用于水下目標(biāo)定位的聲傳播路徑綜合速度測定方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及速度測量的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種用于水下目標(biāo)定位的聲傳播路徑 綜合速度測定方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 水聲探測是獲取海洋信息的基本手段，而探測精度是水聲探測的根本目標(biāo)。水聲 探測的一個關(guān)鍵技術(shù)就是水下目標(biāo)定位，并從定位中得到水下目標(biāo)的距離和方位等信息。 然而，水下目標(biāo)定位受到水流、壓強(qiáng)、溫度、鹽度等引起的聲速變化，導(dǎo)致最終定位的不精確 性，這些影響無論在中遠(yuǎn)程探測還是在近程探測中都存在。
[0003]目前，海水中主要靠聲納裝置對各種聲學(xué)特性進(jìn)行測量，對水下物體進(jìn)行探測、判 另IJ、定位和追蹤。海水聲速測量方法主要有兩種：直接法和間接法。其中，直接測量法使用 一般稱為"聲速儀"的設(shè)備，通常利用收發(fā)換能器在固定的距離內(nèi)測量聲速，同時以壓力傳 感器及溫度補(bǔ)償裝置測量水深，根據(jù)獲取聲速的方法的不同，通常又分為環(huán)鳴法、脈沖疊加 法、駐波干涉法以及相位法等；間接法測量海水聲速是基于海水中的聲速與溫度、鹽度和靜 壓力的函數(shù)關(guān)系，采用CTD測量海水的溫度、鹽度和壓力隨深度的變化，進(jìn)而通過經(jīng)驗公 式來計算聲速，主要聲速經(jīng)驗公式有三個，分別是DelGrosso聲速算法、Wilson聲速算法、 Chen-Millero-Li聲速算法。直接測量海水聲速可信度高，但設(shè)備不易小型化，測量費效率 低，在實際海洋聲速測量中，常用間接法。
[0004] 傳統(tǒng)的水下目標(biāo)定位中，比如近場波達(dá)方向（簡稱：D0A)估計，聲速常以測量中所 得的某點值引入，然后根據(jù)速率、波長和頻率的公式V=Af?得到波長所對應(yīng)的頻率，代入 陣列流型矩陣進(jìn)行方位角度估計。近年來，也有一些學(xué)者研究了提高水下目標(biāo)定位精度的 聲速修正方法，例如張小鳳等人研究了基于加權(quán)最小二估計的雙基地聲吶定位算法，楊豪 強(qiáng)等人研究了水下目標(biāo)定位中的聲線折射修正方法，但是這些方法計算量大，而且在修正 測量的時候都沒有考慮到水流場的影響，這是使得聲波產(chǎn)生頻移的一方面原因，因此同樣 給測量精度帶來影響。
[0005] 因此，人們需要一種新的用于水下目標(biāo)定位的聲速傳播路徑綜合速度測定方法來 滿足要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于水下目標(biāo)定位的聲傳播路 徑綜合速度測定方法與裝置，用所求綜合速度代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量聲速，提高水下目標(biāo)定位的精 確性。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案其用于水下目標(biāo)定位的聲傳播路徑綜 合速度測定方法，包括以下步驟：
[0008] 1)選取距離海平面h。米處作為參考平面，通過壓力傳感器感知h。米處的壓力并 從中計算出h。的具體數(shù)值，同時以超聲發(fā)射位置為坐標(biāo)原點，以垂直水平面向下為Z方向， 建立空間三維坐標(biāo)系，在X軸方向均勻布置N個波束線性陣列，并且設(shè)置陣元之間的間隔為Ax，第i個陣列的坐標(biāo)為（X;，0, 0)，其中，i= 1，2, 3*"，N，Ax=Ixi-Xi: | ;
[0009] 2)構(gòu)建頻率為fs、波長為As的單頻信號進(jìn)行發(fā)射，同時將波束線性陣列接收到的 N個信號進(jìn)行空間信號處理，通過近場波達(dá)方向D0A估計算法得到水下目標(biāo)物體到每個陣 元的傳播路徑方向上的方位角9,和俯仰角輯，以第1個陣元為參考陣元，則陣元i接收到 的信號延時相對于參考陣元接收到的信號延時為：
[0010]
[0011]
[0012]
[0013]
[0014] 這里，矩陣％為NXN的對角矩陣，包含了俯仰角信息，滿足： <D; = 容，e-她.，"?，e-抑），.其中 = (2;r|Ar|cos約）/八；
[0015] 3)在接收陣列中任取三個第m、n、1陣元（Km，n，KN)，對應(yīng)的坐標(biāo)分別是 (Xni，0, 0)，（xn，0, 0)，（Xl，0, 0)，根據(jù)上面公式（2)和公式（3)可得該三個陣元對應(yīng)的俯仰角 分別為I，約，設(shè)水下目標(biāo)物體坐標(biāo)為（xD，yD，zD)，建立如下方程組：
[0016]
[0017]可以解得水下目標(biāo)物體坐標(biāo)（xD，yD，zD)，得到目標(biāo)物體所處的深度：
[0018] H=h〇+zD (5)
[0019]4)利用溫度傳感器、鹽度傳感器和壓力傳感器感知所在范圍內(nèi)的溫度T、鹽度S和 深度h信息，同時根據(jù)這些信息和聲速經(jīng)驗公式計算海水聲速，而在淺海測量范圍內(nèi)，可認(rèn) 為溫度、鹽度基本上不變，這里可直接取裝置所在范圍內(nèi)的溫度和鹽度測量值，最終建立海 水聲速與深度h之間的聲速剖面(h)，同時推導(dǎo)出其平均聲速大小為：
[0020]
[0021] 通過上述公式便可知各條聲傳播路徑上的海水聲速大小，其中第i條聲傳播路徑 上，^>在X，Y，Z軸上的大小分別為：
[0022]
[0023] 5)將波束線性陣列所接收到的N路信號分別進(jìn)行頻率估計，得到接收信號的頻率 t，其中i= 1，2, 3…，N，并利用聲波的多普勒效應(yīng)和步驟3)中所得水下目標(biāo)的三維位置 (xD，yD，zD)分別計算出水流在X，Y，Z軸三個方向上的平均速度大小
[0024] 6)綜合前面所得數(shù)據(jù)，便可計算出各條聲傳播路徑上的綜合速度大小，其中第i 條聲傳播路徑上的綜合速度大小為：
[0025]
[0026] 本發(fā)明所述的用于水下目標(biāo)定位的聲傳播路徑綜合速度測定裝置，包括發(fā)射模 塊、陣列接收模塊、控制模塊、存儲模塊和中心處理模塊，其中：
[0027] 所述控制模塊，分別與發(fā)射模塊、陣列接收模塊、存儲模塊和中心處理模塊相連， 用于對各個模塊的控制；
[0028] 所述發(fā)射模塊，分別與陣列接收模塊、控制模塊、中心處理模塊相連，根據(jù)控制模 塊的指令，從中心處理模塊中的調(diào)制器中獲取測量信號并進(jìn)行超聲發(fā)射；
[0029] 所述陣列接收模塊，分別與發(fā)射模塊、控制模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，接收 所測目標(biāo)反射回來的信號，經(jīng)接收放大器后傳送給中心處理模塊；
[0030] 所述中心處理模塊，分別與控制模塊、發(fā)射模塊、存儲模塊相連，根據(jù)控制模塊的 指令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并分析得到平均海水聲速大小和水流速度大小，并利用水下物體的位 置信息，對綜合速度進(jìn)行計算和得出結(jié)果；
[0031] 所述存儲模塊，分別與控制模塊、中心處理模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，將中 心處理模塊的綜合速度進(jìn)行存儲。
[0032] 所述發(fā)射模塊包括一個超聲發(fā)射探頭。
[0033] 所述陣列接收模塊包括N個超聲接收探頭，其中N多6。
[0034] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：
[0035] 1、本發(fā)明跟傳統(tǒng)水下目標(biāo)定位測量不一樣，綜合考慮了海水溫度、鹽度、深度和海 水流速等環(huán)境變量，精確性高。
[0036] 2、本發(fā)明采用了海水聲速經(jīng)驗公式和多普勒效應(yīng)測速，使得發(fā)明裝置成本低廉、 安裝簡單。此外，現(xiàn)代處理器計算處理能力的不斷提高，本發(fā)明的計算不會是難題，保證了 本發(fā)明的可行性。
[0037] 3、本發(fā)明采用的是聲波測量，而聲波在水下的衰減較小，因此適合水下的速度測 量。
【附圖說明】
[0038] 圖1為本發(fā)明所述的用于水下目標(biāo)定位的聲傳播路徑綜合速度測定裝置的硬件 結(jié)構(gòu)圖。
[0039] 圖2為本發(fā)明所述的用于水下目標(biāo)定位的聲傳播路徑綜合速度測定方法所建立 的空間三維坐標(biāo)系。
[0040] 圖3為水下目標(biāo)物體到第i個接收陣元的聲傳播路徑方向上的方位角0i和俯仰 角，示意圖。
[0041] 圖4為計算水下目標(biāo)物體坐標(biāo)以及目標(biāo)物體所在位置海水深度的流程圖。
[0042] 圖5為計算海水平均聲速大小尹以及I7在X、Y、Z坐標(biāo)軸上的聲速大小流程圖。
[0043] 圖6為本發(fā)明在感知目標(biāo)近程范圍的壓力、溫度、鹽度等環(huán)境信息下作出的海水 聲速剖面示意圖。
[0044] 圖7為結(jié)合方位信息和海水平均聲速大小計算各條聲傳播路徑上綜合速度大小 的流程圖。
[0045] 圖8為第i條聲傳播路徑上平均海水聲速、平均水流速度與綜合速度大小的關(guān)系 示意圖。
【具體實施方式】
[0046] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0047] 本實施例所述的用于水下目標(biāo)定位的聲傳播路徑綜合速度測定方法，用所求綜合 速度代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量聲速，提高水下目標(biāo)定位的精確性。其包括以下具體步驟：
[0048] 1)選取距離海平面h。米處作為參考平面，通過壓力傳感器感知h。米處的壓力并 從中計算出h。的具體數(shù)值，同時以超聲發(fā)射位置為坐標(biāo)原點，以垂直水平面向下為Z方向， 建立空間三維坐標(biāo)系，在X軸方向均勻布置N個波束線性陣列，并且設(shè)置陣元之間的間隔為 Ax，第i個陣列的坐標(biāo)為（X;，0, 0)，其中，i= 1，2, 3*"，N，Ax=Ixi-Xi: | ;
[0049] 2)構(gòu)建頻率為fs、波長為As的單頻信號進(jìn)行發(fā)射，同時將波束線性陣列接收到的 N個信號進(jìn)行空間信號處理，通過傳統(tǒng)的近場波達(dá)方向D0A估計算法（如ESPRIT算法）得 到水下目標(biāo)物體到每個陣元的傳播路徑方向上的方位角9 ,和俯仰角約，以第1個陣元為 參考陣元，則陣元i接收到的信號延時相對于參考陣元接收到的信號延時為：
[0050] ⑴
[0051] 第i個陣元到目標(biāo)物體的俯仰角和方位角分別為：
[0052]
[0053]
[0054] 這里，矩陣％為NXN的對角矩陣，包含了俯仰角信息，滿足：
[0055] 3)在接收陣列中任取三個第m、n、1陣元（1 <m，n，1 <N)，對應(yīng)的坐標(biāo)分別是 (Xni，0, 0)，（xn，0, 0)，（Xl，0, 0)，根據(jù)上面公式（2)和公式（3)可得該三個陣元對應(yīng)的俯仰角 分別為K，％，仍，設(shè)水下目標(biāo)物體坐標(biāo)為（xD，yD，zD)，建立如下方程組：
[0056]
[0057] 可以解得水下目標(biāo)物體坐標(biāo)（xD，yD，zD)，得到目標(biāo)物體所處的深度：
[0058] H=h〇+zD (5)
[0059] 4)利用溫度傳感器、鹽度傳感器和壓力傳感器感知所在范圍內(nèi)的溫度T(單 位：°C)、鹽度S(單位：％。）和深度h(單位:m)信息，同時根據(jù)這些信息和聲速經(jīng)驗公式 (如常見的DellGrosso公式、Wilson精確公式、Chen-Miller〇-Li公式等）計算海水聲 速。本發(fā)明主要用于淺海測量，而在淺海測量范圍內(nèi)，可認(rèn)為溫度、鹽度基本上不變，這里可 直接取裝置所在范圍內(nèi)的溫度和鹽度測量值，最終建立海水聲速與深度h之間的聲速剖面 (h)，同時推導(dǎo)出其平均聲速大小為：
[0060] (6)
[0061] 通過上述公式便可知各條聲傳播路徑上的海水聲速大小，其中第i條聲傳播路徑