等梯度聲線跟蹤的聲速剖面自適應分層方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種水下聲學定位方法，尤其是設及等梯度聲線跟蹤的聲速剖面自適 應分層方法。
【背景技術】
[0002] 在水下聲學定位中，由于聲波在海水中的傳播軌跡是彎曲的，要獲得高精度的定 位結果，大多采用分層等梯度聲線跟蹤方法進行定位。在深海定位中，聲線傳播距離長，聲 速剖面層數多，采用該方法運算量大，會明顯降低定位的計算效率。

【發明內容】

[0003] 針對上述技術問題，本發明提供一種計算簡單、計算效率高的水下定位方法，具體 的技術方案為：
[0004] 等梯度聲線跟蹤的聲速剖面自適應分層方法，包括W下步驟：
[0005] (1)設置曲線擬合點數η和闊值f;
[0006] 假設聲波經歷的水柱分為η個等梯度層，假設聲波在每層的傳播速度是等梯度的； 在水深為Zi的i層，分別用Ci和0i表示聲波的傳播速度和入射角度;第i層內的聲速梯度gi表 示為：
[0007] gi= (Ci+i-Ci)/Δzi
[000引式中，AZi為第i層的水層厚度，Ci+i為第i+1層聲速；
[0009] 聲波的傳播滿足Snell法則，在聲速常梯度變化的情況下，波束在第i層內的實際 傳播軌跡為一連續的、對應一定曲率半徑Ri的弧段，虹的表達為：
[0010]
[0011] 式中P為Snell系數；
[0012] 層i內聲線的水平位移為：
[0013]
[0014] 式中，θι為第i層聲線的入射角，θι+ι為第i+1層聲線的入射角；
[0015] 波束在該層經歷的弧段長度為：
[0016] Si=Ri(目廣目i+i)
[0017] 則經歷該段的時間為：
[001 引
[0019] (2)已知第i層的水平位移yi和經歷該段位移的時間ti，得出第i層的平均聲速Ci(i =1，2^-，11)，從頂層開始選取連續的11個聲速值(：1。= 1，2，-，，11)進行曲線擬合，得到擬合 曲線C=f(x)，曲線是一個關于聲速。。=1，2，一，11)與水平位移^有關的變化曲線；
[0020] (3)擬合的曲線C求其最大曲率，曲率計算公式為：
[0021]
[0022] 其中，C'和C'代表聲速曲線的一階和二階導數。
[0023] (4)將曲率半徑R與闊值f進行對比，若小于闊值f則將η層聲速剖面合并為一層;若 大于闊值f則釋放第一層，釋放η個點中的第一個點，下移一個點繼續選取η個點聲速值進行 擬合，直至整個聲速剖面數據遍歷完成。
[0024]本發明提供的等梯度聲線跟蹤的聲速剖面自適應分層方法，將聲速剖面數據中變 化很小的聲速層進行過濾，適當抽稀，保留聲速梯度變化較大的數據層，從而減少迭代中的 運算量。聲速剖面經過自適應分層后，用新的聲速剖面進行分層等梯度聲線跟蹤，從而完成 水下定位解算。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明的流程圖；
[0026]圖2為實施例中所用到的中國南海聲速剖面數據；
[0027]圖3為實施例中闊值為1(Τ?時聲速剖面自適應分層的結果；
[0028]圖4為實施例中闊值為時聲速剖面自適應分層結果。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0030] 對中國南海500米水深聲速剖面進行自適應分層，并用自適應分層后的結果進行 定位：
[0031] 1、定位數據
[003^ 實驗選取擬合點數為7,進行S次曲線擬合，闊值設置為ιοΛιοΛιοΛ... 共20個闊值。
[0033] 模擬四個浮標布設成正方形形狀，邊長為1600m，給浮標的Ξ維坐標分別加上2米 的余弦波動。海底模擬4個應答器A、B、C、D，坐標分別為(0,0，-500)、（0,40，-500)、（40,0，-500)、（40，40，-500)，單位均為m，總共模擬100個歷元。水域的聲速剖面圖如圖2,為中國南 海聲速剖面數據，采樣間隔為Im。誤差模擬如下:換能器定位中誤差x、y、z方向各10cm，應答 器時延偏差為8cm的系統誤差，測量時間造成10cm的測距中誤差。
[0034] 2、聲速剖面自適應分層結果
[003引共取10-1，10-2，10-3，...，10-^，20個闊值，其中最大闊值為10-咐可將原始500層聲 速剖面數據分為145層，如圖3所示;最小闊值1(Γ2咐可將500層聲速剖面數據分為450層，如 圖4所示。
[0036] 3、利用自適應分層后的數據進行定位
[0037] 實驗中的電腦配置為:CPU型號為雙核化ntiumE2200，CPU主頻為2.20細Ζ，內存大 小為3G。
[0038] (1)原始聲速剖面定位結果
[0042]
[0043]從上表結果中可W看出，當擬合點數為7時，對于不同的闊值，對聲速剖面有不同 程度的抽稀，層數從145層到450層，其中，闊值從10^1到ΚΓ"分層結果一致，均為145層。定位 的時間從11s到34s，定位的效率較原始結果有了不同幅度的提升。定位的精度與原始定位 誤差接近，不同闊值定位誤差差異很小。對于不同的闊值，其定位RMS值均在0.36m左右，相 差不大，與未經過自適應分層的定位結果相當。
[0044]本發明提出的聲速剖面自適應分層方法能夠對聲速剖面進行合理的抽稀，減少聲 速剖面的層數。通過用自適應分層后的數據進行定位可W看出，定位結果均能在保證定位 精度的前提下提高定位效率。
【主權項】
1.等梯度聲線跟蹤的聲速剖面自適應分層方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 設置曲線擬合點數η和閾值f; 假設聲波經歷的水柱分為η個等梯度層，假設聲波在每層的傳播速度是等梯度的；在水 深為21的1層，分別用(：1和01表示聲波的傳播速度和入射角度;第i層內的聲速梯度8 1表示 為： gi= (Ci+i-Ci)/ Δ zi 式中，A zi為第i層的水層厚度，Ci+1為第i+1層聲速； 聲波的傳播滿足Snell法則，在聲速常梯度變化的情況下，波束在第i層內的實際傳播 軌跡為一連續的、對應一定曲率半徑Ri的弧段，Ri的表達為：式中p為Snell系數； 層i內聲線的水平位移為：式中，為第i層聲線的入射角，θ1+1為第i+Ι層聲線的入射角； 波束在該層經歷的弧段長度為： Si = Ri(0i-0i+1) 則經歷該段的時間為：(2) 已知第i層的水平位移yi和經歷該段位移的時間^，得出第i層的平均聲速α(? = 1， 2,…，η)，從頂層開始選取連續的η個聲速值匕^二^廣^"進行曲線擬合^導到擬合曲線 C = f(x)，曲線是一個關于聲速Ci(i = l，2,···，!!)與水平位移X有關的變化曲線； (3) 擬合的曲線C求其最大曲率，曲率計算公式為：其中，C '和C"代表聲速曲線的一階和二階導數。 (4) 將曲率半徑R與閾值f進行對比，若小于閾值f則將η層聲速剖面合并為一層;若大于 閾值f則釋放第一層，釋放η個點中的第一個點，下移一個點繼續選取η個點聲速值進行擬 合，直至整個聲速剖面數據遍歷完成。
【專利摘要】本發明涉及一種水下聲學定位方法，尤其是涉及等梯度聲線跟蹤的聲速剖面自適應分層方法，包括設置曲線擬合點數n，閾值f；從頂層開始選取連續的n個聲速值進行曲線擬合；對于擬合的曲線求取最大曲率半徑；將曲率半徑與閾值f進行對比，若小于閾值f則將n層聲速剖面合并為一層；若大于閾值f則釋放第一層，從下一層繼續擬合曲線，直至整個聲速剖面數據遍歷完成。本發明提供的等梯度聲線跟蹤的聲速剖面自適應分層方法，將聲速剖面數據中變化很小的聲速層進行過濾，適當抽稀，保留聲速梯度變化較大的數據層，從而減少迭代中的運算量。聲速剖面經過自適應分層后，用新的聲速剖面進行分層等梯度聲線跟蹤，從而完成水下定位解算。
【IPC分類】G01S1/72
【公開號】CN105445694
【申請號】CN201510809031
【發明人】王振杰, 李圣雪, 王毅, 聶志喜, 吳會勝
【申請人】中國石油大學(華東)
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年11月19日