CN117629382B - 一种水下声速和地形距离测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下声速和地形距离测量方法，属于声速测量和距离测量技术领域，用于水下声速距离测量，包括将两个超声波换能器固定在装置中，一个超声波换能器作为发射端，另一个作为接收端，得到声波脉冲往返两个超声波换能器之间的时间；消除接收端超声波换能器中混入的其他频率的杂波，通过待测信号的频率计算实际海水中的声速，根据计算的声速，结合孤立森林无监督学习算法分离出正常值，求得距离。本发明系统集成度高、体积小，可以进行声速、距离、勘探等测量工作，同时改进频率计数方法，提高了数据的精确度。

Description

一种水下声速和地形距离测量方法

技术领域

本发明公开一种水下声速和地形距离测量方法，属于声速测量和距离测量技术领域。

背景技术

海洋环境中的声速测量是一项重要指标，而超声波换能器凭借其体积小、精度高和传输速率快等优势，在海洋声速测量中具有重要的作用。因此构造一个基于超声波换能器的海洋声速和距离测量装备，可以具有高精度、体积小等优势，在海洋勘探中能够发挥巨大的作用。现有技术中，对于通过温盐深仪间接测量得到声速的方法，首先温度、盐度、深度三个特征值通过传感器的测量方法得到，不同的传感器测量精度会有所不同，传感器本身在测量过程中也会产生一部分的误差，并且对于环境改变细微时感知会较为微弱。其次海水声速公式随着深度的变化会产生不同的差异值，并且都具有一定的环境限制条件，在一定温度、盐度、深度范围内测量比较准确，而超出限制条件以后误差会大幅增大，甚至到达30%以上的误差，在不同海水环境中很难确定使用何种声速公式解算得到的数据会更加准确。因此需要找到一种可以直接测量声速的方法，使得可以更加快速、准确的得到海水中的声速值，同时也可以适应更加复杂的海洋环境情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下声速和地形距离测量方法，以解决现有技术中，水下声速和距离测量不准的问题。

一种水下声速和地形距离测量方法，采用超声波换能器，将两个超声波换能器固定在间隔为的装置中，一个超声波换能器作为发射端，另一个作为接收端，得到声波脉冲往返两个超声波换能器之间的时间/>；

超声波换能器的主控板发出信号，经过驱动模块倍增输出电流以驱动超声波换能器，驱动模块由两路对称的电流反馈放大电路并联组成，两路电路输出两个相等的驱动电流，叠加后将原本电流进行一倍放大，信号发出后在指定时间/>内进行环鸣驱动控制；

水下声速和地形距离测量方法包括：S1.消除接收端超声波换能器中混入的其他频率的杂波，S2.通过待测信号的频率计算实际海水中的声速，S3.根据S2计算的声速，结合孤立森林无监督学习算法分离出求得的距离正常值，最终得到距离的准确值。

S1包括：

S1.1.将回波信号进行选频放大，选择性放大频率范围信号，输入信号为，经过选频放大以后的输出信号/>为：

；

式中，是放大倍数，/>是滤波器的传递函数，描述滤波器对不同频率的响应特性。

S1包括：

S1.2.增加一个一级信号放大模块，增大回波信号的幅度，选频放大后的信号为，信号放大模块放大后的信号/>为：

；/>；

式中，为放大增益，/>是负反馈端的两个电阻阻值，在放大电路中只采用正电源模块，经过选频放大和信号放大后的信号只包含正电压的部分。

S1包括：

S1.3.选频放大和信号放大后，将回波信号的幅度保持在同一数量级上，采用自动增益控制模块使信号峰值电压稳定在合理的范围之内：

设定初始的增益值为，目标的输出功率为/>，根据采样获得的信号值，得到离散的时间信号序列/>， />为采样时刻，设定当前采样窗口的幅度量级/>，根据当前信号强度和目标输出功率计算目标增益/>：

；

根据目标增益和当前增益之间的差异，采用比例积分控制增益更新算法进行增益调整，计算增益调整量：

；/>；

式中，和/>为控制参数，/>为采样信号间隔时间，/>为当前增益，重复执行S1.3实时更新增益，生成增益后的回波信号。

S2包括：

S2.1.测量声波往返多次的频率，即测量标准闸门时间内待测信号的周期个数；

设置一个标准信号，标准信号采用频率准确的高频信号，对标准信号频率和待测信号频率同时计数，记录两个信号的上升沿和下降沿，当环鸣开始时，闸门控制信号变为高电平，计数模块在待测信号的上升沿到来时开始计数，环鸣结束后，闸门控制信号在持续了时间后变为低电平，此时计数模块不会停止计数工作，而是在待测信号的下一个上升沿和下降沿来临后才停止计数，最终得到所有的上升沿和下降沿计数值。

S2包括：

S2.2.计算实际闸门时间，假设计数的标准信号的上升沿个数为，下降沿个数为/>，则实际闸门时间/>为：

；

式中，为标准信号的时长。

S2包括：

S2.3.假设标准信号的频率为，待测信号的频率为/>，在实际闸门时间/>内对标准信号的计数值为/>，对待测信号的计数值为/>，得待测信号的频率/>为：

；

标准信号的误差为：

；/>；

待测信号的误差为：

；

式中，，标准信号的频率越大，待测信号的误差越小，测量精度越高。

S2包括：

S2.4.得到待测信号的频率后，通过计算得到实际海水中的声速V，其中/>是计数频率。

S3包括：

S3.1.测量得到某一深度的声速之后，进行距离测量，继续采用收发分置的超声波换能器，间隔固定时间发送一次超声波，利用S2的频率计数方法得到回波信号的频率，记录回波时间/>，计算某一水平分层处的距离/>为：

；

式中，为该水平分层的声速值，在某一固定点处持续发送/>次超声波，计算得到每次的距离/>，通过孤立森林无监督学习算法，将异常值与正常值分离。

S3包括：

S3.2.构建每次的距离集合数组，式中/>是每次的距离，构建孤立森林，采用递归二叉树方法：

T1.选择距离值为二叉树的特征，从特征的最小值和最大值之间随机选择一个数值作为分割阈值；

T2.将数组中的所有数据根据阈值划分为两个子集，分布在阈值两侧；

T3.对于每个子集，递归应用T1和T2，构建二叉子树，直到子集中只有一个数据点；

T4.重复T1 、T2和T3，形成孤立森林；

S3.3.构建完成孤立森林后，对于数组中的每个数据，计算数据在孤立森林中的路径长度来计算孤立度，孤立度值等于路径长度值，路径长度为从根节点出发，到数据所经过的边数，孤立度表示该数据相对于其他数据的异常程度，孤立度越小表示数据点越接近异常值，最后设置孤立度阈值，将低于阈值的数据点标为异常值，去除掉该距离数值；

去除掉异常值后，将所得的正常值加和求平均，最终得到测量的距离值。

相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明系统集成度高、体积小，可以进行声速、距离、勘探等测量工作，同时改进频率计数方法，提高了数据的精确度。

附图说明

图1是水平透射法示意图；

图2是装置分布示意图；

图3是超声波换能器发射端发射波形图；

图4是超声波换能器接收端回波波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

一种水下声速和地形距离测量方法，采用超声波换能器，将两个超声波换能器固定在间隔为的装置中，一个超声波换能器作为发射端，另一个作为接收端，得到声波脉冲往返两个超声波换能器之间的时间/>；

超声波换能器的主控板发出信号，经过驱动模块倍增输出电流以驱动超声波换能器，驱动模块由两路对称的电流反馈放大电路并联组成，两路电路输出两个相等的驱动电流，叠加后将原本电流进行一倍放大，信号发出后在指定时间/>内进行环鸣驱动控制；

水下声速和地形距离测量方法包括：S1.消除接收端超声波换能器中混入的其他频率的杂波，S2.通过待测信号的频率计算实际海水中的声速，S3.根据S2计算的声速，结合孤立森林无监督学习算法分离出求得的距离正常值，最终得到距离的准确值。

S1包括：

S1.1.将回波信号进行选频放大，选择性放大频率范围信号，输入信号为，经过选频放大以后的输出信号/>为：

；

式中，是放大倍数，/>是滤波器的传递函数，描述滤波器对不同频率的响应特性。

S1包括：

S1.2.增加一个一级信号放大模块，增大回波信号的幅度，选频放大后的信号为，信号放大模块放大后的信号/>为：

；/>；

式中，为放大增益，/>是负反馈端的两个电阻阻值，在放大电路中只采用正电源模块，经过选频放大和信号放大后的信号只包含正电压的部分。

S1包括：

S1.3.选频放大和信号放大后，将回波信号的幅度保持在同一数量级上，采用自动增益控制模块使信号峰值电压稳定在合理的范围之内：

设定初始的增益值为，目标的输出功率为/>，根据采样获得的信号值，得到离散的时间信号序列/>， />为采样时刻，设定当前采样窗口的幅度量级/>，根据当前信号强度和目标输出功率计算目标增益/>：

；

根据目标增益和当前增益之间的差异，采用比例积分控制增益更新算法进行增益调整，计算增益调整量：

；/>；

式中，和/>为控制参数，/>为采样信号间隔时间，/>为当前增益，重复执行S1.3实时更新增益，生成增益后的回波信号。

S2包括：

S2.1.测量声波往返多次的频率，即测量标准闸门时间内待测信号的周期个数；

设置一个标准信号，标准信号采用频率准确的高频信号，对标准信号频率和待测信号频率同时计数，记录两个信号的上升沿和下降沿，当环鸣开始时，闸门控制信号变为高电平，计数模块在待测信号的上升沿到来时开始计数，环鸣结束后，闸门控制信号在持续了时间后变为低电平，此时计数模块不会停止计数工作，而是在待测信号的下一个上升沿和下降沿来临后才停止计数，最终得到所有的上升沿和下降沿计数值。

S2包括：

S2.2.计算实际闸门时间，假设计数的标准信号的上升沿个数为，下降沿个数为/>，则实际闸门时间/>为：

；

式中，为标准信号的时长。

S2包括：

S2.3.假设标准信号的频率为，待测信号的频率为/>，在实际闸门时间/>内对标准信号的计数值为/>，对待测信号的计数值为/>，得待测信号的频率/>为：

；

标准信号的误差为：

；/>；

待测信号的误差为：

；

式中，，标准信号的频率越大，待测信号的误差越小，测量精度越高。

S2包括：

S2.4.得到待测信号的频率后，通过计算得到实际海水中的声速V，其中/>是计数频率。

S3包括：

S3.1.测量得到某一深度的声速之后，进行距离测量，继续采用收发分置的超声波换能器，间隔固定时间发送一次超声波，利用S2的频率计数方法得到回波信号的频率，记录回波时间/>，计算某一水平分层处的距离/>为：

；

式中，为该水平分层的声速值，在某一固定点处持续发送/>次超声波，计算得到每次的距离/>，通过孤立森林无监督学习算法，将异常值与正常值分离。

S3包括：

S3.2.构建每次的距离集合数组，式中/>是每次的距离，构建孤立森林，采用递归二叉树方法：

T1.选择距离值为二叉树的特征，从特征的最小值和最大值之间随机选择一个数值作为分割阈值；

T2.将数组中的所有数据根据阈值划分为两个子集，分布在阈值两侧；

T3.对于每个子集，递归应用T1和T2，构建二叉子树，直到子集中只有一个数据点；

T4.重复T1 、T2和T3，形成孤立森林；

S3.3.构建完成孤立森林后，对于数组中的每个数据，计算数据在孤立森林中的路径长度来计算孤立度，孤立度值等于路径长度值，路径长度为从根节点出发，到数据所经过的边数，孤立度表示该数据相对于其他数据的异常程度，孤立度越小表示数据点越接近异常值，最后设置孤立度阈值，将低于阈值的数据点标为异常值，去除掉该距离数值；

去除掉异常值后，将所得的正常值加和求平均，最终得到测量的距离值。

声波在海水中的传播跟温度、盐度、深度等环境因素有关，而在海洋中，这些环境因素都在不断的变化，导致一片海洋领域中声速具有多样性。同时海水的声速分布具有水平分层特性，声速随海中不同位置的变化函数可以简化认为单一的深度变量的函数；

；

式中为声速三维分布函数，/>为声速简化深度分布函数。因此现有的声速测量方法中，常见的是根据经验公式计算间接得到声速，温盐深仪就是一种常见的间接测量声速的装备。温盐深仪间接测量法通过测量温度、盐度、深度三个特征值，在浅海环境中利用威尔逊海水声速公式间接得到声速，其常见方程式为：

；

式中，为当前深度海水中的声速，/>为当前深度海中的温度，/>为当前深度海水中的盐度值，/>为当前海水的深度值。在深海环境中，利用科彭斯海水声速公式间接得到声速，其常见的方程为：

；

；

式中，为当前深度海水中的声速，/>为当前深度海中的温度，/>为当前深度海水中的盐度值，/>为当前海水的深度值。通过在不同深度的海水环境中使用不同海水声速公式，可以间接计算得到当前海水中的声速值。

为了解决间接测量的限制条件以及带来的误差，尝试采用直接测量的方法。超声波换能器具有高精度、响应快的特性，在海洋声速测量中可以提供精确的声速测量结果，同时可以迅速发射和接收声波信号，实现快速测量；其次超声波换能器具有高可靠性，在复杂的海洋环境中可以提供可靠的数据测量结果；最后，超声波换能器易于集成，可以与其他设备系统进行集成，降低设备的设计难度和功耗，实现体积小、功能强、高精度的综合设备。因此基于超声波换能器形成驱动模块、超声波换能器模块、声速测量模块和测距模块，从而搭建一个海洋声速和距离的测量装备，快速、精确的实现海洋声速测量以及海洋测绘。

直接声速测量法是通过一段固定的已知距离和在该距离中声波传播所需的时间为基础。因此采用水平透射法原理，将两个超声波换能器固定在间隔为/>的装置中，其中一个超声波换能器作为发射端，另一个作为接收端，得到声波脉冲往返的之间的/>，则该深度的海水中声速/>，测声速中采用超声波换能器收发分置，可以避免使用挡板，减小空间使用面积，也可以更高程度保证数据的精确性。在精确测量这段固定距离/>的情况下，时间/>是影响声速测量的关键因素。对公式/>两边取微分得：

； />。

此时，假设固定距离，假设声速测量的精度为/>，海水中的声速一般为/>到/>，当海水中的声速/>时，此时要求的时间精度为：

；

可以看出影响声速测量的精度主要是由测量的传输时间精度和超声波的传输距离所决定，由计数频率可得此时所需计数频率为/>，/>计数频率的电路设计很难实现且功耗过大。所以采用环鸣控制法，使得超声波换能器发出得测量声波在这段固定距离/>中往返多次并统计总用时，从而降低超声波信号所需传输时间精度高的缺点。假设测量超声波往返1000次所需的总时间，可得此时所需时间精度：

；

这时系统需要以上的计数频率来实现，此时该系统可以实现声速测量要求。

本发明中使用的水平透射法如图1所示，装置分布如图2所示。在实验中，超声波换能器发射端发射波形如图3所示，超声波换能器接收端回波波形如图4所示。为了滤除杂波信号的影响并放大需要的回波信号，先将该回波信号进行选频放大，通过选择性放大特定频率范围信号的方法，抑制其他杂波信号，选频放大模块具有一定的放大作用，但是该方法得到的回波信号依旧比较微小，不能满足系统对信号的需求，因此再增加一个一级放大模块，用于增大回波信号的幅度。为了实现高精度的测量，在选频放大和一级放大后还需要将回波信号的幅度保持在同一数量级上，于是采用自动增益控制模块使信号峰值电压稳定在合理的范围之内。通常闸门时间并不是待测信号周期的整数倍，因此为了统计高精度的周期个数，设置一个标准信号，该标准频率信号采用频率准确的高频信号，保证测量的闸门时间是待测信号的整数倍。在测量得到某一深度的声速之后，由于声速具有水平分层的特性，在小距离变化中声速基本处于同一个水平分层中，声速值不会产生显著变化，因此可以进行距离测量。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种水下声速和地形距离测量方法，其特征在于，采用超声波换能器，将两个超声波换能器固定在间隔为的装置中，一个超声波换能器作为发射端，另一个作为接收端，得到声波脉冲往返两个超声波换能器之间的时间/>；

超声波换能器的主控板发出信号，经过驱动模块倍增输出电流以驱动超声波换能器，驱动模块由两路对称的电流反馈放大电路并联组成，两路电路输出两个相等的驱动电流，叠加后将原本电流进行一倍放大，信号发出后在指定时间/>内进行环鸣驱动控制；

水下声速和地形距离测量方法包括：S1.消除接收端超声波换能器中混入的其他频率的杂波，S2.通过待测信号的频率计算实际海水中的声速，S3.根据S2计算的声速，结合孤立森林无监督学习算法分离出求得的距离正常值，最终得到距离的准确值；

S2包括：

S2.1.测量声波往返多次的频率，即测量标准闸门时间内待测信号的周期个数/>；

设置一个标准信号，标准信号采用频率准确的高频信号，对标准信号频率和待测信号频率同时计数，记录两个信号的上升沿和下降沿，当环鸣开始时，闸门控制信号变为高电平，计数模块在待测信号的上升沿到来时开始计数，环鸣结束后，闸门控制信号在持续了时间后变为低电平，此时计数模块不会停止计数工作，而是在待测信号的下一个上升沿和下降沿来临后才停止计数，最终得到所有的上升沿和下降沿计数值；

S2包括：

S2.2.计算实际闸门时间，假设计数的标准信号的上升沿个数为，下降沿个数为，则实际闸门时间/>为：

；

式中，为标准信号的时长；

S2包括：

S2.3.假设标准信号的频率为，待测信号的频率为/>，在实际闸门时间/>内对标准信号的计数值为/>，对待测信号的计数值为/>，得待测信号的频率/>为：

；

标准信号的误差为：

；/>；

待测信号的误差为：

；

式中，，标准信号的频率越大，待测信号的误差越小，测量精度越高；

S2包括：

S2.4.得到待测信号的频率后，通过计算得到实际海水中的声速V。

2.根据权利要求1所述的一种水下声速和地形距离测量方法，其特征在于，S1包括：

S1.1.将回波信号进行选频放大，选择性放大频率范围信号，输入信号为，经过选频放大以后的输出信号/>为：

；

式中，是放大倍数，/>是滤波器的传递函数，描述滤波器对不同频率的响应特性。

3.根据权利要求2所述的一种水下声速和地形距离测量方法，其特征在于，S1包括：

S1.2.增加一个一级信号放大模块，增大回波信号的幅度，选频放大后的信号为，信号放大模块放大后的信号/>为：

；/>；

式中，为放大增益，/>是负反馈端的两个电阻阻值，在放大电路中只采用正电源模块，经过选频放大和信号放大后的信号只包含正电压的部分。

4.根据权利要求3所述的一种水下声速和地形距离测量方法，其特征在于，S1包括：

S1.3.选频放大和信号放大后，将回波信号的幅度保持在同一数量级上，采用自动增益控制模块使信号峰值电压稳定在合理的范围之内。

5.根据权利要求1所述的一种水下声速和地形距离测量方法，其特征在于，S3包括：

S3.1.测量得到某一深度的声速之后，进行距离测量，继续采用收发分置的超声波换能器，间隔固定时间发送一次超声波，利用S2的频率计数方法得到回波信号的频率，记录回波时间/>，计算某一水平分层处的距离/>为：

；

式中，为该水平分层的声速值，在某一固定点处持续发送/>次超声波，计算得到每次的距离/>，通过孤立森林无监督学习算法，将异常值与正常值分离。

6.根据权利要求5所述的一种水下声速和地形距离测量方法，其特征在于，S3包括：

S3.2.构建每次的距离集合数组，式中/>是每次的距离，构建孤立森林，采用递归二叉树方法：

T1.选择距离值为二叉树的特征，从特征的最小值和最大值之间随机选择一个数值作为分割阈值；

T2.将数组中的所有数据根据阈值划分为两个子集，分布在阈值两侧；

T3.对于每个子集，递归应用T1和T2，构建二叉子树，直到子集中只有一个数据点；

T4.重复T1 、T2和T3，形成孤立森林；

S3.3.构建完成孤立森林后，对于数组中的每个数据，计算数据在孤立森林中的路径长度来计算孤立度，孤立度值等于路径长度值，路径长度为从根节点出发，到数据所经过的边数，孤立度表示该数据相对于其他数据的异常程度，孤立度越小表示数据点越接近异常值，最后设置孤立度阈值，将低于阈值的数据点标为异常值，去除掉该距离数值；

去除掉异常值后，将所得的正常值加和求平均，最终得到测量的距离值。