听器3之间的水平距离。

本发明属于水声学技术领域，主要是利用直达波和反射波的时延差等信息估计出水下无人潜航器在冰下航行作业时与接收水听器之间的距离。本发明主要内容：利用“虚源法”建立冰下声场模型，水下无人潜航器发射的信号传播到接收水听器端的直达波，和虚源发射的信号传播到接收水听器的直达波，即水下无人潜航器发射的信号经冰层下表面反射传播到接收水听器的所经的最短途径反射波，对接收信号进行匹配滤波处理，得到直达波和反射波的时延差，结合冰层下的水中声速，通过几何计算，进而估计冰下水下无人潜航器与接收水听器之间的水平距离。

1、如图1所示，本发明所述的环境包括，厚度为d的平面冰层1、布放于冰下水深d₁处可在水平方向自主航行的水下无人潜航器2，固定布放于水深d₂处的接收水听器端3。

2、利用“虚源法”建立冰下声场模型：

直达波是指在均匀介质中由声源直接传播到接收点的声波。由水下无人潜航器2发射的信号传播到接收水听器3的直达波所经途径为R₁，由虚源4发射的信号传播到接收水听器3的直达波所经途径为R₂＝R₂₁'+R₂₂，与平面冰层1的下表面交至于点O'。由水下无人潜航器2发射的信号经点O'反射传播到接收水听器3所经途径为R₂＝R₂₁+R₂₂，该途径是发射信号经平面冰层1的下表面反射传播到接收水听器3的反射波中所经的最短途径。其中，根据几何关系，R₂₁＝R₂₁'，即R₂＝R₂'。水下无人潜航器2与接收水听器3之间的水平距离可表示为R，根据勾股定理知，由水下无人潜航器2发射的信号传播到接收水听器3的直达波所经途径R₁和由虚源4发射的信号传播到接收水听器端的直达波所经途径R₂'可分别表示为：

又R₂＝R₂'，因此由水下无人潜航器2发射的信号经点O'反射传播到接收水听器3的反射波所经途径R₂可表示为：

3、通过匹配滤波处理分析接收水听器3接收的信号可得到经途径R₁到达接收水听器3的直达波和经途径R₂到达接收水听器3的反射波之间的时延差为Δτ：

Δτ＝t₂-t₁

冰层下水中声速为c，可计算得到途径R₁和R₂的路程差可表示为：

R₂-R₁＝cΔτ

通过计算上式，可得到水下无人潜航器2与接收水听器3之间的水平距离R为：

实施例：

第一步，设置冰下环境，水下无人潜航器2布放深度为d₁＝30m，接收水听器3布放深度为d₂＝50m，水下无人潜航器2与接收水听器3之间的水平距离R＝500m。

第二步，利用勾股定理分别表示出水下无人潜航器2与接收水听器3之间的水平距离R与直达波所经途径R₁和经点O'反射传播到接收水听器端的反射波所经途径R₂的关系式，可计算得到途径R₁和R₂为：

冰层下的水中声速c＝1450m/s，途径R₁和R₂的路程差可表示为：

R₂-R₁＝cΔτ

通过上式可计算得到直达波和反射波的时延差为：

第三步，水下无人潜航器2发射线性调频信号，设置发射脉宽为5ms，调频带宽为100kHz，如图2所示。由计算所得的时延差Δτ＝0.00411s仿真得到接收水听器3接收的信号，由直达波、反射波和高斯白噪声组成，如图3所示，图4为接收信号局部放大图。对接收信号进行匹配滤波并归一化处理，如图5所示，图6为匹配滤波处理结果局部放大图，由图6可得到直达波和反射波的时延差Δτ＝1.005-1.0009＝0.0041s，冰层下的水中声速c＝1450m/s，计算途径R₁和R₂的路程差为：

R₂-R₁＝cΔτ＝1450×0.0041＝5.945m

即：

计算该式，可得到水下无人潜航器2与接收水听器3之间的水平距离R为：

通过对接收信号进行匹配滤波，得到直达波和反射波的时延差，进而计算得到的水下无人潜航器与接收水听器之间的水平距离R＝501.2544m，与第一步中设置的水平距离500m近似，因此该方法可有效估计冰下水下无人潜航器与接收水听器之间的水平距离。

Claims (1)

1.一种冰下无人潜航器测距方法，其特征是，利用“虚源法”建立冰下声场模型，由以下步骤得出：

步骤一：设置冰下环境，水下无人潜航器(2)布放深度为d₁，接收水听器(3)布放深度为d₂，水下无人潜航器(2)与接收水听器(3)之间的水平距离R；

步骤二：利用勾股定理分别表示出水下无人潜航器(2)与接收水听器(3)之间的水平距离R与直达波所经途径R₁和经点O'反射传播到接收水听器端的反射波所经途径R₂的关系式，得到途径R₁和R₂为：

步骤三：通过匹配滤波处理分析接收水听器(3)接收的信号得到，经途径R₁到达接收水听器(3)的直达波和经途径R₂到达接收水听器(3)的反射波之间的时延差为Δτ；

冰层下的水中声速为c，得到途径R₁和R₂的路程差为：

R₂-R₁＝cΔτ

得到水下无人潜航器(2)与接收水听器(3)之间的水平距离R为：

利用“虚源法”建立冰下声场模型具体为：

以平面冰层(1)的下表面为中心线，作水下无人潜航器的对称点，称作虚源(4)，与平面冰层(1)的下表面的距离为d₁，水下无人潜航器(2)与虚源(4)的连线与平面冰层(1)的下表面交至于点O，由虚源(4)发射的信号传播到接收水听器(3)的直达波所经途径为R₂＝R₂₁'+R₂₂，与平面冰层(1)的下表面交至于点O'，由水下无人潜航器(2)发射的信号经点O'反射传播到接收水听器(3)所经途径为R₂＝R₂₁+R₂₂，该途径是发射信号经平面冰层(1)的下表面反射传播到接收水听器(3)的反射波中所经的最短途径，根据几何关系，R₂₁＝R₂₁'，即R₂＝R₂'，由虚源(4)发射的信号传播到接收水听器(3)的直达波所经途径R₂'可分别表示为：又R₂＝R₂'，因此由水下无人潜航器(2)发射的信号经点O'反射传播到接收水听器(3)所经途径R₂可表示为：/>