一种应用于海洋物探的抗多途干扰获取声信号直达时间的方法与流程

本发明涉及一种应用于海洋物探的抗多途干扰获取声信号直达时间的方法，属于海洋地震拖缆系统中的多缆声学网络定位领域。

背景技术：
水下多缆定位技术是海上地震勘探技术中的一项关键技术。精确的拖缆定位可以保证较高的三维地震成像精度，为后续开发方案的制定提供可靠的依据。但由于在海上地震数据采集时，拖缆长度达到数千米，受海流影响，其位置时时都在变化，且拖缆布放的深度较浅，声传播过程中海面反射声的影响明显。现有技术对海上石油勘探中的水下多缆定位原理、特点及关键技术进行了分析，并建立了海上地震勘探多缆定位模型，但对于如何有效抗多途干扰和实时数据获取方面较少涉及，文献中采用逐步解算方法定位水鸟位置，会间接影响声学网络定位的精度，降低系统的探测效果。长基线水声定位技术要求精确获取每个接收水鸟和发射水鸟的相对距离，而由于每条拖缆上间隔布放发射水鸟和接收水鸟，在拖缆的数目多、长度长的情况下，水鸟的数目庞大，且拖缆布放的深度较浅，声传播过程中海面反射声的影响明显，这就导致当发射水鸟同时工作时，每个接收水鸟都会接收到一长串具有数个峰值的脉冲信号，无法从这一长串脉冲信号中准确提取需要的直达峰值，导致无法获取声信号直达时间的方法

技术实现要素：
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提出一种应用于海洋物探的抗多途干扰获取声信号直达时间的方法，能够抗多途干扰获取声信号直达时间，准确获取声信号直达时间的方法。本发明解决的技术方案为：一种应用于海洋物探的抗多途干扰获取声信号直达时间的方法，如图10所示，步骤如下：(1)在接收到指令后，发射水鸟向接收水鸟发射声信号即时域脉冲信号，接收水鸟收到的某发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号；(2)设定搜索窗的时间宽度，设置幅度上限和幅度下限，对该接收水鸟收到的时域脉冲信号进行采样；以搜索窗的时间宽度为单位宽度在滤波放大后的时域脉冲信号上进行循环搜索，对每个搜索窗的时间宽度内的所有采样点的脉冲幅度进行判断，若某采样点脉冲幅度大于幅度上限，判定该采样点信号幅度大于幅度上限的信号是接收的脉冲信号；(3)以步骤(2)幅度大于幅度上限的该采样点为起点对时域脉冲宽度进行计数，计数时间为发射脉冲宽度的一半，第一次出现信号幅度大于幅度上限的采样点，则直接将该采样点接收的脉冲信号判定为有效脉冲，即直达信号；若某采样点的脉冲幅度小于幅度上限，则将该采样点的脉冲幅度再与设定的幅度下限比较，若该接收的采样点的脉冲幅度大于幅度下限则暂时保存该采样点接收的脉冲信号，进行步骤(4)；(4)判断步骤(4)暂时保存采样点接收的脉冲信号的发射脉冲宽度的另一半内是否有同样幅度的脉冲出现，有同样的幅度脉冲出现则认为暂存的脉冲是有效脉冲，将此有效脉冲判定为直达信号；(5)将该直达信号的采样时间作为该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间ti；遍历所有接收水鸟和发射水鸟，能够得到各个接收水鸟接收到的各个发射水鸟发射的声信号的直达时间ti。所述发射声信号的脉冲宽度0.5ms～1ms，直达信号、多途信号脉冲宽度0.5～1ms。所述设定的搜索窗的时间宽度为发射信号脉冲宽度的0.25～0.5倍之间。所述幅度上限为发射信号幅度的1/50，幅度下限为发射信号幅度的1/150。本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明的方法简单，原理清楚，能够满足拖缆系统实时性的要求。(2)本发明采用多频实时数据获取模型，所有水鸟可以同时工作，提高拖缆系统的工作效率。(3)本发明采用抗多途干扰方案，避免漏报直达信号。附图说明图1(a)为水下多缆声学网络定位系统的两种组网方式1示意图，(b)为水下多缆声学网络定位系统的两种组网方式2示意图；图2为本发明抗多途干扰方案流程图；图3为逐步解算方案示意图；图4为本发明全局解算方案示意图；图5为本发明长基线水声定位模型示意图；图6为本发明简单构造的水下多缆声学网络定位系统示意图；图7为本发明算例各水鸟布放距离示意图；图8的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为本发明6个接收水鸟收到的仿真拟合脉冲信号示意图；图9(a)为本发明X坐标定位结果绝对误差示意图，(b)为本发明Y坐标定位结果绝对误差示意图。图10本发明的流程图具体实施方式本发明一种应用于海洋物探的抗多途干扰获取声信号直达时间的方法，首先根据水下多缆声学网络定位系统的组网方式确定轮询方案；其次采用多频实时数据获取模型获取指定接收水鸟与发射水鸟的时域信号，若直达信号与多途信号能分开，则提取直达信号，若直达信号与多途信号重叠，则采用另一种抗多途方案去掉多途信号；最后获取声信号直达时间的方法。本发明所述多频实时数据获取技术的优点是：所有发射水鸟和接收水鸟可以同时进行工作，大大提高了拖缆系统的效率，缩短了定位解算的时间，提高了声学网络定位系统的抗多途干扰效果，抗多途干扰，准确获取声信号直达时间的方法。下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，海上拖缆系统一般由3～4条拖缆组成，拖缆之间平行布放。对多缆的声学网络定位系统主要由发射水鸟和接收水鸟组成，每条拖缆的组成一样，其组网方式主要有两种，若拖缆较短(每根拖缆小于等于1km)，可在拖缆前端和末端放置发射水鸟(即声学鸟)，中间放置接收水鸟(即水平鸟)，如图1(a)所示；若拖缆较长(每根拖缆大于1km)，由于高频声信号衰减较大，发射水鸟只在前端和末端布放会导致中间的接收水鸟接收不到信号，一般采取发射、接收水鸟间隔布放的原则，如图1(b)所示，发射水鸟为实心圆，接收水鸟为空心圆，水鸟之间通过拖缆内的连接电缆传递数据，根据高频声信号的衰减大小，一般将水鸟的间距定为50米～100米。本发明所述多频实时数据获取方案中所有发射水鸟和接收水鸟可以同时进行工作，大大提高了拖缆系统的效率，缩短了定位解算的时间，提高了声学网络定位系统的抗多途干扰效果，采用全局解算算法减小了定位误差。本发明优选的方案为：一种水下多缆声学网络定位方法，包括确定水下多缆声学网络定位系统的组网方式阶段、多频实时数据获取阶段、抗多途干扰阶段和全局解算求解所有水鸟的位置信息阶段；所述确定水下多缆声学网络定位系统的组网方式阶段步骤如下：(1)确定海上拖缆系统中拖缆数量和每条拖缆上的发射水鸟和接收水鸟的数量，确定每条拖缆的长度，若每条拖缆的长度小于等于1km，则进行步骤(2)，若每条拖缆的长度大于1km，则进行步骤(3)；所述发射水鸟能够发射声信号，接收水鸟能够接收声信号；设每条拖缆上有N个发射水鸟和M个接收水鸟，为同一条拖缆上的发射水鸟设置相同的发射频率，为不同拖缆上的发射水鸟设置不同的声信号发射频率；(2)在接收到指令后，向每条拖缆的发射水鸟和接收水鸟发出统一的启动脉冲，使每条拖缆的各个发射水鸟和接收水鸟启动，在接收到启动脉冲信号后，发射水鸟和接收水鸟开始工作，每条拖缆的发射水鸟同时工作，发出不同发射频率的声信号，接收水鸟接收声信号；要确定某一拖缆某个接收水鸟与某发射水鸟之间的相对距离时，将该接收水鸟收到的声信号脉冲以该发射水鸟发射的声信号的发射频率为中心频率，带宽1kHz进行滤波后再放大，得到发射频率的时域脉冲信号，这些发射频率的时域脉冲信号包括该发射水鸟直接到达该接收水鸟的直达信号和发射水鸟未直接到达该接收水鸟的多途信号；遍历所有接收水鸟，得到拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号；所述多频实时数据获取阶段步骤如下：(3)将每根拖缆分成N阶，每阶拖缆的第一个水鸟为发射水鸟，每阶其余水鸟为接收水鸟；对某一阶拖缆进行定位时，除这一阶的发射水鸟、接收水鸟开始工作外，拖缆的其它阶所有发射水鸟和接收水鸟关闭，即所有拖缆的第一阶中的发射水鸟先发射声信号，所有拖缆的第一阶中的接收水鸟接收声信号，然后所有拖缆的第二阶中的发射水鸟再发射声信号，所有拖缆的第二阶中的接收水鸟接收声信号，以此类推，直至所有拖缆的第N个阶中的发射水鸟发射声信号，所有拖缆的第N阶中的接收水鸟接收声信号；要确定某一拖缆某个接收水鸟与发射水鸟之间的相对距离时，将该接收水鸟收到的声信号脉冲以该发射水鸟发射的声信号的发射频率为中心频率，带宽1kHz进行滤波后再放大，得到发射频率的时域脉冲信号，这些发射频率的时域脉冲信号包括该发射水鸟直接到达该接收水鸟的直达信号和发射水鸟未直接到达该接收水鸟的多途信号；遍历所有接收水鸟，得到每一阶拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号；(4)对步骤(2)拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号和步骤(3)得到的每一阶拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号的时域进行判断，即若某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号能够在时域上分开，进行步骤(5)；若接收水鸟在距离海平面6.5米以内(发射的时域脉冲信号脉宽为0.5ms时)或者接收水鸟在距离海平面9米(发射的时域脉冲信号脉宽为1ms时)以内，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上重叠；接收水鸟在距离海平面6.5米之上(发射的时域脉冲信号脉宽为0.5ms时)或者接收水鸟在距离海平面9米之上(发射的时域脉冲信号脉宽为1ms时)，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上能分开。所述抗多途干扰阶段步骤如下：(5)设定搜索窗的时间宽度，搜索窗的宽度小于某接收水鸟收到的时域脉冲信号的时长，对接收水鸟收到的时域脉冲信号进行采样，将某接收水鸟收到的时域脉冲信号的所有采样点的信号幅度进行统计平均，得到平均幅度，将每个采样点的信号幅度与该平均幅度做比，得到每个采样点的幅度比；以该搜索窗的时间宽度为单位宽度在滤波放大后的时域脉冲信号上进行循环搜索，在每个搜索窗的时间宽度内找到幅度比最大的采样点，然后将每个搜...