本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于海洋物探的全局解算定位方法，屬于海洋地震拖纜系統(tǒng)中的多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水下多纜定位技術(shù)是海上地震勘探技術(shù)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。精確的拖纜定位可以保證較高的三維地震成像精度，為后續(xù)開發(fā)方案的制定提供可靠的依據(jù)。但由于在海上地震數(shù)據(jù)采集時，拖纜長度達到數(shù)千米，受海流影響，其位置時時都在變化，且拖纜布放的深度較淺，聲傳播過程中海面反射聲的影響明顯。

現(xiàn)有技術(shù)對海上石油勘探中的水下多纜定位原理、特點及關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，并建立了海上地震勘探多纜定位模型，但對于如何有效抗多途干擾和實時數(shù)據(jù)獲取方面較少涉及，文獻中采用逐步解算方法定位水鳥位置，會間接影響聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位的精度，降低系統(tǒng)的探測效果。

長基線水聲定位技術(shù)要求精確獲取每個接收水鳥和發(fā)射水鳥的相對距離，而由于每條拖纜上間隔布放發(fā)射水鳥和接收水鳥，在拖纜的數(shù)目多、長度長的情況下，水鳥的數(shù)目龐大，且拖纜布放的深度較淺，聲傳播過程中海面反射聲的影響明顯，這就導(dǎo)致當(dāng)發(fā)射水鳥同時工作時，每個接收水鳥都會接收到一長串具有數(shù)個峰值的脈沖信號，無法從這一長串脈沖信號中準確提取需要的直達峰值，導(dǎo)致無法全局解算定位，定位解算的精度達不到要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種應(yīng)用于海洋物探的全局解算定位方法，避免了現(xiàn)有水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)抗多途干擾效果差且定位精度不高的缺點，提高了定位解算的精度。

本發(fā)明解決的技術(shù)方案為：一種應(yīng)用于海洋物探的全局解算定位方法，步驟如下：

(1)各發(fā)射水鳥向接收水鳥發(fā)射不同頻率的聲信號；

(2)獲取接收水鳥接收到的該發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的直達時間t_i；

(3)根據(jù)步驟(2)直達時間t_i，和聲速c，進行全局結(jié)算，確定接收水鳥與發(fā)射水鳥相對距離；

(4)遍歷所有接收水鳥，得到各個接收水鳥與各個發(fā)射水鳥之間的直線距離。

所述步驟(3)根據(jù)步驟(2)直達時間t_i，和聲速c，進行全局結(jié)算，確定接收水鳥與發(fā)射水鳥相對距離，步驟如下：

(1)建立一個三維坐標系O-x,y,z三維正交坐標系，z的正方向垂直海平面向下，x的正方向從拖纜頭部指向尾部，y的正方向與x在海平面正交，z符合右手定則，原點O任意設(shè)置，設(shè)定發(fā)射水鳥的位置已知，并設(shè)第i個發(fā)射水鳥的位置坐標為T_i(x_i,y_i,z_i)；

(2)根據(jù)步驟(2)發(fā)射水鳥發(fā)出的聲信號從發(fā)射水鳥直接到達接收水鳥的時間t_i，設(shè)接收水鳥的位置坐標為(x,y,z),發(fā)射水鳥和接收水鳥之間的距離R_io為：

令，z＝h，z_i＝h_i，ΔH_i＝h-h_i，發(fā)射水鳥的深度h_i和接收水鳥的深度h分別通過安裝在發(fā)射水鳥和接收水鳥的壓力傳感器直接獲得；

(3)將步驟(2)的公式(1)表示為：

式中，N為大于等于3的整數(shù)；

(4)將式(2)化簡得到：

x²+y²-2x_ix-2y_iy＝(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)²(3)

令(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)²＝Δ_i，

(5)將i＝1,...,N代入方程(3)得到N個方程，聯(lián)立N個方程解算出接收水鳥的位置(x,y),再根據(jù)z＝h,得到接收水鳥的三維位置坐標(x,y，z)；

所述步驟(4)遍歷所有接收水鳥，得到各個接收水鳥與各個發(fā)射水鳥之間的直線距離，步驟如下：

遍歷所有接收水鳥，得到各接收水鳥相對于各發(fā)射水鳥的三維坐標，再根據(jù)各接收水鳥相對于各發(fā)射水鳥的三維坐標，確定各個接收水鳥與各個發(fā)射水鳥之間的直線距離。

所述發(fā)射聲信號的脈沖寬度0.5ms～1ms，直達信號、多途信號脈沖寬度0.5～1ms。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明采用全局解算算法，縮短定位解算時間，提高定位解算的。精度。

(2)本發(fā)明的方法簡單，原理清楚，能夠滿足拖纜系統(tǒng)實時性的要求。

(3)本發(fā)明采用多頻實時數(shù)據(jù)獲取模型，所有水鳥可以同時工作，提高拖纜系統(tǒng)的工作效率。

(4)本發(fā)明采用抗多途干擾方案，避免漏報直達信號。

附圖說明

圖1(a)為水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的兩種組網(wǎng)方式1示意圖，(b)為水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的兩種組網(wǎng)方式2示意圖；

圖2為本發(fā)明抗多途干擾方案流程圖；

圖3為逐步解算方案示意圖；

圖4為本發(fā)明全局解算方案示意圖；

圖5為本發(fā)明長基線水聲定位模型示意圖；

圖6為本發(fā)明簡單構(gòu)造的水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)示意圖；

圖7為本發(fā)明算例各水鳥布放距離示意圖；

圖8的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為本發(fā)明6個接收水鳥收到的仿真擬合脈沖信號示意圖；

圖9(a)為本發(fā)明X坐標定位結(jié)果絕對誤差示意圖，(b)為本發(fā)明Y坐標定位結(jié)果絕對誤差示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種應(yīng)用于海洋物探的全局解算定位方法，提供一種新的多頻實時數(shù)據(jù)獲取方式和全局解算方法，首先根據(jù)水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的組網(wǎng)方式確定輪詢方案，采用全局解算算法定位各水鳥位置，本發(fā)明所述多頻實時數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的優(yōu)點是：所有發(fā)射水鳥和接收水鳥可以同時進行工作，大大提高了拖纜系統(tǒng)的效率，縮短了定位解算的時間，采用全局解算算法減小了定位誤差。

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述，

海上拖纜系統(tǒng)一般由3～4條拖纜組成，拖纜之間平行布放。對多纜的聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)主要由發(fā)射水鳥和接收水鳥組成，每條拖纜的組成一樣，其組網(wǎng)方式主要有兩種，若拖纜較短(每根拖纜小于等于1km)，可在拖纜前端和末端放置發(fā)射水鳥(即聲學(xué)鳥)，中間放置接收水鳥(即水平鳥)，如圖1(a)所示；若拖纜較長(每根拖纜大于1km)，由于高頻聲信號衰減較大，發(fā)射水鳥只在前端和末端布放會導(dǎo)致中間的接收水鳥接收不到信號，一般采取發(fā)射、接收水鳥間隔布放的原則，如圖1(b)所示，發(fā)射水鳥為實心圓，接收水鳥為空心圓，水鳥之間通過拖纜內(nèi)的連接電纜傳遞數(shù)據(jù)，根據(jù)高頻聲信號的衰減大小，一般將水鳥的間距定為50米～100米。本發(fā)明所述多頻實時數(shù)據(jù)獲取方案中所有發(fā)射水鳥和接收水鳥可以同時進行工作，大大提高了拖纜系統(tǒng)的效率，縮短了定位解算的時間，提高了聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的抗多途干擾效果，采用全局解算算法減小了定位誤差。

本發(fā)明優(yōu)選的方案為：一種水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位方法，包括確定水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的組網(wǎng)方式階段、多頻實時數(shù)據(jù)獲取階段、抗多途干擾階段和全局解算求解所有水鳥的位置信息階段；

所述確定水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的組網(wǎng)方式階段步驟如下：

(1)確定海上拖纜系統(tǒng)中拖纜數(shù)量和每條拖纜上的發(fā)射水鳥和接收水鳥的數(shù)量，確定每條拖纜的長度，若每條拖纜的長度小于等于1km，則進行步驟(2)，若每條拖纜的長度大于1km，則進行步驟(3)；所述發(fā)射水鳥能夠發(fā)射聲信號，接收水鳥能夠接收聲信號；設(shè)每條拖纜上有N個發(fā)射水鳥和M個接收水鳥，為同一條拖纜上的發(fā)射水鳥設(shè)置相同的發(fā)射頻率，為不同拖纜上的發(fā)射水鳥設(shè)置不同的聲信號發(fā)射頻率；

(2)在接收到指令后，向每條拖纜的發(fā)射水鳥和接收水鳥發(fā)出統(tǒng)一的啟動脈沖，使每條拖纜的各個發(fā)射水鳥和接收水鳥啟動，在接收到啟動脈沖信號后，發(fā)射水鳥和接收水鳥開始工作，每條拖纜的發(fā)射水鳥同時工作，發(fā)出不同發(fā)射頻率的聲信號，接收水鳥接收聲信號；要確定某一拖纜某個接收水鳥與某發(fā)射水鳥之間的相對距離時，將該接收水鳥收到的聲信號脈沖以該發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的發(fā)射頻率為中心頻率，帶寬1kHz進行濾波后再放大，得到發(fā)射頻率的時域脈沖信號，這些發(fā)射頻率的時域脈沖信號包括該發(fā)射水鳥直接到達該接收水鳥的直達信號和發(fā)射水鳥未直接到達該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥，得到拖纜上各個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號；

所述多頻實時數(shù)據(jù)獲取階段步驟如下：

(3)將每根拖纜分成N階，每階拖纜的第一個水鳥為發(fā)射水鳥，每階其余水鳥為接收水鳥；對某一階拖纜進行定位時，除這一階的發(fā)射水鳥、接收水鳥開始工作外，拖纜的其它階所有發(fā)射水鳥和接收水鳥關(guān)閉，即所有拖纜的第一階中的發(fā)射水鳥先發(fā)射聲信號，所有拖纜的第一階中的接收水鳥接收聲信號，然后所有拖纜的第二階中的發(fā)射水鳥再發(fā)射聲信號，所有拖纜的第二階中的接收水鳥接收聲信號，以此類推，直至所有拖纜的第N個階中的發(fā)射水鳥發(fā)射聲信號，所有拖纜的第N階中的接收水鳥接收聲信號；要確定某一拖纜某個接收水鳥與發(fā)射水鳥之間的相對距離時，將該接收水鳥收到的聲信號脈沖以該發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的發(fā)射頻率為中心頻率，帶寬1kHz進行濾波后再放大，得到發(fā)射頻率的時域脈沖信號，這些發(fā)射頻率的時域脈沖信號包括該發(fā)射水鳥直接到達該接收水鳥的直達信號和發(fā)射水鳥未直接到達該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥，得到每一階拖纜上各個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號；

(4)對步驟(2)拖纜上各個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號和步驟(3)得到的每一階拖纜上各個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號的時域進行判斷，即若某個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號中的直達信號與多途信號能夠在時域上分開，進行步驟(5)；若接收水鳥在距離海平面6.5米以內(nèi)(發(fā)射的時域脈沖信號脈寬為0.5ms時)或者接收水鳥在距離海平面9米(發(fā)射的時域脈沖信號脈寬為1ms時)以內(nèi)，判定某個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號中的直達信號與多途信號時域上重疊；接收水鳥在距離海平面6.5米之上(發(fā)射的時域脈沖信號脈寬為0.5ms時)或者接收水鳥在距離海平面9米之上(發(fā)射的時域脈沖信號脈寬為1ms時)，判定某個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號中的直達信號與多途信號時域上能分開。

所述抗多途干擾階段步驟如下：

(5)設(shè)定搜索窗的時間寬度，搜索窗的寬度小于某接收水鳥收到的時域脈沖信號的時長，對接收水鳥收到的時域脈沖信號進行采樣，將某接收水鳥收到的時域脈沖信號的所有采樣點的信號幅度進行統(tǒng)計平均，得到平均幅度，將每個采樣點的信號幅度與該平均幅度做比，得到每個采樣點的幅度比；以該搜索窗的時間寬度為單位寬度在濾波放大后的時域脈沖信號上進行循環(huán)搜索，在每個搜索窗的時間寬度內(nèi)找到幅度比最大的采樣點，然后將每個搜索窗的時間寬度內(nèi)找到幅度比最大的采樣點按照幅度比的值從大到小進行排列，取幅度比做大的采樣點作為直達信號，則該幅度比做大的采樣點的采樣時間即為該接收水鳥接收到的某發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的直達時間t_i，將該直達時間t_i乘以聲速c得到某接收水鳥與某發(fā)射水鳥相對距離；遍歷所有接收水鳥，得到各個接收水鳥與各個發(fā)射水鳥之間的直線距離；

(6)設(shè)定搜索窗的時間寬度為步驟(5)的搜索窗的時間寬度的一半，設(shè)置幅度上限和幅度下限，對接收水鳥收到的時域脈沖信號進行采樣，以該搜索窗的時間寬度為單位寬度在濾波放大后的時域脈沖信號上進行循環(huán)搜索，對每個搜索窗的時間寬度內(nèi)的所有采樣點的脈沖幅度進行判斷，若某采樣點脈沖幅度大于幅度上限，判定該采樣點信號幅度大于幅度上限的信號是接收的脈沖信號，然后以幅度大于幅度上限的該采樣點為起點對時域脈沖寬度進行計數(shù)，計數(shù)時間為發(fā)射脈沖寬度的一半，第一次出現(xiàn)信號幅度大于幅度上限的采樣點，則直接將該采樣點接收的脈沖信號判定為有效脈沖，即直達信號；若某采樣點的脈沖幅度小于幅度上限，則將該采樣點的脈沖幅度再與設(shè)定的幅度下限比較，若該接收的采樣點的脈沖幅度大于幅度下限則暫時保存該采樣點接收的脈沖信號，然后判斷該采樣點接收的脈沖信號的發(fā)射脈沖寬度的另一半內(nèi)是否有同樣幅度的脈沖出現(xiàn)，有同樣的幅度脈沖出現(xiàn)則認為暫存的脈沖是有效脈沖，將此有效脈沖判定為直達信號，則該直達信號的采樣時間即為該接收水鳥接收到的某發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的直達時間t_i，將該直達時間乘以聲速c得到某接收水鳥與某發(fā)射水鳥相對距離；遍歷所有接收水鳥，得到各個接收水鳥與各個發(fā)射水鳥之間的直線距離；

所述全局解算求解所有水鳥的位置信息階段步驟如下：

(7)建立一個三維坐標系O-x,y,z三維正交坐標系，z的正方向垂直海平面向下，x的正方向從拖纜頭部指向尾部，y的正方向與x在海平面正交，z符合右手定則，原點O任意設(shè)置，設(shè)定所有發(fā)射水鳥的位置已知，并設(shè)第i個發(fā)射水鳥的位置坐標為T_i(x_i,y_i,z_i)，根據(jù)步驟(5)或步驟(6)發(fā)射水鳥發(fā)出的聲信號從發(fā)射水鳥直接到達接收水鳥的時間為t_i，設(shè)接收水鳥的位置坐標為(x,y,z),發(fā)射水鳥和接收水鳥之間的距離R_io為：

令，z＝h，z_i＝h_i，ΔH_i＝h-h_i，發(fā)射水鳥的深度h_i和接收水鳥的深度h分別通過安裝在發(fā)射水鳥和接收水鳥的壓力傳感器直接獲得；

將公式(1)表示為：

式中，N為大于等于3的整數(shù)；

將式(2)化簡得到：

x²+y²-2x_ix-2y_iy＝(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)² (3)

令(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)²＝Δ_i，

將i＝1,...,N代入方程(3)得到N個方程，聯(lián)立N個方程解算出接收水鳥的位置(x,y),再根據(jù)z＝h,得到接收水鳥的三維位置坐標(x,y，z)；遍歷所有接收水鳥，得到各接收水鳥相對于各發(fā)射水鳥的三維坐標。

根據(jù)上述海上拖纜的特點，本發(fā)明更優(yōu)選的一種水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位方法，步驟如下：

(1)第一步是確定水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的組網(wǎng)方式。

首先確定海上拖纜系統(tǒng)中拖纜數(shù)量和每條拖纜上的發(fā)射水鳥和接收水鳥的數(shù)量，即一共有多少條拖纜，每條上面有多少個發(fā)射水鳥和多少個接收水鳥，然后確定每條拖纜的長度，若每條拖纜的長度小于等于1km，則進行步驟(2)，若每條拖纜的長度大于1km，則進行步驟(3)；所述發(fā)射水鳥能夠發(fā)射聲信號，接收水鳥能夠接收聲信號；設(shè)每條拖纜上有N個發(fā)射水鳥和M個接收水鳥，為同一條拖纜上的發(fā)射水鳥設(shè)置相同的發(fā)射頻率，為不同拖纜上的發(fā)射水鳥設(shè)置不同的聲信號發(fā)射頻率；

(2)在接收到指令后，向每條拖纜的發(fā)射水鳥和接收水鳥發(fā)出統(tǒng)一的啟動脈沖，使每條拖纜的各個發(fā)射水鳥和接收水鳥啟動，在接收到啟動脈沖信號后，發(fā)射水鳥和接收水鳥開始工作，每條拖纜的發(fā)射水鳥同時工作，發(fā)出不同發(fā)射頻率的聲信號，接收水鳥接收聲信號；要確定某一拖纜某個接收水鳥與某發(fā)射水鳥之間的相對距離時，將該接收水鳥收到的聲信號脈沖以該發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的發(fā)射頻率為中心頻率，帶寬1kHz進行濾波后再放大，得到發(fā)射頻率的時域脈沖信號，這些發(fā)射頻率的時域脈沖信號包括該發(fā)射水鳥直接到達該接收水鳥的直達信號和發(fā)射水鳥未直接到達該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥，得到拖纜上各個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號；假設(shè)拖纜網(wǎng)絡(luò)中每條拖纜有N個發(fā)射水鳥和M個接收水鳥，在作業(yè)過程中，主機軟件發(fā)出定位測量指令，接收到指令后確定處于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個水鳥的收發(fā)任務(wù)和順序，將指令發(fā)送到相應(yīng)的水鳥中，待各個水鳥完成準備工作后，發(fā)送一個統(tǒng)一的啟動脈沖，各水鳥在接收到發(fā)射啟動脈沖信號后，開始各自的工作，即當(dāng)拖纜較短時(每條拖纜長度小于1km)，每條拖纜前端和末端的發(fā)射水鳥同時工作，中間的接收水鳥接收聲信號并定位；當(dāng)拖纜較長時(每條拖纜長度小于1km)，將每根拖纜分成N階，每階拖纜的第一個水鳥為發(fā)射水鳥，其余為接收水鳥；某一階拖纜進行定位時，除這一階開啟發(fā)射水鳥、接收水鳥外，拖纜的其它階所有水鳥關(guān)閉，即第一階中的發(fā)射水鳥先發(fā)射，第一階中的接收水鳥接收聲信號并定位，然后第二階中的發(fā)射水鳥再發(fā)射，第二階中的接收水鳥接收聲信號并定位，以此類推，直至第N個階中的發(fā)射水鳥發(fā)射，第N階中的接收水鳥接收聲信號并定位，完成整根拖纜的定位；

設(shè)定每根拖纜上的N個發(fā)射水鳥發(fā)射N個不同頻率的聲信號，M個接收水鳥收到的脈沖信號中包括了N個發(fā)射水鳥的直達信號和海面反射的多途信號。當(dāng)需要獲取第i個接收水鳥與第j個發(fā)射水鳥的相對距離時(j＝1.2…M,M為大于等于N的整數(shù))，只需以第j個發(fā)射水鳥相對應(yīng)的頻率對第i個接收水鳥接收到的時域信號進行濾波并放大該頻率信號，經(jīng)過濾波及放大處理后的脈沖信號中只包含第j個發(fā)射水鳥的直達信號和相應(yīng)的多途信號。由于先進行濾波，只保留同一頻率的信號，再將這一頻率的信號放大，由于不同頻率與發(fā)射水鳥已經(jīng)一一對應(yīng)了，所以可以確定該脈沖信號是哪一個發(fā)射水鳥發(fā)射的)

(3)將每根拖纜分成N階，每階拖纜的第一個水鳥為發(fā)射水鳥，每階其余水鳥為接收水鳥；對某一階拖纜進行定位時，除這一階的發(fā)射水鳥、接收水鳥開始工作外，拖纜的其它階所有發(fā)射水鳥和接收水鳥關(guān)閉，即所有拖纜的第一階中的發(fā)射水鳥先發(fā)射聲信號，所有拖纜的第一階中的接收水鳥接收聲信號，然后所有拖纜的第二階中的發(fā)射水鳥再發(fā)射聲信號，所有拖纜的第二階中的接收水鳥接收聲信號，以此類推，直至所有拖纜的第N個階中的發(fā)射水鳥發(fā)射聲信號，所有拖纜的第N階中的接收水鳥接收聲信號；要確定某一拖纜某個接收水鳥與發(fā)射水鳥之間的相對距離時，將該接收水鳥收到的聲信號脈沖以該發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的發(fā)射頻率為中心頻率，帶寬1kHz進行濾波后再放大，得到發(fā)射頻率的時域脈沖信號，這些發(fā)射頻率的時域脈沖信號包括該發(fā)射水鳥直接到達該接收水鳥的直達信號和發(fā)射水鳥未直接到達該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥，得到每一階拖纜上各個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號；

(4)對步驟(2)拖纜上各個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號和步驟(3)得到的每一階拖纜上各個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號的時域進行判斷，即若某個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號中的直達信號與多途信號能夠在時域上分開，進行步驟(5)；若某個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號中的直達信號與多途信號在時域上重疊進行步驟(6)；接收水鳥在距離海平面1.5米以內(nèi)，判定某個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號中的直達信號與多途信號時域上重疊；接收水鳥在距離海平面1.5米之上，判定某個接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時域脈沖信號中的直達信號與多途信號時域上能分開；(直達信號、多途信號脈沖寬度0.5～1ms，接收的直達信號、多途信號如果傳播距離差小于1.5米，可定義為時域上重疊；)

由于直達波與海面反射波信號在時域上存在分離和相互疊加兩種情況。對于直達信號和海面反射多途信號的判別，首先通過搜索窗確定接收到的脈沖信號內(nèi)所有峰值及其產(chǎn)生的時間，根據(jù)峰值數(shù)量及其產(chǎn)生的時間，并結(jié)合接收水鳥與海面的距離來區(qū)分直達信號、多途信號，及二者是否疊加。若直達波和海面反射波的聲程差較大，二者在時域上可以分開，設(shè)定搜索窗的寬度略小于發(fā)射脈寬(因為若是出現(xiàn)直達信號與多途信號雖然相距較近，但并沒有重疊這種情況，搜索窗太寬則不能有效區(qū)分兩種信號)，并以該寬度為單位在處理后的時域脈沖信號上進行循環(huán)，按照搜索窗內(nèi)最大幅度與平均幅度之比是否滿足指定閾值為條件，找出該脈沖信號內(nèi)所有峰值及其產(chǎn)生的時間，最后再根據(jù)直達聲的聲程最小、且幅度最大的原則，確定時間靠前且能量最大的峰值是直達信號，時間靠后且能量較小的峰值是多途信號，以此獲得直達信號的產(chǎn)生時間t_i，結(jié)合聲速即可計算出與指定發(fā)射水鳥的相對距離R_io。(說明：三維情況下仍是兩點之間直線最短，直達聲信號傳播時間一定小于經(jīng)過海面反射的聲信號傳播時間，若是接收水鳥離海面很近，則會出現(xiàn)直達信號與多途信號重疊)

若直達信號與多途信號在時域上重疊，則采用如下抗多途干擾的方案進行處理。

(5)設(shè)定搜索窗的時間寬度(若接收的時域脈沖時長為10s,優(yōu)選搜索窗的時間寬度略小于10s)，搜索窗的寬度小于某接收水鳥收到的時域脈沖信號的時長，對接收水鳥收到的時域脈沖信號進行采樣，將某接收水鳥收到的時域脈沖信號的所有采樣點的信號幅度進行統(tǒng)計平均，得到平均幅度，將每個采樣點的信號幅度與該平均幅度做比，得到每個采樣點的幅度比；以該搜索窗的時間寬度為單位寬度在濾波放大后的時域脈沖信號上進行循環(huán)搜索，在每個搜索窗的時間寬度內(nèi)找到幅度比最大的采樣點，然后將每個搜索窗的時間寬度內(nèi)找到幅度比最大的采樣點按照幅度比的值從大到小進行排列，取幅度比做大的采樣點作為直達信號，則該幅度比做大的采樣點的采樣時間即為該接收水鳥接收到的某發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的直達時間t_i，將該直達時間t_i乘以聲速c得到某接收水鳥與某發(fā)射水鳥相對距離；遍歷所有接收水鳥，得到各個接收水鳥與各個發(fā)射水鳥之間的直線距離；

(6)設(shè)定搜索窗的時間寬度為步驟(5)的搜索窗的時間寬度的一半(搜索窗減半，若接收的時域脈沖時長為10s,優(yōu)選1ms-5ms先搜索一次，5ms-10ms再搜索依次，以覆蓋整個接收的時域脈沖時長)，設(shè)置幅度上限和幅度下限，對接收水鳥收到的時域脈沖信號進行采樣，以該搜索窗的時間寬度為單位寬度在濾波放大后的時域脈沖信號上進行循環(huán)搜索，對每個搜索窗的時間寬度內(nèi)的所有采樣點的脈沖幅度進行判斷，若某采樣點脈沖幅度大于幅度上限，判定該采樣點信號幅度大于幅度上限的信號是接收的脈沖信號，然后以幅度大于幅度上限的該采樣點為起點對時域脈沖寬度進行計數(shù)，計數(shù)時間為發(fā)射脈沖寬度的一半，第一次出現(xiàn)信號幅度大于幅度上限的采樣點，則直接將該采樣點接收的脈沖信號判定為有效脈沖，即直達信號；若某采樣點的脈沖幅度小于幅度上限，則將該采樣點的脈沖幅度再與設(shè)定的幅度下限比較，若該接收的采樣點的脈沖幅度大于幅度下限則暫時保存該采樣點接收的脈沖信號，然后判斷該采樣點接收的脈沖信號的發(fā)射脈沖寬度的另一半內(nèi)是否有同樣幅度的脈沖出現(xiàn)，有同樣的幅度脈沖出現(xiàn)則認為暫存的脈沖是有效脈沖，將此有效脈沖判定為直達信號，則該直達信號的采樣時間即為該接收水鳥接收到的某發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的直達時間t_i，將該直達時間乘以聲速c得到某接收水鳥與某發(fā)射水鳥相對距離；遍歷所有接收水鳥，得到各個接收水鳥與各個發(fā)射水鳥之間的直線距離；

抗多途干擾方案是數(shù)據(jù)獲取之后、定位解算之前進行的最重要的信號處理過程。由于拖纜布放的深度較淺，聲傳播過程中海面反射聲對定位系統(tǒng)解算的影響明顯，水面多途干擾是水聲定位誤差最重要的來源，需要采取有效的方法去除水面多途干擾。當(dāng)聲源與接收點水平距離較遠時，直達聲與反射聲信號會疊加產(chǎn)生相消干涉，為此設(shè)計抗水面多途干擾方案，以避免漏報直達聲。

抗多途干擾方案如圖2所示，主要利用邏輯判決結(jié)合窄帶包絡(luò)幅度檢波和鑒寬器檢波方法進行聯(lián)合檢測。首先求取通過窄帶濾波器后輸出信號的包絡(luò)，設(shè)置一定大小的幅度門限進行包絡(luò)檢波，判斷包絡(luò)信號序列的幅度是否大于幅度門限。若某時刻包絡(luò)幅度大于幅度門限，認為是接收的脈沖信號。其次，以此時刻為起點，利用鑒寬器對脈沖的寬度進行計數(shù)。鑒寬器的寬度門限設(shè)為大小兩種，大的門限依據(jù)發(fā)射信號的脈沖寬度而定，設(shè)定為略小于發(fā)射信號的脈沖寬度；小的門限依據(jù)疊加信號時延差的規(guī)律而定，即根據(jù)兩個信號相消干涉的規(guī)律再結(jié)合實踐經(jīng)驗來確定，這里選擇為期望的時延估計誤差，如發(fā)射信號脈沖寬度的一半等。判決時，首先寬度計數(shù)器與大寬度門限比，大于大寬度門限則直接判為有效脈沖；小于則再與小寬度門限比較，若大于小寬度門限就暫時保存脈沖信息，然后判斷其前后等于或略大于一個脈沖寬度的時間間隔內(nèi)是否有類似的脈沖出現(xiàn)，有則認為暫存的脈沖是有效脈沖。最后，結(jié)合這兩個脈沖信息來判斷、修正直達脈沖信息，以提高測距的精度。當(dāng)直達聲和多途干擾疊加產(chǎn)生相消干涉時，通過以上邏輯判斷出相消干涉后的直達聲脈沖和多途干擾脈沖，這兩個經(jīng)過相消干涉后的脈沖前沿之間的時間差即等于直達波的脈沖寬度。如果二者之間不發(fā)生重疊，則直達脈沖信息不需要修正。

最后采用全局解算算法(逐步解算算法和全局解算算法如圖3和圖4所示)。

(7)建立一個三維坐標系O-x,y,z三維正交坐標系，z的正方向垂直海平面向下，x的正方向從拖纜頭部指向尾部，y的正方向與x在海平面正交，z符合右手定則，原點O任意設(shè)置，設(shè)定所有發(fā)射水鳥的位置已知，并設(shè)第i個發(fā)射水鳥的位置坐標為T_i(x_i,y_i,z_i)，根據(jù)步驟(5)或步驟(6)發(fā)射水鳥發(fā)出的聲信號從發(fā)射水鳥直接到達接收水鳥的時間為t_i，設(shè)接收水鳥的位置坐標為(x,y,z),發(fā)射水鳥和接收水鳥之間的距離R_io為：

令，z＝h，z_i＝h_i，ΔH_i＝h-h_i，發(fā)射水鳥的深度h_i和接收水鳥的深度h分別通過安裝在發(fā)射水鳥和接收水鳥的壓力傳感器直接獲得；

將公式(1)表示為：

式中，N為大于等于3的整數(shù)；

將式(2)化簡得到：

x²+y²-2x_ix-2y_iy＝(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)² (3)

令(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)²＝Δ_i，

將i＝1,...,N代入方程(3)得到N個方程，聯(lián)立N個方程解算出接收水鳥的位置(x,y),再根據(jù)z＝h,得到接收水鳥的三維位置坐標(x,y，z)；遍歷所有接收水鳥，得到各接收水鳥相對于各發(fā)射水鳥的三維坐標。

全局解算算法是在所有距離數(shù)據(jù)獲取之后進行的，通過長基線水聲定位技術(shù)建立位置解算的系統(tǒng)方程。長基線水聲定位數(shù)學(xué)模型如圖5所示。發(fā)射陣元T_i(x_i,y_i,z_i)的位置已知，從發(fā)射陣元到達接收陣元O的時間為t_i，兩陣元之間的距離

由于水下多纜定位系統(tǒng)中的陣元深度信息是通過壓力傳感器直接獲得的，可以視為接收陣元坐標中的一維信息已知(即深度z＝h)，同樣發(fā)射陣元坐標中的深度信息也可以通過相同方法獲得(即深度z_i＝h_i)，但是接收的深度與發(fā)射陣元的深度不同，這時的聲學(xué)定位數(shù)學(xué)模型為準三維的。

令ΔH_i＝h-h_i，則公式(1)可以表示為

進一步化簡可以表示為

x²+y²-2x_ix-2y_iy＝(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)²＝Δv_i，i＝1,...,N (3)

將上面的二次方程線性化求解，消去二次項，得到

Ax＝b (4)

其中，A為(N-1)×2的矩陣。對于該線性方程，通過迭代最小二乘方法求解得到所有位置信息的最優(yōu)化解；

最后經(jīng)電子羅經(jīng)驗證水聲定位的縱向位置，電子羅經(jīng)類似于指南針，是一種方位指示設(shè)備，安裝在每個發(fā)射水鳥和接收水鳥上，用于輔助定位，當(dāng)聲學(xué)定位結(jié)束后，參考這種羅經(jīng)設(shè)備可以驗證定位結(jié)果，提高定位精度。最終的目的是根據(jù)N個已知的T_i(x_i,y_i,z_i)求取M個未知的(x、y)，h是深度信息，是由每個水鳥上的壓力傳感器直接獲得的，是已知量。

本發(fā)明克服了由于GPS等傳感器、聲學(xué)測距均存在誤差的問題，克服了每一次定位解算都會產(chǎn)生一定的誤差，導(dǎo)致根據(jù)逐步解算方案求解得到的位置誤差會傳遞到下一步，誤差會逐漸積累，隨著解算的進行誤差越來越大；本發(fā)明的全局解算方案中位置的求解是在距離數(shù)據(jù)測量后進行的，得到的是全局最優(yōu)解，其定位解算產(chǎn)生的誤差總體上是一致的，誤差不會累積，所以定位結(jié)果更精確。

優(yōu)選的實施例為：一種水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位方法，步驟如下：

第一步是確定水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的組網(wǎng)方式。

為了簡化分析過程，首先構(gòu)造一個簡單的水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，其由3個發(fā)射水鳥和6個接收水鳥組成的，如圖6所示?？招膱A為發(fā)射水鳥，編號分別為1、2、3號；實心圓為接收水鳥，編號分別為1、2、3、4、5、6號，每個發(fā)射水鳥采用不同的頻率發(fā)射,這里假設(shè)1號發(fā)射水鳥的發(fā)射頻率為25kHz，2號發(fā)射水鳥的發(fā)射頻率為30kHz，3號發(fā)射水鳥的發(fā)射頻率為35kHz。

第二步是設(shè)計了一種多頻實時數(shù)據(jù)獲取模型。

假設(shè)僅考慮一次海面多途反射，當(dāng)三個發(fā)射水鳥同時工作時，每個接收水鳥將收到三個直達信號和三個海面多途信號，總共六個峰值。假如現(xiàn)在需要獲取3號接收水鳥與2號發(fā)射水鳥的相對距離，只需將3號接收水鳥收到的脈沖信號按照中心頻率30kHz(2號發(fā)射水鳥的發(fā)射頻率)，帶寬1kHz進行濾波并放大該頻率信號分量，經(jīng)過處理后的脈沖信號中就只剩下30kHz頻率的直達信號和對應(yīng)的多途信號。

若直達信號與多途信號能夠在時域上分開，接下來確定搜索窗的寬度，并以該寬度為單位在濾波后的時域脈沖信號上進行循環(huán)，按照搜索窗內(nèi)最大幅度與平均幅度之比是否滿足指定閾值為條件，找出該脈沖信號內(nèi)的兩個峰值(一個是直達信號，另一個是多途信號)，最后再根據(jù)兩點間直線最短的原則，多途信號的傳播距離大于直達信號的傳播距離，相應(yīng)其衰減也會更大，所以產(chǎn)生時間靠前且幅度較大的峰值是直達信號，產(chǎn)生時間靠后且幅度較小的峰值是多途信號，以此確定直達信號的產(chǎn)生時間，結(jié)合聲速即可計算出3號接收水鳥與2號發(fā)射水鳥相對距離。若直達信號與多途信號在時域上重疊，則采用第三步中的抗多途干擾方案進行處理。

第三步是設(shè)計了抗多途干擾的方案。

利用圖2中設(shè)計的抗多途干擾方案，對各個水鳥接收到的直達波和海面反射波干擾信號反生疊加的情況進行處理，首先，設(shè)置一幅度門限對通過窄帶濾波器后輸出信號的包絡(luò)進行檢波，若某時刻包絡(luò)幅度大于幅度門限，認為是接收的脈沖信號。其次，以此時刻為起點對脈沖寬度進行計數(shù)，若其大于大寬度門限，則直接判為有效脈沖；小于則再與小寬度門限比較，若大于小寬度門限就暫時保存脈沖信息，然后判斷其前后一個發(fā)射信號脈寬內(nèi)是否有類似的脈沖出現(xiàn)，有則認為暫存的脈沖是有效脈沖。最后，利用第二步中的方法，判斷直達波信號及其到達時刻。

第四步是采用全局解算方案求解所有水鳥的位置信息。

對于本例，共有三個發(fā)射水鳥，將前面推導(dǎo)的公式(3)中的N設(shè)為3，公式(3)變?yōu)椋?/p>

將(5)式中的x²+y²消去，可求得：

根據(jù)公式(6)、(7)，即可對各接收水鳥進行定位。

說明：1、深度h是由每個水鳥上的壓力傳感器直接獲得的，是已知量。

對各接收水鳥進行定位后，通過電子羅經(jīng)進行驗證，目的主要還是驗證定位結(jié)果。

若各水鳥之間的布放距離如圖7所示，仿真擬合的各接收水鳥接收的脈沖信號如圖8(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示，橫軸為各接收水鳥接收的脈沖的時間寬度，縱軸為接收水鳥接收到的脈沖信號幅度，可以看出幅度最大的最先到達的為直達信號，定位絕對誤差如圖9(a)、(b)所示，橫坐標為接收水鳥的標號，1.000表示一號接收水鳥，6.000表示二號接收水鳥，以此類推，圖9(a)縱坐標表示X軸誤差，圖9(b)縱坐標表示Y軸誤差,從中可以看到，發(fā)射水鳥和接收水鳥的距離約為35米～145米，定位的最大絕對誤差為0.467米，平均相對誤差小于1％。