上，在X，Y，Z軸上的大小分別為：
[0062]
[0063] 5)將波束線性陣列所接收到的N路信號分別進行頻率估計，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和步驟3)中所得水下目標的三維位置 (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匕⑴，;
[0064] 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：
[0065] L/1N丄UDUU"!"!丄O * *1 * U/ O
[0066] 以下為能夠?qū)崿F(xiàn)本實施例上述聲傳播路徑綜合速度測定方法的裝置，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。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；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行超聲發(fā)射；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，接收所測目標反射回來的信號，經(jīng)接收放大器后傳送給中心處理 模塊；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，對綜合速度進行計算和得出結果；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行存儲；所述發(fā)射模塊包括一個超聲 發(fā)射探頭，陣列接收模塊包括N個超聲接收探頭，其中N多6。
[0067] 上述測量裝置的硬件架構如圖1所示，主要包括超聲波發(fā)射探頭、超聲波接收探 頭陣列、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、鹽度傳感器、壓力傳感器、電源和USB接口。 其中，處理器可采用TMS320VC5509A型號的DSP芯片實現(xiàn)，它主要實現(xiàn)信號頻率估計、波達 方向估計、海水平均聲速計算和水流速度大小計算，最終綜合得到各條聲傳播路徑上的綜 合速度大??；溫度傳感器、鹽度傳感器和壓力傳感器用于感知裝置范圍內(nèi)的海水溫度、鹽度 和壓力信息，用于海水聲速剖面的計算。
[0068] 基于上述聲傳播路徑綜合速度測定方法，本發(fā)明所述裝置工作的主要步驟如下：
[0069] 步驟一：如圖2所示，建立空間三維坐標系，選取距離海平面5米處作為參考平面， 以超聲發(fā)射位置為坐標原點，以垂直水平面向下為Z方向，同時，在X軸方向均勻布置6個 波束線性陣列，陣元之間的間隔AX = 2米。
[0070] 步驟二：控制模塊控制超聲發(fā)射探頭發(fā)射單頻超聲信號S(t)，信號的頻率為fs = 34kHz，脈沖長度為5ms。
[0071] 步驟三：控制模塊控制陣列接收模塊接收回波信號，此處使用全部六個超聲接收 探頭，接收所獲得的信號分別為札(t)，R2 (t)，R3 (t)，R4 (t)，R5 (t)，R6 (t)，將接收到的信號傳 遞給中心處理模塊。
[0072] 步驟四：中心處理模塊首先對各個探頭的接收信號進行陣列信號處理，如 圖5所示，通過傳統(tǒng)的D0A估計中的ESPRIT算法得到每條聲傳播路徑上的方位角 92, 9 3, 0 4, 0 5, 0 6和俯仰角約，巧肩肩肩感信息，水下目標物體到第i個接收陣 元的聲傳播路徑方向上的方位角9 ,和俯仰角務示意圖如圖3所示。
[0073] 步驟五：取前面三個陣元，坐標分別為（Xl，0,0)，（x2,0,0)，（x3,0,0)，設水下目標 物體坐標為（xD，yD，zD)，結合步驟四中的方位角和俯仰角信息建立方程組：
[0074]
[0075] 聯(lián)立解出水下目標物體坐標（xD，yD，zD)以及目標物體的海水深度H= 5+zD，流程 圖參考圖4。
[0076] 步驟六：如圖5所示流程圖，在離海水平面5米范圍內(nèi)，亦即裝置所在范圍內(nèi)，利用 溫度傳感器、鹽度傳感器和壓力傳感器測得溫度T、鹽度S、深度h信息。本發(fā)明主要用于淺 海測量，而在淺海測量范圍內(nèi)，可認為溫度、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。
[0077] 目前的經(jīng)驗公式主要有DellGrosso公式、Wilson精確公式、Chen-Millero-Li公 式等，這里選用較適合我國海區(qū)的Wilson簡化公式來確定聲速剖面：
[0078] V(C，T，h) = 1449. 2+4. 6T-0. 055T2+0. 00029T3+ (1. 34-0. 01T) (S-35) +0? 016h
[0079] 式中T為海水溫度（單位：°C)，S為海水鹽度（單位：％。），h為海水深度（單 位:m)，T、S值取裝置范圍內(nèi)所測量到的值，如圖6所示，建立海水聲速與深度h之間的聲速 剖面(h)，用數(shù)值積分推導出其平均聲速大小為：
[0080]
[0081] 于是可知各條聲傳播路徑上的海水聲速，其中第i條聲傳播路徑上，在乂，Y，Z 軸上的大小分別為：
[0082]
[0083]其中，i= 1，2, ...，6。
[0084] 步驟七：如圖7所示流程圖，將陣列接收模塊接收到的6路信號分別進行頻率估 計，計算得到接收信號的頻率4f2,f3,f4,f5,f6，并利用聲波的多普勒效應和步驟五中所得 到水下目標的三維位置（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 V7K('>>f^歹一，最后綜合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：
[00851
[0086] 其中，i= 1，2,…，6,在第i條聲傳播路徑上，平均海水聲速、平均水流速度與綜合 速度大小的關系不意圖如圖8所不。
[0087] 以上所述之實施例子只為本發(fā)明之較佳實施例，并非以此限制本發(fā)明的實施范 圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1.用于水下目標定位的聲傳播路徑綜合速度測定方法，其特征在于，包括w下步驟： 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W超聲發(fā)射位置為坐標原點，W垂直水平面向下為Z方向，建立 空間=維坐標系，在X軸方向均勻布置N個波束線性陣列，并且設置陣元之間的間隔為AX， 第i個陣列的坐標為（Xi，0,0)，其中，i= 1，2,3…，N，Ax= ; 2) 構建頻率為fg、波長為As的單頻信號進行發(fā)射，同時將波束線性陣列接收到的N個 信號進行空間信號處理，通過近場波達方向DOA估計算法得到水下目標物體到每個陣元的 傳播路徑方向上的方位角e1和俯仰角@，W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：第i個陣元到目標物體的俯仰角和方位角分別為：運里，矩陣為NXN的對角矩陣，包含了俯仰角信息，滿足：= 中巧一(2萬IAxIcos巧）/本； 3) 在接收陣列中任取S個第m、n、1陣元（1《m，n，1《腳，對應的坐標分別是 (Xm，0, 0)，（X。，0, 0)，（XI，0, 0)，根據(jù)上面公式（2)和公式（3)可得該S個陣元對應的俯仰角 分別為裕:，:熱:，:巧，設水下目標物體坐標為（而，y。，Zd)，建立如下方程組：(4) 可W解得水下 目標物體坐標（而，y。，Zd)，得到目標物體所處的深度： H=h〇+ZD(5) 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)運些信息和聲速經(jīng)驗公式計算海水聲速，而在淺海測量范圍內(nèi)，可認為溫 度、鹽度基本上不變，運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AV化)，同時推導出其平均聲速大小為： (6) 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：0) 5) 將波束線性陣列所接收到的N路信號分別進行頻率估計，得到接收信號的頻率fi， 其中i= 1，2,3…，N，并利用聲波的多普勒效應和步驟3)中所得水下目標的=維位置 (XD，yD，z〇)分別計算出水流在乂，￥，2軸；個方向上的平均速度大小^^。，F(xiàn)水("，F(xiàn)7JC樹; 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：2. -種用于水下目標定位的聲傳播路徑綜合速度測定裝置，其特征在于：包括發(fā)射模 塊、陣列接收模塊、控制模塊、存儲模塊和中屯、處理模塊，其中： 所述控制模塊，分別與發(fā)射模塊、陣列接收模塊、存儲模塊和中屯、處理模塊相連，用于 對各個模塊的控制； 所述發(fā)射模塊，分別與陣列接收模塊、控制模塊、中屯、處理模塊相連，根據(jù)控制模塊的 指令，從中屯、處理模塊中的調(diào)制器中獲取測量信號并進行超聲發(fā)射； 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 目標反射回來的信號，經(jīng)接收放大器后傳送給中屯、處理模塊； 所述中屯、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，對綜合速度進行計算和得出結果； 所述存儲模塊，分別與控制模塊、中屯、處理模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，將中屯、處 理模塊的綜合速度進行存儲。3. 根據(jù)權利要求2所述的一種用于水下目標定位的聲傳播路徑綜合速度測定裝置，其 特征在于：所述發(fā)射模塊包括一個超聲發(fā)射探頭。4. 根據(jù)權利要求2所述的一種用于水下目標定位的聲傳播路徑綜合速度測定裝置，其 特征在于：所述陣列接收模塊包括N個超聲接收探頭，其中N> 6。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于水下目標定位的聲傳播路徑綜合速度測定方法與裝置，其方法是用所求綜合速度代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量聲速，提高水下目標定位的精確性。其裝置包括發(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，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，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，陣列接收模塊分別與發(fā)射模塊、控制模塊相連，中心處理模塊分別與控制模塊、發(fā)射模塊、存儲模塊相連，存儲模塊分別與控制模塊、中心處理模塊相連。本發(fā)明跟傳統(tǒng)水下目標定位測量不一樣，采用了海水聲速經(jīng)驗公式和多普勒效應測速，并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。
【IPC分類】G01S15/06, G01P11/00, G01H5/00
【公開號】CN105004413
【申請?zhí)枴緾N201510317866
【發(fā)明人】寧更新, 楊文圣, 鐘英文, 張軍, 馮義志, 季飛
【申請人】華南理工大學
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年6月11日