一种基于超短基线水声定位系统的声线修正方法

1.本发明涉及一种声线修正方法，具体为一种基于超短基线水声定位系统的声线修正方法。


背景技术：

2.超短基线(ultra-short baseline，usbl)水声定位系统是声学水下定位系统的一种重要分类，它出现的较晚，但由于其成本低、便携性强、灵活性高和操作简单等优点，在海洋工程、海洋矿产资源、水下考古、海洋国防建设等领域中得到了广泛的应用。超短基线水声定位系统是利用声信标发射信号到达接收基阵阵元之间的时延差和测量信标到基阵中心的斜距来实现目标定位的。
3.在复杂的水文环境里，温度、盐度、静压力以及其他因素会导致水中传播声线不再是一条直线，声线往声速小的方向弯曲，且弯曲程度与声速变化率呈密切正相关。对于水声定位系统，声线弯曲会造成声波在发射、接收换能器之间的实际传播时延大于直线传播时延，水声测距得到的是声线的实际传播距离，而非声学发射换能器与接收换能器间的直线传播距离。因此，声线弯曲会使超短基线水声定位结果发生偏移，降低定位精度，严重时还会出现野值点，必须进行声线修正。
4.目前声线修正方法大都是基于射线声学理论提出的，比如等效声速剖面法、查表法、有效声速法以及声线跟踪法等方法。在声速剖面已知的情况下，声线跟踪法是修正声线弯曲误差最有效的方法，是水下目标定位的重要基础，尤以常梯度声线跟踪算法应用最为广泛。随着水下定位技术水平的提高，对声线跟踪法的定位精度和计算效率提出了更高的要求。因此，研究声线弯曲对usbl产生的影响以及如何修正此种影响对提高usbl定位精度有重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于超短基线水声定位系统的声线修正方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种基于超短基线水声定位系统的声线修正方法，包括以下步骤：
8.步骤一：获取不同深度海水的电导率s、温度t、深度d数据，计算得到对应深度下的声速，并绘制出声速剖面；
9.步骤二：利用matlab中interp1函数对计算得到的声速剖面进行三次样条插值，增加数据密度；
10.步骤三：对声速剖面进行等深度分层，将5m归为一层；
11.步骤四：基于二次多项式拟合的改进声线跟踪算法计算求解每层声线的掠射角、每层声速梯度、每层声速、修正后的声线水平距离以及声线传播时延；
12.步骤五：根据步骤四求得的声线传播时延与系统信号处理设备估计得到的测量时
延，计算它们之间的差值；
13.步骤六：判别时延差值是否满足设定的逼近程度要求，决定终止退出还是继续迭代；
14.步骤七：结合步骤四求解的修正后的声线水平距离以及水下应答器与换能器基阵之间的深度差，求解水下应答器与换能器基阵中心之间的距离；
15.步骤八：求解声线修正后水下应答器在换能器基阵坐标系下的坐标(x,y,z)；
16.步骤九：根据坐标转换关系，求解修正后水下应答器地理坐标(x
d’,y
d’,z
d’)。
17.作为本发明的优选，所述步骤一中计算得到的声速剖面采用chen millero经验公式进行计算，所述绘制出声速剖面采用matlab软件进行绘制。
18.作为本发明的优选，所述步骤三对声速剖面进行等深度分层还可以采用d-p算法、最大偏移量法、自适应分层法以及垂直距离简化法进行分层。
19.作为本发明的优选，所述步骤四中计算求解每层声线的掠射角根据射线声学理论和snell折射定律进行计算，具体为：
[0020][0021]
其中，α为每层声线的掠射角；c0为声源深度上的初始声速；α0为初始掠射角，是该深度上声线与水平面的夹角；cs为snell折射定律常数。
[0022]
作为本发明的优选，所述步骤四中计算求解每层声速梯度利用matlab中nlinfit函数进行计算，具体为：
[0023]
g(z)＝g0 r
·z[0024]
其中，g(z)为每层声速梯度；g0为初始声速梯度；r为声速梯度变化率。
[0025]
作为本发明的优选，所述步骤四中计算求解每层声速根据运动学原理进行计算，具体为：
[0026][0027]
其中，c(z)为每层声速。
[0028]
作为本发明的优选，所述步骤四中计算求解修正后的声线水平距离以及声线传播时延利用matlab中intergral函数进行计算，具体为：
[0029][0030][0031]
其中，x为修正后的声线水平距离，t为声线传播时延，定义
[0032]
作为本发明的优选，所述步骤五中差值的计算方法为：
[0033]
δt＝t-t'
[0034]
其中，δt为差值。
[0035]
作为本发明的优选，所述步骤六中判别时延差值是否满足设定的逼近程度要求，决定终止退出还是继续迭代具体为：
[0036]
如果|δt|≤q，满足设定的逼近条件，成功计算得到修正后的声线水平距离x，终止迭代，完成声线修正；
[0037]
如果δt《-q，则不再追加水层，而根据需要计算多加部分的水层厚度，进行重复判断，直至满足设定的逼近条件；
[0038]
如果δt》q，那么需追加水层厚度，进行重复判断，直至满足设定的逼近条件。
[0039]
作为本发明的优选，所述步骤八中求解声线修正后水下应答器在换能器基阵坐标系下的坐标(x,y,z)具体为：
[0040][0041][0042][0043]
作为本发明的优选，所述步骤九中求解修正后水下应答器地理坐标(x
d’,y
d’,z
d’)具体为：
[0044][0045]
其中，(xc,yc,zc)为测量船的地理坐标；为测量船坐标系向地理坐标系转换的旋转矩阵，是由辅助传感器测得的测量船的姿态组成的矩阵。与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0046]
本发明根据等梯度声线跟踪算法原理和射线声学理论，提出一种基于二次多项式拟合的改进声线跟踪算法，采用线性插值方法对声速剖面数据进行合理的加密并按等深度进行分层，假设每层声速梯度是不断变化的，用二次多项式拟合声速，基于运动学原理建立了完整的数学解算模型，消除了声线弯曲误差对usbl测距精度的影响，避免了超短基线水声定位结果发生偏移，有效提高了定位精度，可推广应用于同类水声定位系统。
附图说明
[0047]
图1为本发明中超短基线水声定位原理图；
[0048]
图2为本发明中声线轨迹水平距离和时间计算示意图；
[0049]
图3为本发明中声线修正流程图；
[0050]
图4为本发明中声速剖面图；
[0051]
图5为本发明中超短基线水声仿真定位结果图。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
[0053]
本发明提供的技术方案：
[0054]
实施例1
[0055]
选取某湖泊进行超短基线水声定位实验，采集本次算法所需实验数据。将换能器固定安装在测量船上，尽量保持换能器基阵中心坐标轴与测量船重心坐标轴平行一致，应答器放置在水下固定深度处，尽量保持应答器位置固定不变。测量船沿预设圆形航迹航行,船艏方向尽量保持不变,用声学定位方法测量得到应答器分别到x轴、y轴相邻阵元的相位差φ、ψ,用高精度差分gps测量得到测量船位置的地理坐标(xc,yc,zc)，与此同时记录测量时延、声线初始掠射角以及辅助传感器测得测量船的瞬时姿态。
[0056]
使用中国argo实时资料中心下载的不同深度海水的电导率s、温度t、深度d数据，采用chen millero经验公式计算得到对应深度下的声速，并借助matlab软件绘制出声速剖面。
[0057]
利用matlab中interp1函数对计算得到的声速剖面进行三次样条插值，增加数据密度。
[0058]
对声速剖面进行等深度分层，将5m归为一层。也可以采用d-p(douglas-peucker)算法、最大偏移量法(maximum offset of sound velocity，mov)、自适应分层法以及垂直距离简化法等方法进行分层。
[0059]
根据射线声学理论和snell折射定律，求解每层声线的掠射角α。
[0060][0061]
式中，c0为声源深度上的初始声速；α0为初始掠射角，是该深度上声线与水平面的夹角；cs为snell折射定律常数。
[0062]
利用matlab中nlinfit函数求解每层声速梯度g(z)。
[0063]
g(z)＝g0 r
·zꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0064]
式中，g0为初始声速梯度；r为声速梯度变化率。
[0065]
根据运动学原理，求解每层声速c(z)。
[0066][0067]
利用matlab中intergral函数求解修正后的声线水平距离x以及传播时间t。
[0068][0069][0070]
其中，定义
[0071]
根据公式(5)计算的声线传播时延t与系统信号处理设备估计得到的测量时延t’，计算它们之间的差值δt。
[0072]
δt＝t-t'
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0073]
判别时延差δt是否满足设定的逼近程度要求，决定终止退出还是继续迭代：
[0074]
如果|δt|≤q，满足设定的逼近条件，成功计算得到修正后的声线水平距离x，终
止迭代，完成声线修正；
[0075]
如果δt《-q，则不再追加水层，而根据需要计算多加部分的水层厚度，进行重复判断，直至满足设定的逼近条件。
[0076]
如果δt》q，那么需追加水层厚度，进行重复判断，直至满足设定的逼近条件。
[0077]
根据勾股定理，结合公式(4)求解的修正后声线水平距离以及水下应答器与换能器基阵之间的深度差，求解水下应答器与换能器基阵中心之间的距离r。
[0078]
根据超短基线定位原理，求解声线修正后水下应答器在换能器基阵坐标系下的坐标(x,y,z)。
[0079][0080][0081][0082]
根据坐标转换关系，求解修正后水下应答器地理坐标(x
d’,y
d’,z
d’)。
[0083][0084]
式中，(xc,yc,zc)为测量船的地理坐标；为测量船坐标系向地理坐标系转换的旋转矩阵，是由辅助传感器测得的测量船的姿态组成的矩阵。
[0085]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。