CN116699618B - 一种水下声呐定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下测量定位技术领域,具体涉及一种水下声呐定位方法。该方法包括:S1、建立声呐定位系统,在沉管顶面设一声源以向外发出声波信号,标定声源与沉管的相对位置关系;在运载该沉管的船体上设多个水听器以采集声波信号,标定每一水听器与船体的相对位置关系;S2、启动声呐定位系统对沉管进行水下定位,记录每一水听器的采样时间初值及其位置坐标,同时估量声源的位置坐标初值以初步估算声源的发声时间;建立声源与所有水听器之间的测量方程并进行迭代解算,以获得声源位置坐标的最优解算值,进而获得沉管的实时位置坐标。本发明能够解决现有水下定位方法的弊端,实现对待测水下构件的精确定位。
Description
技术领域
本发明属于水下测量定位技术领域,具体涉及一种水下声呐定位方法。
背景技术
在水下施工项目中经常需要对水下构件进行精确定位,如在海底沉管隧道的建设中,需要对沉管的水下安装进行精确定位。因受到水下条件的限制,陆上成熟的光电测距测角方法、GPS定位方法均不能发挥作用,能够在水下可采用的定位方法主要是声呐测距方法。
水下声呐测距方法主要有反射法和应答法两种,但二者各有不足之处:
1)反射法的基本原理是声波发射→反射→接收,通过声速和声波往返传递的时间差,计算声波传递路径的长度;但由于声波指向性差,测得的声波传递路径的长度没有明确的对应目标位置,因此这一方法基本不能用于水下定位;
2)应答法的基本原理是声波发射→应答器接收并转发(一般需要更换频率)→接收;应答法有明确的对应目标位置,但当需要对多个目标位置进行距离测定时,发生器只能采用轮询的方式,逐个建立发射应答关系,使得对不同目标的测距无法做到同步,也就无法实现精确定位。
发明内容
针对相关技术中存在的不足之处,本发明提供一种水下声呐定位方法,旨在解决现有水下定位方法的种种弊端,实现对待测水下构件的精确定位。
本发明的水下声呐定位方法,应用于沉管的水下安装,包括以下步骤:
S1、建立声呐定位系统,具体包括:
S11、在沉管的顶面设置一声源,声源用于向外发出声波信号;标定声源与沉管之间的相对位置关系;
S12、在运载该沉管的船体上设置至少四个水听器,所有水听器用于采集声源发出的声波信号;标定每一水听器与船体之间的相对位置关系;
S2、启动声呐定位系统,以对沉管进行水下定位,具体包括:
S21、声源发出声波信号,所有水听器同步采集声源发出的声波信号,将每一水听器的采样时间初值记作,其中,/>为水听器的编号,/>或/>或…或/>;根据此时船体的实时位置坐标,结合每一水听器与船体之间的相对位置关系,获得此时每一水听器的位置坐标/>;同时,初步估量此时船体和沉管之间的相对位置关系,并结合声源与沉管之间的相对位置关系,获得声源发声时的位置坐标初值/>,进而初步估算声源的发声时间/>;
S22、建立声源与所有水听器之间的测量方程,进行多次迭代解算,直至达到预设收敛标准后停止迭代,由此获得声源发声时的位置坐标的最优解算值,进而结合声源与沉管之间的相对位置关系,获得沉管的实时位置坐标。
在其中一些实施例中,步骤S22具体包括:
建立声源与一水听器之间的初始测量方程,表示为式(1);
(1);
式(1)中,为声波信号水中传播时的声速初值,/>为声速误差,/>为该水听器的采样时间误差,/>为声源位置坐标误差;
令,将式(1)展开并去掉/>、/>、/>、/>、/>的二次项得到式(2);
(2);
令,/>,/>,则式(2)可表示为式(3);对式(3)进行转换得到式(4),即得到声源与该水听器之间的最终测量方程;
(3);
(4);
令,/>,/>,,则声源与所有水听器之间的最终测量方程表示为式(5);
(5);
根据最小二乘法原理,得到的解表示为式(6),并进行多次迭代解算,在每一次迭代递归中修正/>及/>,直至/>的数值达到预设收敛标准后停止迭代,此时的数值即为声源发声时的位置坐标的最优解算值/>;
(6)。
在其中一些实施例中,步骤S22还包括:根据式(7)进行测量精度的计算,并判断/>是否小于预设测量精度;若是,则/>的解算有效;若否,则/>的解算无效,重新执行步骤S2;
(7)。
在其中一些实施例中,在步骤S21中,声源发声时间的初步估算具体包括:
根据式(8)估算声源发声时与每一水听器之间的距离初值;
(8);
根据式(9)估算声波信号水中传播距离时的时间/>;其中,/>为声波信号水中传播时的声速初值;
(9);
根据式(10)初步估算声源的发声时间;
(10)。
在其中一些实施例中,在步骤S12中,水听器的数量为四个;船体上设有三角形框架,其中三个水听器分别连接于三角形框架的三个角点上,另一个水听器连接于三角形框架的重心位置处。
在其中一些实施例中,在步骤S12中,水听器的数量为六个;船体上设有矩形框架,其中四个水听器分别连接于矩形框架的四个角点上,另外两个水听器分别连接于矩形框架的长边中点位置处。
在其中一些实施例中,在步骤S12中,水听器的数量为八个;船体上设有回字形框架,其中四个水听器分别连接于回字形框架外部的四个角点上,另外四个水听器分别连接于回字形框架内部的四个角点上。
在其中一些实施例中,相距最远的两个水听器之间的距离不小于预设沉管最终位置与船体之间距离的1/5。
在其中一些实施例中,所有水听器的布设高度不完全一致,布设高度差位于20cm-30cm范围内。
基于上述技术方案,本发明实施例中的水下声呐定位方法,能够解决现有水下定位方法的种种弊端,利用不同水听器对同一声源的同步采样时间差来解算声源的位置坐标,实现对沉管即待测水下构件的高精度水下定位;因而该水下声呐定位方法能够适应跨水域通过工程建设规模愈来愈大、施工水深愈来愈深、定位精度愈来愈高的发展趋势。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明的水下声呐定位方法的流程图;
图2为本发明的水下声呐定位方法中水听器布设的实施例一;
图3为本发明的水下声呐定位方法中水听器布设的实施例二;
图4为本发明的水下声呐定位方法中水听器布设的实施例三。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而非全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参考图1-图4所示,本发明提供一种水下声呐定位方法,应用于沉管的水下安装。本领域技术人员可以理解的是,在海底沉管隧道的建设中,通常利用船舶来运载沉管,借助船体上的测控系统及各类绞车等进行船体及沉管的移动、沉管的沉放等,进而实现沉管的水下安装;船体上的测控系统能够对船体本身进行定位。
该水下声呐定位方法包括以下步骤:
S1、建立声呐定位系统,具体包括:
S11、在沉管的顶面设置一声源,声源用于向外发出声波信号;标定声源与沉管之间的相对位置关系;
S12、在运载该沉管的船体上设置至少四个水听器,所有水听器均用于采集声源发出的声波信号;水听器采集声波信号的技术为本领域技术人员所熟知,在此不做赘述;标定每一水听器与船体之间的相对位置关系。
S2、启动声呐定位系统,以对沉管进行水下定位,具体包括:
S21、声源发出声波信号,所有水听器同步采集声源发出的声波信号,将每一水听器的采样时间初值记作,其中,/>为水听器的编号,/>或/>或…或/>;可以理解的是,应视为采样时间的近似值,各水听器与声源之间的距离不尽相同,因而采样时间初值也不尽相同;利用船体上的测控系统,能够获取此时船体的实时位置坐标,据此结合每一水听器与船体之间的相对位置关系,获得此时每一水听器的位置坐标/>;与此同时,参考沉管于船舶上的理论运载位置以及吊装沉管的绞车缆绳长度等信息,初步估量此时船体和沉管之间的相对位置关系,并结合声源与沉管之间的相对位置关系,获得声源发声时的位置坐标初值/>,进而将其与水听器位置坐标/>、水听器采样时间初值/>、声波信号水中传播时的声速初值/>相结合,初步估算声源的发声时间/>;可以理解的是,/>为声源发声时的位置坐标的近似值,/>为声源发声时间的近似值,声速初值/>可按声音在水中的常规传播速度1500m/s进行取值;
S22、建立声源与所有水听器之间的测量方程,进行多次迭代解算,直至达到预设收敛标准后停止迭代,由此获得声源发声时的声源位置坐标的最优解算值,进而结合声源与沉管之间的相对位置关系,获得沉管的实时位置坐标。
需要说明的是,迭代解算旨在获得声源发声时的位置坐标的最优解算值以及声源发声时间的最优解算值,即需要解算四个未知参数,因而至少设置四个水听器才能满足解算需要;进一步地,多于四个水听器的设置,可产生冗余数据,进而可以提高解算结果的准确性和可靠性。
上述示意性实施例,通过声呐定位系统的设置以及测量方程的建立和解算,使多个水听器能够同步采集声源发出的声波信号,进而利用不同水听器对同一声源的同步采样时间差来解算声源的位置坐标,由此实现对沉管的高精度水下定位;解决了现有水下定位方法的种种弊端,避免了因采样时间测不准或声速测不准而导致定位不准的问题,进而能够实现对待测水下构件的精确定位。
参考图1-图4所示,在一些实施例中,步骤S22具体包括:
建立声源与一水听器之间的初始测量方程,表示为式(1);
(1);
式(1)中,为声波信号水中传播时的声速初值,可按声音在水中的常规传播速度1500m/s进行取值;/>为声速误差;/>为该水听器的采样时间误差;/>为声源位置坐标误差;可以理解的是,/>、/>、/>均为微小量,在公式展开时微小量的二次方或两个微小量的乘积可以忽略;
令,将式(1)展开并去掉/>、/>、/>、/>、/>的二次项得到式(2);
(2);
令,/>,/>,则式(2)可表示为式(3);对式(3)进行转换得到式(4),即得到声源与该水听器之间的最终测量方程;
(3);
(4);
令,/>,/>,,则声源与所有水听器之间的最终测量方程表示为式(5);
(5);
根据最小二乘法原理,得到的解表示为式(6),并进行多次迭代解算,在每一次迭代递归中修正/>、/>、/>,直至/>的数值达到预设收敛标准后停止迭代,即/>、、/>、/>均达到预设收敛标准后停止迭代;此时/>的数值即为声源发声时的位置坐标的最优解算值/>,进而结合声源与沉管之间的相对位置关系,获得沉管的实时位置坐标;相应地,此时/>的数值即为声源发声时间的最优解算值,此时/>的数值即为声波信号水中传播时的声速最优解算值;
(6)。
上述示意性实施例,通过声源与所有水听器之间测量方程的建立和迭代解算,实现了对声源发声时的声源位置坐标的最优解算,避免了因采样时间测不准或声速测不准而导致定位不准的问题,进而实现对沉管的高精度水下定位。
参考图1所示,在一些实施例中,步骤S22还包括:根据式(7)进行测量精度的计算,并判断/>是否小于预设测量精度;若是,则声源发声时的位置坐标的最优解算值的解算有效;若否,则声源发声时的位置坐标的最优解算值/>的解算无效,重新执行步骤S2,直至/>小于预设测量精度,当前沉管的水下定位完成;
(7)。
上述示意性实施例,通过测量精度的计算,能够确保该水下声呐定位方法的数据解算结果的有效性和可靠性。
参考图1所示,在一些实施例中,在步骤S21中,声源发声时间的初步估算具体包括:
根据式(8)估算声源发声时与每一水听器之间的距离初值;
(8);
根据式(9)估算声波信号水中传播距离时的时间/>;其中,/>为声波信号水中传播时的声速初值,可按声音在水中的常规传播速度1500m/s进行取值;
(9);
根据式(10)初步估算声源的发声时间;
(10)。
上述示意性实施例,实现了声源发声时间的初步估算,且能够提高声源发声时间/>的估算精度。
参考图2所示,在一些实施例中,在步骤S12中,水听器的数量为四个。船体上设有三角形框架,其中三个水听器分别连接于三角形框架的三个角点上,另一个水听器连接于三角形框架的重心位置处。参考图3所示,在一些实施例中,在步骤S12中,水听器的数量为六个。船体上设有矩形框架,其中四个水听器分别连接于矩形框架的四个角点上,另外两个水听器分别连接于矩形框架的长边中点位置处。参考图4所示,在一些实施例中,在步骤S12中,水听器的数量为八个。船体上设有回字形框架,其中四个水听器分别连接于回字形框架外部的四个角点上,另外四个水听器分别连接于回字形框架内部的四个角点上。
参考图2-图4所示,在一些实施例中,相距最远的两个水听器之间的距离不小于预设沉管最终位置与船体之间距离的1/5,以使多个水听器分布于较大的水平范围内,有利于提高对沉管的水下定位精度。
参考图2-图4所示,在一些实施例中,所有水听器的布设高度不完全一致,布设高度差位于20cm-30cm范围内,以使多个水听器之间形成高度差,以满足测量方程迭代解算的需要,提高数据解算结果的可靠性。
综上所述,本发明的水下声呐定位方法,通过声呐定位系统的设置以及测量方程的建立和解算,使多个水听器能够同步采集声源发出的声波信号,进而利用不同水听器对同一声源的采样时间差来解算声源的位置坐标,由此实现对沉管的高精度水下定位;解决了现有水下定位方法的种种弊端,避免了因采样时间测不准或声速测不准而导致定位不准的问题,进而能够实现对待测水下构件的精确定位;由此,本发明的水下声呐定位方法能够适应跨水域通过工程建设规模愈来愈大、施工水深愈来愈深、定位精度愈来愈高的发展趋势。
最后应当说明的是:本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制;尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换;而不脱离本发明技术方案的精神,其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (8)
1.一种水下声呐定位方法,应用于沉管的水下安装,其特征在于,包括以下步骤:
S1、建立声呐定位系统,具体包括:
S11、在沉管的顶面设置一声源,所述声源用于向外发出声波信号;标定所述声源与沉管之间的相对位置关系;
S12、在运载该沉管的船体上设置至少四个水听器,所有所述水听器用于采集声源发出的声波信号;标定每一所述水听器与船体之间的相对位置关系;
S2、启动声呐定位系统,以对沉管进行水下定位,具体包括:
S21、所述声源发出声波信号,所有所述水听器同步采集声源发出的声波信号,将每一水听器的采样时间初值记作,其中,/>为水听器的编号,/>或/>或…或/>;根据此时船体的实时位置坐标,结合每一水听器与船体之间的相对位置关系,获得此时每一水听器的位置坐标/>;同时,初步估量此时船体和沉管之间的相对位置关系,并结合声源与沉管之间的相对位置关系,获得所述声源发声时的位置坐标初值/>,进而初步估算声源的发声时间/>;
S22、建立所述声源与所有水听器之间的测量方程,进行多次迭代解算,直至达到预设收敛标准后停止迭代,由此获得所述声源发声时的位置坐标的最优解算值,进而结合所述声源与沉管之间的相对位置关系,获得沉管的实时位置坐标;获得所述声源发声时的位置坐标的最优解算值/>具体包括:
建立所述声源与一水听器之间的初始测量方程,表示为式(1);
(1);
式(1)中,为声波信号水中传播时的声速初值,/>为声速误差,/>为该水听器的采样时间误差,/>为声源位置坐标误差;
令,将式(1)展开并去掉/>、/>、/>、/>、/>的二次项得到式(2);
(2);
令,/>,/>,则式(2)可表示为式(3);对式(3)进行转换得到式(4),即得到所述声源与该水听器之间的最终测量方程;
(3);
(4);
令,/>,/>,/>,则所述声源与所有水听器之间的最终测量方程表示为式(5);
(5);
根据最小二乘法原理,得到的解表示为式(6),并进行多次迭代解算,在每一次迭代递归中修正/>及/>,直至/>的数值达到预设收敛标准后停止迭代,此时的数值即为所述声源发声时的位置坐标的最优解算值/>;
(6)。
2.根据权利要求1所述的水下声呐定位方法,其特征在于,所述步骤S22还包括:根据式(7)进行测量精度的计算,并判断/>是否小于预设测量精度;若是,则/>的解算有效;若否,则/>的解算无效,重新执行步骤S2;
(7)。
3.根据权利要求1所述的水下声呐定位方法,其特征在于,在所述步骤S21中,声源发声时间的初步估算具体包括:
根据式(8)估算所述声源发声时与每一水听器之间的距离初值;
(8);
根据式(9)估算声波信号水中传播距离时的时间/>;其中,/>为声波信号水中传播时的声速初值;
(9);
根据式(10)初步估算声源的发声时间;
(10)。
4.根据权利要求1所述的水下声呐定位方法,其特征在于,在所述步骤S12中,所述水听器的数量为四个;所述船体上设有三角形框架,其中三个水听器分别连接于三角形框架的三个角点上,另一个水听器连接于三角形框架的重心位置处。
5.根据权利要求1所述的水下声呐定位方法,其特征在于,在所述步骤S12中,所述水听器的数量为六个;所述船体上设有矩形框架,其中四个水听器分别连接于矩形框架的四个角点上,另外两个水听器分别连接于矩形框架的长边中点位置处。
6.根据权利要求1所述的水下声呐定位方法,其特征在于,在所述步骤S12中,所述水听器的数量为八个;所述船体上设有回字形框架,其中四个水听器分别连接于回字形框架外部的四个角点上,另外四个水听器分别连接于回字形框架内部的四个角点上。
7.根据权利要求4或5或6所述的水下声呐定位方法,其特征在于,相距最远的两个水听器之间的距离不小于预设沉管最终位置与船体之间距离的1/5。
8.根据权利要求4或5或6所述的水下声呐定位方法,其特征在于,所有所述水听器的布设高度不完全一致,布设高度差位于20cm-30cm范围内。
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