專利名稱：基于浮標系統的聲速剖面反演方法
技術領域：
本發明涉及的是水聲傳播技術領域，具體涉及一種基于浮標系統的聲速剖面反演方法。
背景技術：
近年來，利用聲學方法反演感興趣的海洋環境參數已經成為一個十分重要的研究課題。由于實際的海洋環境條件復雜多變，聲信號在海洋信道中傳播時會受到各種環境因素的影響。為了對海洋中的聲傳播進行研究，掌握聲信號在海洋信道中傳播規律，能快速有效的獲取海洋環境的相關參數是十分必要的。使用相應的儀器設備對海洋環境的相關參數直接進行測量一般需要較長的時間，用聲學方法反演感興趣的海洋環境參數是快速獲取海洋環境參數一個比較方便、有效的途徑，通常可以同時反演獲取較大范圍的海洋環境參數。由于不需要逐點對相關的環境參數進行直接的測量，可以節省大量的人力物力，并且可以進行比較長時間的連續監測。用聲學方法反演獲取海洋環境參數主要是通過在海水中布放的水聽器陣對聲場進行觀測，然后對水聽器接收到的聲信號進行分析處理反演得到相應的海洋環境參數。海水中的聲速是比較重要的海洋環境的聲學參數，對海洋中的聲傳播有比較大的影響。目前，用聲學方法反演海水中的聲速剖面已經進行了一些理論和實驗的研究工作([1]Tolstoy A，DiachokO，Frazer L N.Acoustic tomography via matched field processing，JASA 1991，89(3)，pP.1119-1127.[2]Goncharov V V，Voronovich A G. An experiment on matched-field acoustictomography with continuous wave signals in the Norway Sea.JASA，1993，93(4)，pp.1873-1881)，這些方法一般要求接收陣的長度與海深至少是可相比擬的，因此需要使用較長的基陣，花費較大，也不便于使用。并且由于實際的海洋環境復雜多變，各種復雜的環境因素也會對接收的信號產生影響，這些因素往往也會對反演結果帶來影響。

發明內容本發明的目的在于提供一種可以快速的反演獲得海水中的聲速剖面，利用多個浮標組合作為信號的接收系統，接收系統的結構較為簡單、使用比較方便的聲速剖面的反演方法。
本發明的目的是這樣實現的它包括以下步驟1.1、利用多個浮標組合作為信號的接收系統，每個浮標包括一個接收陣，浮標布放在海面上，接收陣連接在浮標的下方，浮標通過接收陣的接收水聽器接收聲源發射的聲信號，采集并記錄接收信號的數據；1.2、利用聲信號由聲源傳播到達接收陣元的傳播時間進行反演計算；1.3、采用遺傳算法進行優化計算。
本發明還有這樣一些技術特征
1、所述的接收陣為短垂直陣；2、采用遺傳算法進行計算時代價函數為F(C,T→)=1Σi,j[tij(r→i,r→j,Tj)-τij]2]]>其中i，j分別為接收點與聲源信號的序號， 為接收點與聲源的坐標，Tj為各次聲源信號的發射時刻， 為各次聲源信號發射時刻的數組表示，C為海水中的聲速剖面，tij，τij分別為不同接收點接收到信號時刻的計算值與觀測值；3、聲速剖面用經驗正交函數描述，任意一點的聲速值可以表示為c(x,y,zi)=c‾(zi)+Σm=1Mαmfm(zi)i=1,2···M]]>其中， 為平均聲速剖面，fm(zi)為各階經驗正交函數向量，αm是各階經驗正交函數的修正系數；本發明利用多個浮標組合作為信號的接收系統，每個浮標包括一個接收陣，接收陣為短垂直陣。浮標布放在海面上，接收陣連接在浮標的下方，在接收陣的最下端懸掛了一個重錘，各個浮標在各自的位置接收由聲源發射的聲信號，采集并記錄接收信號的數據。整個浮標系統的結構較為簡單，使用比較方便。
其中，聲速剖面反演應用遺傳算法進行優化計算，計算的步驟包括1、進行參數的編碼；2、生成初始的群體；3、根據代價函數來確定群體中個體的適應值；4、根據群體中個體的適應度運用遺傳算子產生新一代的種群；5、反復進行步驟3和步驟4直到代價函數收斂，得到問題的最優解。
本發明的方法利用聲信號由聲源傳播到達接收點的傳播時間反演海水中的聲速剖面。根據聲信號的發射時刻和接收時刻可以得到聲信號由聲源傳播到達接收點的傳播時間ΔT＝τ-T其中，聲源的發射信號的時刻為T，信號前沿到達接收水聽器的時刻為τ。
假設浮標的接收陣包括N個接收水聽器，每個浮標通過接收陣接收由聲源傳播到達的聲信號，各個水聽器接收到信號的到達時刻為τn(n＝1，…，N)。根據聲源發射信號的時刻T，應用射線理論可以計算不同參數對應的聲速剖面下聲信號由聲源傳播到達各個浮標相應接收水聽器的時刻。計算的代價函數F(C,T→)=1Σi,j[tij(r→i,r→j,Tj)-τij]2]]>其中i，j分別為接收點與聲源信號的序號， 為接收點與聲源的坐標，Tj為各次聲源信號的發射時刻， 為各次聲源信號發射時刻的數組表示，C為海水中的聲速剖面，tij，τij分別為不同接收點接收到信號時刻的計算值與觀測值。
聲速剖面用經驗正交函數描述，任意一點的聲速值可以表示為c(x,y,zi)=c‾(zi)+Σm=1Mαmfm(zi)i=1,2···M]]>其中， 為平均聲速剖面，fm(zi)為各階經驗正交函數向量，經驗正交函數向量包括M個離散深度上的聲速值，αm是各階經驗正交函數的修正系數。用經驗正交函數描述聲速剖面通常用前幾階經驗正交函數就可以足夠精確的表示海水中的聲速剖面。用經驗正交函數描述聲速剖面可以達到較好的精度，并且所需的參數數目較少，降低了解空間的范圍，可以提高反演算法的性能。
本發明的方法利用多個浮標組合作為信號的接收系統，由于浮標可以在海面上自由漂浮，接收陣為短垂直陣，在海水中的布放深度不大，并且又在基陣的最下端懸掛重錘，可以使接收陣基本上保持垂直的狀態，因此可以不需要對接收點的位置進行測量，也不需要進行陣形的修正。各個接收點的水平位置與浮標的位置相同，根據浮標的位置就可以得到各個接收點的水平位置。整個浮標系統的結構較為簡單，使用比較方便。利用傳播時間反演海水中的聲速剖面，采用遺傳算法進行優化計算。在實際的海洋環境條件下信號傳播時間的測量容易得到較為精確的結果。在反演過程中不需要考慮信號的幅度信息，可以減少復雜的海洋環境因素對反演結果的影響。


圖1為本發明實施例的浮標布放的相對位置圖；圖2為本發明實施例的聲速剖面反演流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步具體描述結合圖1-2，在本發明所述的聲速剖面反演方法中，利用多個浮標組合使用作為聲信號的接收系統。假設在海面上分別布放四個浮標，它們的位置成一個正方形。各個浮標下方連接一個短垂直接收陣，每一個垂直陣分別包含N＝5個不同深度的接收水聽器。在垂直接收陣的最下端懸掛重錘，由于浮標可以在海面上自由漂浮，接收陣為短垂直陣，在海水中的布放深度不大，因此接收陣可以基本上保持垂直的狀態，各個接收點的水平位置與浮標的位置相同，浮標的位置可以通過GPS接收天線得到。在四個浮標之間的區域由聲源發射聲信號，各個浮標在各自位置通過垂直接收陣進行接收。根據聲源的發射時刻和信號前沿到達各接收水聽器的時刻反演計算海水中的聲速剖面。應用遺傳算法進行計算，計算的流程見圖2。
第一步進行參數的編碼。聲速剖面用經驗正交函數描述，選取前三階經驗正交函數任意一點的聲速值可以表示為c(x,y,zi)=c‾(zi)+Σm=13αmfm(zi)i=1,2···M]]>其中， 為平均聲速剖面，fm(zi)為經驗正交函數，經驗正交函數為M個離散深度上的聲速值組成的向量，各階經驗正交函數的修正系數αm為未知參數。采用浮點數編碼方法對參數進行編碼。
第二步生成初始的群體，初始的群體規模取n＝100。初始群體中的個體在參數搜索空間范圍內隨機產生，用均勻的隨機數來生成初始的群體。
第三步根據代價函數來確定群體中個體的適應值。
代價函數為F(C,T→)=1Σi,j[tij(r→i,r→j,Tj)-τij]2]]>其中i，j分別為接收點與聲源信號的序號， 為接收點與聲源的坐標，Tj為各次聲源信號的發射時刻， 為各次聲源信號發射時刻的數組表示，C為海水中的聲速剖面，tij，τij分別為選取的不同接收點接收到信號時刻的計算值與觀測值。
第四步根據群體中個體的適應度運用選擇、交叉和變異等遺傳算子產生新一代的種群。
采用比例選擇的方法，在選擇過程中個體被選擇的概率等于其適應值在群體適應值總和中所占的比例。通過選擇算子將當前的群體中適應度較高的個體復制到下一代作為交叉和變異操作的對象。
采用算術交叉算子，任一隨機配對的個體Xit和Xjt之間進行算術交叉產生兩個新的個體為Xit+1=aXjt+(1-a)Xit]]>
Xjt+1=aXit+(1-a)Xjt]]>其中，變量a的值與進化代數有關，t為進化代數。交叉概率取pc＝0.7。
采用以下的變異操作。
個體X＝(x1x2…xk…xl)在xk處變異得到新的個體X′＝(x1x2…xk′…xl)，xk的取值范圍為[Umink，Umaxk]，則xk′的值由下面的式子確定xk′=Umink+b(Umink-Umink)]]>其中，b為區間
范圍內均勻分布的隨機數。變異概率取pm＝0.01。
反復進行第三步和第四步直到代價函數收斂，得到問題的最優解。
權利要求
1.一種基于浮標系統的聲速剖面反演方法，其特征是它包括以下步驟1.1、利用多個浮標組合作為信號的接收系統，每個浮標包括一個接收陣，浮標布放在海面上，接收陣連接在浮標的下方，浮標通過接收陣的接收水聽器接收聲源發射的聲信號，采集并記錄接收信號的數據；1.2、利用聲信號由聲源傳播到達接收陣元的傳播時間進行反演計算；1.3、采用遺傳算法進行優化計算。
2.根據權利要求1所述的基于浮標系統的聲速剖面反演方法，其特征是所述的接收陣為短垂直陣。
3.根據權利要求1所述的基于浮標系統的聲速剖面反演方法，其特征是采用遺傳算法進行計算時代價函數為F(C,T→)=1Σi,j[tij(r→i,r→j,Tj)-τij]2]]>其中i，j分別為接收點與聲源信號的序號， 為接收點與聲源的坐標，Tj為各次聲源信號的發射時刻， 為各次聲源信號發射時刻的數組表示，C為海水中的聲速剖面，tij，τij分別為不同接收點接收到信號時刻的計算值與觀測值。
4.根據權利要求3所述的基于浮標系統的聲速剖面反演方法，其特征是聲速剖面用經驗正交函數描述，任意一點的聲速值可以表示為c(x,y,zi)=c‾(zi)+Σm=1Mαmfm(zi)i=1,2···M]]>其中， 為平均聲速剖面，fm(zi)為各階經驗正交函數向量，αm是各階經驗正交函數的修正系數。
全文摘要
本發明提供了一種聲速剖面的反演方法，它包括以下步驟利用多個浮標組合作為信號的接收系統，每個浮標包括一個接收陣，浮標布放在海面上，接收陣連接在浮標的下方，浮標通過接收陣的接收水聽器接收聲源發射的聲信號，采集并記錄接收信號的數據；利用聲信號由聲源傳播到達接收陣元的傳播時間進行反演計算；采用遺傳算法進行優化計算。本發明的方法可以快速的反演得到海水中的聲速剖面，使用多個浮標組合作為信號的接收系統，浮標的結構較為簡單，使用比較方便。
文檔編號G01S5/00GK1995932SQ20061015118
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月22日 優先權日2006年12月22日
發明者楊士莪, 唐俊峰 申請人:哈爾濱工程大學