CN1438495A - 相关测速声纳测量载体对底速度的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相关测速声纳测量载体对底速度的方法及其系统。该系统包括计算机，计算机内包括一可读存储介质；该可读存储介质包括：初始化模块、发射编码模块、发射/接收模块、判断模块、截取模块、解调滤波模块、第一计算模块、参数模块、第二计算模块和速度模块。该系统执行下列步骤：开始、初始化、选择发射编码、发射、读取数据、判断、截取底回波信号、解调滤波、计算底介质时空相关函数矩阵、设置最大似然法的搜索范围、采用最大似然法求解和储存结果。在采用最大似然法求解步骤中，采用的底介质声纳阵时空相关函数用零阶贝赛尔函数简洁表示，与实验符合良好。该函数不仅适用于远场区，即平面波区，还适用于夫琅和费区，即球面波区。

Description

相关测速声纳测量载体对底速度的方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种载体对底速度的测量方法，更具体地说，是涉及一种相关测速声纳测量载体对底速度的方法及其系统。

背景技术

目前声相关测速声纳(ACCP)的测速方法概括如下：

(1)S.E.Bradley等人的美国专利5315562“Correlation Sonar System”中介绍了相关声纳，可用于测量流速的剖面和水中载体对底的速度。该发明的主要内容有4个方面：

(A)发射一复杂信号，它的自相关函数在延时τ＝0和τ＝τ_c时各有一个幅值不等的峰，避免采用以前的发射两个脉冲的技术，后者在测量流速时会引起流体介质层间的干扰。

(B)以级数形式给出了声纳阵时空相关函数对于流体介质和底介质的理论表式，表式中包括了贝赛尔函数和勒让德函数，以及由经验得出的简易表式。在进行数据处理时，因为前者复杂，所以用的是后者。

(C)基于最大似然原理，采用单纯形方法，将理论的和实验数据获得的声纳阵时空相关函数进行最佳拟合，求得流体的速度和载体对底的速度。

(D)采用匹配滤波器的方法检测海底回波。

(2)S.E.Bradley等人的美国专利5422860“Correlation Sonar System”中详细介绍了相关声纳发射信号产生的方法，发射调相伪随机信号，其自相关函数在延时τ＝0和τ＝τ_c时各有一个幅值不等的峰。

目前现有的相关测速声纳系统及其测速方法在测量载体对底的速度时，存在明显的不足：(1)它的声纳阵时空相关函数的理论表式相当复杂，实际中难以应用，而由经验得出的简易表式缺乏足够的物理基础。这是相关测速声纳系统的最关键技术。(2)用单纯形将理论的和实验的时空相关函数拟合，并不是最好的方法。(3)采用与声纳阵时空相关函数最大值对应的速度作为速度估计的初始值，这不是最好的方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术测量载体对底速度的缺点和不足，提供一种新的底介质声纳阵时空相关函数，以及提供一种良好的理论和实验的时空相关函数拟合方法，还提供一种速度估计的初始值设置方法，以提高载体对底速度的测量精度，从而提供了一种相关测速声纳测量载体对底速度的方法及其系统。

本发明的技术方案为：

一种相关测速声纳测量载体对底速度的方法，包括以下步骤：

(1)选择发射编码；

(2)根据发射编码发射声脉冲到流体介质中，并接收各流层或底介质反向散射的回波信号；

(3)如步骤(2)中的回波信号包含底介质回波信号，则进行步骤(4)；如未包含，则返回步骤(1)重新开始；

(4)对所述底介质回波信号进行解调滤波，并计算底介质时空相关函数矩阵；

(5)设置未知参数系综 的搜索范围，其中 V_1x、 V_1y分别是x、y方向载体对底的速度均值，γ是宽度因子；

(6)在未知参数系综 的搜索范围内，基于最大似然原理，将步骤(4)中的底介质相关函数矩阵与理论的底介质声纳阵时空相关函数进行拟合运算；

 所述底介质声纳阵时空相关函数为：

 其中B是常数，θ是声波入射角，τ是延时，d是相邻声纳阵基元间的间距，J₀是零阶贝塞尔函数； ${\mathrm{\β}}_2=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{c}{({(\mathrm{\τ}{\stackrel{\‾}{V}}_{1x}+d_x)}^2+{(\mathrm{\τ}{\stackrel{\‾}{V}}_{1y}+d_y)}^2)}^{1/2},$ 其中ω₀是发射信号的中心频率，c是声速，d_x和d_y是d在x和y方向的分量；

(7)由拟合结果得到载体对底的速度均值{ V_1x， V_1y}，并将结果存储。重复步骤(1)～(7)，进行下一次载体对底速度的测量。步骤(6)中的拟合算法为序列二次规划方法。在重复步骤(5)时，将上一次或多次测量得到的载体对底速度的均值作为未知参数系综

搜索范围的初始值。步骤(1)中的发射编码在相关延时非零时具有峰值。

一种相关测速声纳系统，包括声纳阵200和电子分机，电子分机内包括计算机406，计算机406内包括一可读存储介质；所述的可读存储介质包括：

初始化模块，用于软件和硬件的初始化；

发射编码模块，用于选择发射编码；

发射/接收模块，用于根据发射编码向流体介质内发射声脉冲，并接收各流层或底介质反向散射的的回波信号；

判断模块，用于判断发射/接收模块中接收到的回波信号是否包含底介质回波信号；

截取模块，用于从回波信号中截取出底介质回波信号；

解调滤波模块，用于对底介质回波信号进行解调滤波；

第一计算模块，用于根据解调滤波后的底介质回波信号计算底介质时空相关函数矩阵；

参数模块，用于存储未知参数系综

的搜索范围，其中 V_1x、 V_1y分别是x、y方向载体对底的速度均值，γ是宽度因子；

第二计算模块，用于在参数模块中的未知参数系综

的搜索范围内，基于最大似然原理，将第一计算模块中计算得到的的底介质时空相关函数矩阵与理论的底介质声纳阵时空相关函数进行拟合运算；所述底介质声纳阵时空相关函数为：

其中B是常数，θ是声波入射角，τ是延时，d是相邻声纳阵基元间的间距，J₀是零阶贝塞尔函数； ${\mathrm{\β}}_2=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{c}{({(\mathrm{\τ}{\stackrel{\‾}{V}}_{1x}+d_x)}^2+{(\mathrm{\τ}{\stackrel{\‾}{V}}_{1y}+d_y)}^2)}^{1/2},$ 其中ω₀是发射信号的中心频率，c是声速，d_x和d_y是d在x和y方向的分量；

速度模块，用于存储由第二计算模块的拟合结果得到的载体对底的速度均值{ V_x， V_y}。

第二计算模块是采用序列二次规划方法进行拟合运算的计算模块。参数模块所存储的未知参数系综

搜索范围的初始值是上一次或多次测得的载体对底速度均值。发射编码模块产生的发射编码在相关延时非零时具有峰值。

本发明的优点在于：

(1)在测量载体对底的速度时，本发明的底介质声纳阵时空相关函数不仅适用远场区，即平面波区，而且适用于夫琅和费区，即球面波区。而现有的声相关测速理论只适用于远场区，因此在一段比较大的近距离内，得不到好的数据。本发明的理论使此距离小得多。

(2)在测量载体对底的速度时，本发明的底介质声纳阵时空相关函数用零阶贝赛尔(Bessel)函数简洁表示，与实验符合良好。现有的理论要么用零阶贝赛尔函数和勒让德函数的级数表示，使用不便，要么就是用经验公式表示，缺乏足够的物理基础。

(3)本发明基于最大似然原理，采用序列二次规划，将实测的和理论的声纳阵时空相关函数进行拟合，求得速度。与现有的采用单纯形方法相比，收敛速度更快，测量精度更高。

(4)本发明把第N-m次到第N次测得的速度均值作为第N+1次速度估计的初始值，明显提高了运算速度，减少了硬件开销。

附图说明

图1是相关测速声纳系统工作示意图；

图2是相关测速声纳系统的装置示意图；

图3是相关测速声纳系统的软件流程；

图4是理论和实验的底介质声纳阵时空相关函数对比；

图5(a)是本发明的相关测速声纳系统(ACCP)与差分GPS测得的载体速度的速率对比；

图5(b)是本发明的相关测速声纳系统(ACCP)与差分GPS测得的载体速度的方向对比；

图面说明

载体100  声纳阵200   湿端300  干端400   终端500

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。

如图1所示，使用相关测速声纳系统测量载体对底的速度时，该系统装载于载体100上，相关测速声纳系统总体上包括声纳阵200、湿端300、干端400和终端500。其中，声纳阵200和湿端300安装在水下，干端400和终端500安装在水面上。

相关测速声纳系统的结构如图2所示，包括声纳阵200和电子分机；声纳阵200中包括接收换能器203、发射换能器202和收发换能器201，由接收换能器203和收发换能器201共同组成接收声纳阵，同时由发射换能器203和收发换能器201共同组成发射声纳阵。电子分机包括：湿端300、干端400和终端500；

 湿端300包括多个与接收换能器203和收发换能器201相连接的前置放大器302，在前置放大器302和收发换能器201之间还连接有收发转换器301；湿端300内还包括温度传感器303、漏水传感器304和姿态传感器305，分别与干端400中的声纳接口控制板407连接。

干端400中的发射机401与发射换能器202连接，多路接收机402与前置放大器302连接，多路同步数据采集板403与多路接收机402连接，DSP处理机404与多路同步数据采集板403连接：干端400还包括计算机406，并通过数据/控制总线405分别与DSP处理机404和多路同步数据采集板403连接；干端400还包括声纳接口控制板407，分别与多路接收机402、发射机401、DSP处理机404和计算机406连接；AC/DC电源408分别与声纳接口控制板407、多路接收机402、发射机401和数据/控制总线405连接；干端400还包括与计算机406连接的GPS 409和电罗经410。

终端500包括通过网络501与计算机406连接的远程计算机502。

该系统的专用测速程序装载在计算机406的存储器中，该程序包括初始化模块、发射编码模块、发射/接收模块、判断模块、截取模块、解调滤波模块、第一计算模块、参数模块、第二计算模块和速度模块，并按照图3所示流程图中的步骤执行。

步骤601是开始步骤，由终端计算机502发出指令，经网络501传输到计算机406，启动计算机406存储器中的程序，使声纳系统处于工作状态。在步骤602和603中，对软件和系统硬件进行初始化。在步骤613中，根据底深度选择发射编码。在步骤614中，计算机406的指令经数据/控制总线405使DSP处理机404产生发射信号驱动发射机401，再经收发转换器301驱动收发换能器201和发射换能器202，发出声脉冲到流体介质中。在步骤615中，接收换能器203和收发换能器201接收从流体介质中反向散射的回波信号，经前置放大器302馈送给多路接收机402，再经多路同步数据采集板403馈送到DSP处理机404。在步骤616中，DSP处理机404根据回波信号判断其中是否包含底介质回波信号，如果“否”，则返回步骤613；如果“是”，则进行步骤617。在步骤617中，DSP处理机404从回波信号中截取出底介质回波信号。在步骤618中，DSP处理机404对底介质回波信号进行解调滤波。在步骤619中，由DSP处理机404通过底介质回波信号计算底介质时空相关函数矩阵。在步骤620中，设置未知系综

的最大似然法的搜索范围，其中，在第一次测量时，可以合理的估计未知系综的搜索范围，在以后的测量中优选采用前一次或多次的测量结果的均值作为搜索范围的初始值，这样可提高运算速度、减少硬件开销。在步骤621中，由DSP处理机404将步骤619中的底介质时空相关函数矩阵与本发明理论的底介质声纳阵时空相关函数进行拟合运算，得到载体对底的速度均值；拟合算法可以采用单纯形方法或序列二次规划方法，优选为序列二次规划方法。在步骤622中，将步骤621得到的拟合结果经数据/控制总线405馈送给计算机406，并存储在存储器中。步骤622之后，可返回步骤613进行下一次测量。

最后还可以将温度传感器303、漏水传感器304和姿态传感器305的数据经声纳接口控制器407馈送给计算机406。计算机406再融合GPS409和电罗经410的数据，最终结果经网络501馈送给终端计算机502。

图4是本发明的相关测速声纳系统在中心频率75kHz、带宽15kHz时，实验测得的时空相关函数与理论的底介质声纳阵时空相关函数的对比图，其中曲线801是理论值，点802是实验值，由此可见本发明提出的底介质声纳阵时空相关函数与实验相当符合。

图5是使用本发明的相关测速声纳系统在中心频率23.5kHz，带宽4.4kHz时与差分GPS分别测得载体100对底的速度图。其中，图5(a)表示的是在不同时间测得的载体对底的速率，横坐标是时间，纵坐标是速率；图5(b)表示的是在不同时间测得的载体对底速度的方向，横坐标是时间，纵坐标是角度。曲线1201和1203是本发明的相关测速声纳系统测得的数据，曲线1202和1204是差分GPS测得的数据，两者相当符合。

Claims (9)

1、一种相关测速声纳测量载体对底速度的方法，包括以下步骤：

(1)选择发射编码；

(2)根据发射编码发射声脉冲到流体介质中，并接收各流层或底介质反向散射的回波信号；

(3)如步骤(2)中的回波信号包含底介质回波信号，则进行步骤(4)；如未包含，则返回步骤(1)重新开始；

(4)对所述底介质回波信号进行解调滤波，并计算底介质时空相关函数矩阵；

(5)设置未知参数系综

的搜索范围，其中 V_1x、 V_1y分别是x、y方向载体对底的速度均值，γ是宽度因子；

(6)在未知参数系综

的搜索范围内，基于最大似然原理，将步骤(4)中的底介质相关函数矩阵与理论的底介质声纳阵时空相关函数进行拟合运算；

 所述底介质声纳阵时空相关函数为：

 其中B是常数，θ是声波入射角，τ是延时，d是相邻声纳阵基元间的间距，J₀是零阶贝塞尔函数； ${\mathrm{\β}}_2=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{c}{({(\mathrm{\τ}{\stackrel{\‾}{V}}_{1x}+d_x)}^2+{(\mathrm{\τ}{\stackrel{\‾}{V}}_{1y}+d_y)}^2)}^{1/2},$ 其中ω₀是发射信号的中心频率，c是声速，d_x和d_y是d在x和y方向的分量；

(7)由拟合结果得到载体对底的速度均值{ V_1x， V_1y}，并将结果存储。

 2、根据权利要求1所述的相关测速声纳测量载体对底速度的方法，其特征在于，重复步骤(1)～(7)，进行下一次载体对底速度的测量。

 3、根据权利要求1所述的相关测速声纳测量载体对底速度的方法，其特征在于，步骤(6)中的拟合算法为序列二次规划方法。

 4、根据权利要求2所述的相关测速声纳测量载体对底速度的方法，其特征在于，在重复步骤(5)时，将上一次或多次测量得到的载体对底速度的均值作为未知参数系综

搜索范围的初始值。

5、根据权利要求1所述的相关测速声纳测量载体对底速度的方法，其特征在于，步骤(1)中的发射编码在相关延时非零时具有峰值。

6、一种实施权利要求1所述方法的相关测速声纳系统，包括声纳阵(200)和电子分机，电子分机内包括计算机(406)，计算机(406)内包括一可读存储介质；其特征在于，所述的可读存储介质包括：

初始化模块，用于软件和硬件的初始化；

发射编码模块，用于选择发射编码；

发射/接收模块，用于根据发射编码向流体介质内发射声脉冲，并接收各流层或底介质反向散射的的回波信号；

判断模块，用于判断发射/接收模块中接收到的回波信号是否包含底介质回波信号；

截取模块，用于从回波信号中截取出底介质回波信号；

解调滤波模块，用于对底介质回波信号进行解调滤波；

第一计算模块，用于根据解调滤波后的底介质回波信号计算底介质时空相关函数矩阵；

参数模块，用于存储未知参数系综

的搜索范围，其中 V_1x、 V_1y分别是x、y方向载体对底的速度均值，γ是宽度因子；

第二计算模块，用于在参数模块中的未知参数系综 的搜索范围内，基于最大似然原理，将第一计算模块中计算得到的的底介质时空相关函数矩阵与理论的底介质声纳阵时空相关函数进行拟合运算；所述底介质声纳阵时空相关函数为：

其中B是常数，θ是声波入射角，τ是延时，d是相邻声纳阵基元间的间距，J₀是零阶贝塞尔函数； ${\mathrm{\β}}_2=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{c}{({(\mathrm{\τ}{\stackrel{\‾}{V}}_{1x}+d_x)}^2+{(\mathrm{\τ}{\stackrel{\‾}{V}}_{1y}+d_y)}^2)}^{1/2},$ 其中ω₀是发射信号的中心频率，c是声速，d_x和d_y是d在x和y方向的分量；

速度模块，用于存储由第二计算模块的拟合结果得到的载体对底的速度均值{ V_x， V_y}。

7、根据权利要求6所述的相关测速声纳系统，其特征在于，第二计算模块是采用序列二次规划方法进行拟合运算的计算模块。

8、根据权利要求6所述的相关测速声纳系统，其特征在于，参数模块所存储的未知参数系综9搜索范围的初始值是上一次或多次测得的载体对底速度均值。

9、根据权利要求6所述的相关测速声纳系统，其特征在于，发射编码模块产生的发射编码在相关延时非零时具有峰值。

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