CN116774197A - 基于声呐扫测深度变化的固定目标物的声速剖面求取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声呐扫测深度变化的固定目标物的声速剖面求取方法。该方法通过设置声波发生点和若干声波反射点，并以等距离垂向布置反射点，实现声波的发射和接收。通过记录声波反射相关的数据参数，包括声波发射点与声波反射点之间的水平距离、声波反射点之间的垂向距离等，利用计算公式推导出声波在不同层次中的平均声速。该方法具有高效、准确、安全、方便和经济的特点。相比传统方法，本发明方法能够克服传统方法在声速剖面获取和双轴扫描声呐数据修正方面的限制和缺点。通过该方法，可以获得声速剖面的实时信息，为水下声通信、水下定位、目标探测、海洋环境监测和资源勘探等应用提供重要的数据支持。

Description

基于声呐扫测深度变化的固定目标物的声速剖面求取方法

技术领域

本发明属于海洋信息探测技术领域，尤其涉及一种基于声呐扫测深度变化的固定目标物的声速剖面求取方法。

背景技术

传统上，水声信号被广泛应用于海水中的信息传递。然而，海洋环境的复杂性导致声音信号在海水中传播时受到多种因素的影响，包括海面和海底的反射以及声速剖面的变化。尤其是海洋声速剖面对于水下声通信、水下定位、目标探测、海洋环境监测和资源勘探等应用具有重要意义。目前，获取声速剖面的最直接方法是使用声速剖面仪（SVP）进行现场观测。然而，这种方法非常耗时费力，并且由于声速的时空变化特性，现场观测数据无法提供大范围的实时声速剖面信息。

另一种获取声速剖面的方法是通过海水的温度、盐度和深度等参数，使用声速经验公式进行计算。然而，这种方法也存在一些问题。首先，实时获取海水的温度、盐度和深度等参数是困难的，尤其是在缺乏现场测量条件的情况下。其次，使用经验公式计算声速剖面仅提供特定时刻的观测值，而无法提供连续、实时的声速剖面数据。这样就无法实时修正双轴扫描声呐所获取的数据。

在利用双轴扫描声呐进行海上桩基础等结构的监测过程中，由于缺乏现场测量条件，无法实时获取声速剖面数据，从而导致实时修正双轴扫描声呐数据的困难。同时，由于无法实时获取海水的温度、盐度和深度等参数，使用经验公式计算声速剖面也变得不可行。

因此，目前的技术存在以下问题、缺点和不足之处：

1、使用声速剖面仪进行现场观测费时费力，并且无法提供大范围实时声速剖面数据。

2、使用经验公式计算声速剖面需要实时获取海水的温度、盐度和深度等参数，但这些参数很难实时获取。

3、现有技术无法提供连续、实时的声速剖面数据，无法对双轴扫描声呐进行实时修正。

因此，需要一种新的技术来克服上述问题和不足，以提供实时、连续的声速剖面数据，并实现对双轴扫描声呐数据的实时修正。本发明的目的就是提供一种解决方案，以便在缺乏现场测量条件的情况下获取实时声速剖面数据，并将其应用于双轴扫描声呐的实时修正，从而提高海上结构监测的准确性和效率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解决现有技术中在实时获取声速剖面数据和实时修正双轴扫描声呐数据方面存在的限制问题的基于声呐扫测深度变化的固定目标物的声速剖面求取方法。

本发明是这样实现的，一种基于声呐扫测深度变化的固定目标物的声速剖面求取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.设置声波发生点和若干声波反射点，声波反射点垂向等距设置，声波发生点与声波反射点之间的水平距离为，声波发生点与顶部的声波反射点之间的距离、垂向相邻两声波反射点之间的距离为/>；

S2.设置个声波反射点，自声波发生点分别向各声波反射点发射声波并接收反射声波，记录声波反射相关的数据参数，其中，声波发生点向第/>个声波反射点发射声波的方向与水平方向的夹角为垂直视角/>，声波自声波发生点至第/>个声波反射点的传播往返时间间隔为/>；

S3.通过所记录的数据参数，利用下列公式计算声波在自上至下第个声波反射点与第/>个声波反射点之间跨层中的平均声速/>：

其中，：声波发生点与第/>个声波反射点之间的水平距离；

：自声波发生点射向第/>个声波反射点的声波在第/>个声波反射点上方各跨层中水平传播的距离之和；

：垂向相邻两声波反射点之间的距离；

：声波自声波发生点至第/>个声波反射点的传播往返时间间隔；

：自声波发生点射向第/>个声波反射点的声波在第/>个声波反射点上方各跨层中传播往返时间之和。

在上述技术方案中，优选地，自声波发生点射向第1个声波反射点的声波在第1个声波反射点上方跨层的平均传播速度的计算式为：

。

在上述技术方案中，优选地，自声波发生点射向第2个声波反射点的声波在第2个声波反射点与第1个声波反射点之间跨层的平均传播速度的计算式为：

：自声波发生点与第2个声波反射点之间的水平距离；

：自声波发生点射向第2个声波反射点的声波在第1个声波反射点上方跨层中传播的水平距离；

：声波自声波发生点至第2个声波反射点的传播往返时间间隔；

：自声波发生点射向第2个声波反射点的声波在第1个声波反射点上方跨层中传播的时间；

其中，

：自声波发生点射向第2个声波反射点的声波在第1个声波反射点上方跨层中传播的距离；

其中，

：声波发生点向第2个声波反射点发射声波的垂直视角。

在上述技术方案中，优选地，自声波发生点射向第i个声波反射点的声波在第i-n个声波反射点上方各跨层中水平传播的距离计算式为：

其中，i≥3，n＜i（n=1、2、3…i-1）；

为自声波发生点射向第i个声波声波在第i-n个声波反射点上方跨层中的声波初始传播方向与水平方向的夹角；

。

在上述技术方案中，优选地，自声波发生点射向第个声波反射点的声波在第/>个声波反射点上方各跨层中水平传播的各跨层中传播往返时间/>计算式为：

其中，：自声波发生点射向第/>个声波声波在第/>个声波反射点上方跨层中的传播的距离；

。

本发明方法具有以下优点和效果：

1、克服了声速剖面仪采集费时费力且仅能获取固定时刻剖面的缺点：与传统的现场观测方法相比，本方法不需要进行复杂的声速剖面仪采集，大大节省了时间和人力成本，并且能够实时获取连续的声速剖面数据。

2、避免了经验公式反演中各水层中温度、盐度等因素难以实时获取、计算量大、速度慢的缺点：相较于依赖于海水参数的经验公式反演方法，本方法可直接采用监测现场的双轴扫描声呐，通过简单地加装若干反射板，避免了复杂参数获取和计算过程，大幅提高了计算速度和效率。

3、可使用现场双轴扫描声呐，节省人力成本、安全方便快捷：本方法可以直接利用现场的双轴扫描声呐进行监测，无需长期海上观测作业，减少了人员的风险和劳动强度，同时操作简单方便，提高了工作效率。

4、多个双轴声呐计算数据可进行对比校核，声速剖面数据安全、有效：本方法可使用多个双轴扫描声呐进行数据采集，可以通过对比校核不同声呐的数据，提高声速剖面数据的准确性和可靠性，确保数据的安全和有效性。

综上所述，本发明方法具有高效、准确、安全、方便和经济的特点，能够克服传统方法的各种限制和缺点，为海洋声速剖面获取和双轴扫描声呐数据修正提供了一种新的解决方案。

附图说明

图1是本发明中双轴声呐探头与反射板的安装结构示意图；

图2是本发明中双轴声呐探头与各反射板间距排列位置示意图；

图3是本发明中声波在各层之间的传播参数示意图。

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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为现有技术中在实时获取声速剖面数据和实时修正双轴扫描声呐数据方面存在的限制问题，本发明特提供一种基于声呐扫测深度变化的固定目标物的声速剖面求取方法，本方法具有高效、准确、安全、方便和经济的优点。为了进一步说明本发明的结构，结合附图详细说明书如下：

本发明提供一种基于声呐扫测深度变化的固定目标物的声速剖面求取方法，包括以下步骤：

S1.设置声波发生点和若干声波反射点，声波反射点垂向等距设置，声波发生点与声波反射点之间的水平距离为，声波发生点与顶部的声波反射点之间的距离、垂向相邻两声波反射点之间的距离为/>。

本实施例中，具体的，请参阅图1-图3，设置两个双轴扫描声呐探头1作为声波发生点，通过设置反射板形成声波反射点，反射板通过反射板固定装置固定于桩基基础2上。各反射点安装反射板，从上到下命名为F1，F2，F3，…Fi…。

S2.自声波发生点分别向各声波反射点发射声波并接收反射声波，记录声波反射相关的数据参数。设置个声波反射点，自声波发生点分别向各声波反射点发射声波并接收反射声波，记录声波反射相关的数据参数，其中，声波发生点向第/>个声波反射点发射声波的方向与水平方向的夹角为垂直视角/>，声波自声波发生点至第/>个声波反射点的传播往返时间间隔为/>；

双轴声呐探头至反射板F距离，分别为，/>，/>，…/>…，各反射板之间等距离/>分布，双轴扫描声呐探头与反射板F1距离同样固定为/>。

双轴声呐脉冲发射脉冲至反射板F1再到双轴声呐接收该脉冲时间间隔，记为。

双轴声呐探头至反射板F的初始垂直视角为，/>，/>，…/>，/>…。

双轴声呐探头到反射板F1之间、反射板F1到F2之间、F2到F3之间以及以下分别记为一层，各跨层的平均声速从上到下命名为，/>，/>，…/>…。

双轴声呐发射脉冲至反射板Fi再到双轴声呐接收该脉冲的总时间间隔记为，声波共经历/>层传播，在每一层传播的时间从上到下记为/>，/>，/>，…/>，其和即为/>。

双轴声呐发射脉冲至反射板Fi，声波在水平方向传播的总距离记为，在每一层中传播的水平距离依次记为/>，/>，/>，…/>，其和即为/>。

双轴声呐发射脉冲至反射板Fi时，双轴声呐设置的初始垂直视角记为，基于分层介质中的射线声学传播理论，声波从当前层传播到下一层时声线角度发生变化，声波在各跨层中的角度分别记为/>，/>，/>，…/>，根据斯涅耳定律各角度满足如下关系：

S3.通过所记录的数据参数，利用下列公式计算声波在顶部的第1个声波反射点与声波发生点之间层中的平均声速：

S4.通过所记录的数据参数，利用下列公式计算声波在自上至下第个声波反射点与第/>个声波反射点之间跨层中的平均声速/>：

其中，为自声波发生点与第/>个声波反射点之间的水平距离；

：声波在声波发生点与第/>个声波反射点之间各跨层中水平传播的距离之和；

：垂向相邻两声波反射点之间的距离；

：声波自声波发生点至第/>个声波反射点的传播往返时间间隔；

：声波在声波发生点至第/>个声波反射点传播过程中，在第1层至第/>层中传播往返时间之和。

利用此公式，可以计算从上到下各相邻反射板之间跨层的声速，从而得到从双轴扫描声呐换能器到最下面一个反射板之间各跨层的声速并形成声速剖面。

由于双轴声呐测得的距离受声速的影响，故各反射板与探头间距离通过激光测距仪测得，更为精确。双轴声呐脉冲发射脉冲至反射板Fi再到双轴声呐接收该脉冲时间间隔在双轴声呐扫描原始数据内提取获得。在双轴扫描声呐对桩基扫测过程中，记录各反射板所反射的信号到达双轴扫描声呐探头的时间，即可利用距离与速度的公式计算出，在所述各区间段之间的声速值。

使用双轴声呐探测反射板F₂的测量结果计算第2层声速，已知往返传播时间为、初始垂直视角为/>，以及第1层声速/>，计算过程如下：

探测反射板F2时的声波传播总水平距离：

第1层的垂直视角等于初始垂直视角为；

在第1层的水平传播距离：

在第1层的传播距离：

在第1层的往返传播时间：

在第2层（即最后一层）的水平传播距离：

在第2层（即最后一层）的传播距离：

在第2层（即最后一层）的往返传播时间：

因此第二层声速为：

进一步可得：

使用双轴声呐探测反射板Fi的测量结果计算第层声速，已知传播时间为/>、初始垂直视角为/>，以及第1至第/>层声速/>、/>…/>，计算过程如下：

探测反射板Fi时的声波传播总水平距离：

第1层的垂直视角为初始垂直视角为，速度为/>；

在第1层的水平传播距离：

在第1层的传播距离：

在第1层的往返传播时间：

由斯涅耳定律可计算第2层的垂直视角为：

第2层的垂直视角为初始垂直视角为；

在第2层的水平传播距离：

在第2层的传播距离：

在第2层的往返传播时间：

依此递推，斯涅耳定律可计算第层的垂直视角为/>：

i≥3，n＜i（n=1、2、3… i-1）；

第层的垂直视角为初始垂直视角为/>；

在第层的水平传播距离/>：

在第层的传播距离/>：

在第层的往返传播时间/>：

在第层（即最后一层）的水平传播距离为总水平距离减前/>层水平距离之和：

在第层（即最后一层）的传播距离/>：

在第层（即最后一层）的往返传播时间为总传播时间减去前/>层往返传播时间之和/>：

因此可联立求得第层的平均声速/>：

进一步计算可得：

其中，为自声波发生点与第/>个声波反射点之间的水平距离；

：声波在声波发生点与第/>个声波反射点之间各跨层中水平传播的距离之和；

：垂向相邻两声波反射点之间的距离；

：声波自声波发生点至第/>个声波反射点的传播往返时间间隔；

：声波在声波发生点至第/>个声波反射点传播过程中，在第1层至第/>层中传播往返时间之和。

将计算求得的平均声速换算为各海水层的声速/>，当/>足够大时，/>越接近真实值。

计算机自动从各记录道内提取各相关数据，根据上述公式编写小程序进行计算，拟合出声速剖面。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于声呐扫测深度变化的固定目标物的声速剖面求取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.设置声波发生点和若干声波反射点，声波反射点垂向等距设置，声波发生点与声波反射点之间的水平距离为，声波发生点与顶部的声波反射点之间的距离、垂向相邻两声波反射点之间的距离为/>；

S2.设置个声波反射点，自声波发生点分别向各声波反射点发射声波并接收反射声波，记录声波反射相关的数据参数，其中，声波发生点向第/>个声波反射点发射声波的方向与水平方向的夹角为垂直视角/>，声波自声波发生点至第/>个声波反射点的传播往返时间间隔为/>；

S3.通过所记录的数据参数，利用下列公式计算声波在自上至下第个声波反射点与第个声波反射点之间跨层中的平均声速/>：

其中，：声波发生点与第/>个声波反射点之间的水平距离；

：自声波发生点射向第/>个声波反射点的声波在第/>个声波反射点上方各跨层中水平传播的距离之和；

：垂向相邻两声波反射点之间的距离；

：声波自声波发生点至第/>个声波反射点的传播往返时间间隔；

：自声波发生点射向第/>个声波反射点的声波在第/>个声波反射点上方各跨层中传播往返时间之和。

2.根据权利要求1所述的基于声呐扫测深度变化的固定目标物的声速剖面求取方法，其特征在于：自声波发生点射向第1个声波反射点的声波在第1个声波反射点上方跨层的平均传播速度的计算式为：

。

3.根据权利要求2所述的基于声呐扫测深度变化的固定目标物的声速剖面求取方法，其特征在于：自声波发生点射向第2个声波反射点的声波在第2个声波反射点与第1个声波反射点之间跨层的平均传播速度的计算式为：

：声波发生点与第2个声波反射点之间的水平距离；

：自声波发生点射向第2个声波反射点的声波在第1个声波反射点上方跨层中传播的水平距离；

：声波自声波发生点至第2个声波反射点的传播往返时间间隔；

：自声波发生点射向第2个声波反射点的声波在第1个声波反射点上方跨层中传播的时间；

其中，

：自声波发生点射向第2个声波反射点的声波在第1个声波反射点上方跨层中传播的距离；

其中，

：声波发生点向第2个声波反射点发射声波的垂直视角。

4.根据权利要求3所述的基于声呐扫测深度变化的固定目标物的声速剖面求取方法，其特征在于：自声波发生点射向第i个声波反射点的声波在第i-n个声波反射点上方各跨层中水平传播的距离计算式为：

其中，i≥3，n＜i（n=1、2、3…i-1）；

为自声波发生点射向第i个声波声波在第i-n个声波反射点上方跨层中的声波初始传播方向与水平方向的夹角；

。

5.根据权利要求4所述的基于声呐扫测深度变化的固定目标物的声速剖面求取方法，其特征在于，自声波发生点射向第个声波反射点的声波在第/>个声波反射点上方各跨层中水平传播的各跨层中传播往返时间/>计算式为：

其中，：自声波发生点射向第/>个声波声波在第/>个声波反射点上方跨层中的传播的距离；

。