一种深海有效声速确定方法与流程

本发明涉及声速传播领域，特别是涉及一种深海有效声速快速确定方法。

背景技术：

水声定位系统通过测量从发射点到接收点的传播时间，然后将传播时间转换为发射点和接收点之间的斜距，最后实现水下定位。然而，声速在垂直方向的不均匀分布以及由此产生的声线弯曲，使得声信号从发射点到接收点的传播距离要大于发射点与接收点之间的斜距，对水声定位系统的测距精度和定位精度均会产生很大程度的影响。因此，必须对声线弯曲进行修正。

一种思路是利用声线跟踪技术。声线跟踪技术利用分层近似、逐层计算的方法对声线弯曲进行补偿，从而达到改善水声定位系统定位精度的目的。但是声线跟踪技术需要在定位精度与运算量之间进行平衡，给实际应用带来了很大制约。

另一种思路是利用有效声速技术。有效声速ve为发射点-接收点的斜距r与发射点-接收点的传播时间tt的比值。相应的，发射点-接收点的斜距r等于传播时间tt和有效声速ve的乘积。由于水下传播时间的测量精度很高，因此斜距r的精度取决于有效声速ve的精度。

在只考虑直达波的区域(超短基线和长基线定位系统都工作在这一区域)，有效声速ve为发射点深度za、接收点深度zb、两者之间的俯仰角β、两者之间声速剖面c(z)的函数，称之为泰勒级数分析法，即

其中为算术平均声速；为均方算术平均声速(用于快速计算)；c2，c3，c4分别为2阶、3阶、4阶声速系数；j2，j3，j4分别为2阶、3阶、4阶j函数，即

因此，利用泰勒级数分析法计算有效声速ve需要的信息为发射点深度za、接收点深度zb、两者之间的俯仰角β、以及两者之间声速剖面c(z)。

利用泰勒级数分析法计算有效声速ve的主要计算量体现在两个积分运算上，即式(2)和式(4)。只要发射点或接收点深度发生变化，就需要重新计算相应的ve。在深海情况下，发射点与接收点之间深度通常相差很大，且两者之间实际声速剖面很复杂，导致式(2)和式(4)的积分计算量非常大，难以满足实际应用需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种深海有效声速确定方法，能够快速准确的确定有效声速。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种深海有效声速确定方法，所述方法应用于一种深海有效声速确定装置，所述装置包括发射点、接收点和水下移动载体，所述发射点安装在海面上，所述发射点的深度不变，所述接收点安装在所述水下移动载体上，所述接收点的深度随着所述水下移动载体移动，所述水下移动载体能够测量发射点与接收点之间的声速剖面以及所述发射点和所述接收点的水平距离，所述方法包括：

获取k时刻的发射点深度、k时刻的接收点深度；

获取k+1时刻的接收点深度、发射点与接收点之间的水平距离；

根据所述发射点深度、所述k+1时刻的接收点深度以及所述发射点与接收点之间的水平距离，确定所述发射点和所述接收点之间的俯仰角；

获取k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面；

获取接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差；

根据所述k+1时刻的接收点深度、所述k时刻的接收点深度、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差和所述k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面，确定算数平均声速变化量和均方算数平均声速变化量；

获取k时刻接收点与发射点的深度差；

根据所述k+1时刻接收点与发射点的深度差、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、所述k时刻算数平均声速、所述k时刻均方平均声速、算数平均声速变化量、均方算数平均声速变化量，确定k+1时刻的算数平均声速和k+1时刻的均方平均声速；

根据所述k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面、所述k时刻接收点深度、所述k+1时刻接收点深度和所述k+1时刻的算数平均声速，确定n阶声速函数变化量，n＝2，3，4；

根据所述n阶声速函数变化量、所述k+1时刻接收点与发射点的深度差、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、所述k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面、所述算数平均声速，确定k+1时刻的n阶声速函数，n＝2，3，4；

根据所述k+1时刻的俯仰角，计算k+1时刻的n阶声速系数，n＝2，3，4；

根据所述k+1时刻的n阶声速系数、与所述k+1时刻的n阶声速系数对应的n阶声速函数、所述k+1时刻的算数平均声速，确定k+1时刻的有效声速。

可选的，所述获取接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差，具体包括：

根据k时刻的接收点深度和所述k+1时刻的接收点深度，通过公式δzk＝zb，k+1-zb，k，确定接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差；

其中，δzk为接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差，zb，k为k时刻的接收点深度，zb，k+1为k+1时刻的接收点深度。

可选的，所述获取k时刻接收点与发射点的深度差，具体包括：

根据k时刻的发射点深度和所述k时刻的接收点深度，通过公式zabk＝zb，k-za，确定k时刻接收点与发射点的深度差；

其中，zabk为k时刻接收点与发射点的深度差，za为发射点深度，zb，k为k时刻的接收点深度。

可选的，所述根据所述k+1时刻的接收点深度、所述k时刻的接收点深度、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差和所述k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面，确定算数平均声速变化量和均方算数平均声速变化量，具体包括：

根据所述k+1时刻的接收点深度、所述k时刻的接收点深度、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差和所述k时刻发射点与接收点之间的声速剖面，采用公式和公式分别确定算数平均声速变化量和均方算数平均声速变化量；

其中，δvk为算数平均声速变化量，δwk为均方算数平均声速变化量，zb，k+δzk为k+1时刻的接收点深度、zb，k为k时刻的接收点深度、δzk为接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差，c(z)为k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面。

可选的，所述根据所述k+1时刻接收点与发射点的深度差、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、所述k时刻算数平均声速、所述k时刻均方平均声速、算数平均声速变化量、均方算数平均声速变化量，确定k+1时刻的算数平均声速和k+1时刻的均方平均声速，具体包括：

获取k时刻的声速剖面；

根据所述k时刻的声速剖面c(z)、所述发射点深度za和所述接收点深度zb，k，确定k时刻算数平均声速和k时刻均方平均声速；

根据所述k+1时刻接收点与发射点的深度差、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、所述k时刻算数平均声速、所述k时刻均方平均声速、所述算数平均声速变化量、所述均方算数平均声速变化量，采用公式和公式确定k+1时刻的算数平均声速和k+1时刻的均方平均声速；

其中，为k+1时刻的算数平均声速和为k+1时刻的均方平均声速，zabk为k+1时刻接收点与发射点的深度差、δzk为接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、为k时刻算数平均声速、为k时刻均方平均声速、δvk为算数平均声速变化量、δwk为均方算数平均声速变化量。

可选的，所述根据所述k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面、所述k时刻接收点深度、所述k+1时刻接收点深度和所述k+1时刻的算数平均声速，确定n阶声速函数变化量，n＝2，3，4，具体包括：

根据所述k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面、所述k时刻接收点深度、所述k+1时刻接收点深度和所述k+1时刻的算数平均声速，采用公式确定n阶声速函数变化量，n＝2，3，4；

其中，qk为n阶声速函数变化量，c(z)为k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面，zb，k为k时刻的接收点深度，zb，k+1为k+1时刻的接收点深度，为k+1时刻的算数平均声速。

可选的，所述根据所述n阶声速函数变化量、所述k+1时刻接收点与发射点的深度差、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、所述k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面、所述算数平均声速，确定k+1时刻的n阶声速函数，n＝2，3，4，具体包括：

根据所述n阶声速函数变化量、所述k+1时刻接收点与发射点的深度差、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、所述k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面、所述算数平均声速，采用公式确定k+1时刻的n阶声速函数，n＝2，3，4；

其中，为k+1时刻的n阶声速系数对应的n阶声速函数，qk为n阶声速函数变化量、zabk为k+1时刻接收点与发射点的深度差、δzk为接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、c(z)为k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面、为k+1时刻的算数平均声速。

可选的，所述根据所述k+1时刻的俯仰角，计算k+1时刻的n声速系数(n＝2，3，4)，具体包括：

根据所述k+1时刻的俯仰角，采用公式计算k+1时刻的2阶、3阶、4阶声速系数；

其中，βk+1为k+1时刻的俯仰角，分别为2阶、3阶、4阶声速系数。

可选的，所述根据所述k+1时刻的n阶声速系数、与所述k+1时刻的n阶声速系数对应的n阶声速函数、所述k+1时刻的算数平均声速，确定k+1时刻的有效声速，具体包括：

根据公式确定k+1时刻的有效声速；

其中，为k+1时刻的有效声速，为k+1时刻的算数平均声速，分别为k+1时刻的2阶、3阶、4阶声速函数，分别为2阶、3阶、4阶声速系数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种深海有效声速确定方法，能够将积分运算由原来从发射点到接收点的全程积分，转化为接收点深度变化对应的局部积分式，积分计算量有了极大的减少，从而实现深海有效声速的快速计算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例深海有效声速确定方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种深海有效声速确定方法，能够快速准确的确定声速。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例深海有效声速确定方法流程图。一种深海有效声速确定方法，所述方法应用于一种深海有效声速确定装置，所述装置包括发射点、接收点和水下移动载体，所述发射点安装在海面上，所述发射点的深度不变，所述接收点安装在所述水下移动载体上，所述接收点的深度随着所述水下移动载体移动，所述水下移动载体能够测量发射点与接收点之间的声速剖面以及所述发射点和所述接收点的水平距离，如图1所示，所述方法包括：

步骤101：获取k时刻的发射点深度、k时刻的接收点深度；

步骤102：获取k+1时刻的接收点深度、发射点与接收点之间的水平距离；

步骤103：根据所述发射点深度、所述k+1时刻的接收点深度以及所述发射点与接收点之间的水平距离，确定所述发射点和所述接收点之间的俯仰角；

步骤104：获取k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面；

步骤105：获取接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差；

步骤106：根据所述k+1时刻的接收点深度、所述k时刻的接收点深度、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差和所述k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面，确定算数平均声速变化量和均方算数平均声速变化量；

步骤107：获取k时刻接收点与发射点的深度差；

步骤108：根据所述k+1时刻接收点与发射点的深度差、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、所述k时刻算数平均声速、所述k时刻均方平均声速、算数平均声速变化量、均方算数平均声速变化量，确定k+1时刻的算数平均声速和k+1时刻的均方平均声速；

步骤109：根据所述k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面、所述k时刻接收点深度、所述k+1时刻接收点深度和所述k+1时刻的算数平均声速，确定n阶声速函数变化量，n＝2，3，4；

步骤110：根据所述n阶声速函数变化量、所述k+1时刻接收点与发射点的深度差、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、所述k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面、所述算数平均声速，确定k+1时刻的n阶声速函数，n＝2，3，4；

步骤111：根据所述k+1时刻的俯仰角，计算k+1时刻的n阶声速系数，n＝2，3，4；

步骤112：根据所述k+1时刻的n阶声速系数、与所述k+1时刻的n阶声速系数对应的n阶声速函数、所述k+1时刻的算数平均声速，确定k+1时刻的有效声速。

步骤105，具体包括：

根据k时刻的接收点深度和所述k+1时刻的接收点深度，通过公式δzk＝zb，k+1-zb，k，确定接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差；

其中，δzk为接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差，zb，k为k时刻的接收点深度，zb，k+1为k+1时刻的接收点深度。

步骤107，具体包括：

根据k时刻的发射点深度和所述k时刻的接收点深度，通过公式zabk＝zb，k-za，确定k时刻接收点与发射点的深度差；

其中，zabk为k时刻接收点与发射点的深度差，za为发射点深度，zb，k为k时刻的接收点深度。

步骤106，具体包括：

根据所述k+1时刻的接收点深度、所述k时刻的接收点深度、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差和所述k时刻发射点与接收点之间的声速剖面，采用公式和公式分别确定算数平均声速变化量和均方算数平均声速变化量；

其中，δvk为算数平均声速变化量，δwk为均方算数平均声速变化量，zb，k+δzk为k+1时刻的接收点深度、zb，k为k时刻的接收点深度、δzk为接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差，c(z)为k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面。

步骤108，具体包括：

获取k时刻的声速剖面；

根据所述k时刻的声速剖面c(z)、所述发射点深度za和所述接收点深度zb，k，确定k时刻算数平均声速和k时刻均方平均声速；

根据所述k+1时刻接收点与发射点的深度差、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、所述k时刻算数平均声速、所述k时刻均方平均声速、所述算数平均声速变化量、所述均方算数平均声速变化量，采用公式和公式确定k+1时刻的算数平均声速和k+1时刻的均方平均声速；

其中，为k+1时刻的算数平均声速和为k+1时刻的均方平均声速，zabk为k+1时刻接收点与发射点的深度差、δzk为接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、为k时刻算数平均声速、为k时刻均方平均声速、δvk为算数平均声速变化量、δwk为均方算数平均声速变化量。

步骤109，具体包括：

根据所述k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面、所述k时刻接收点深度、所述k+1时刻接收点深度和所述k+1时刻的算数平均声速，采用公式确定n阶声速函数变化量，n＝2，3，4；

其中，qk为n阶声速函数变化量，c(z)为k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面，zb，k为k时刻的接收点深度，zb，k+1为k+1时刻的接收点深度，为k+1时刻的算数平均声速。

步骤110，具体包括：

根据所述n阶声速函数变化量、所述k+1时刻接收点与发射点的深度差、所述接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、所述k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面、所述算数平均声速，采用公式确定k+1时刻的n阶声速函数，n＝2，3，4；

其中，为k+1时刻的声速的n阶系数对应的n阶声速函数，qk为n阶声速函数变化量、zabk为k+1时刻接收点与发射点的深度差、δzk为接收点由k时刻变化至k+1时刻的深度差、c(z)为k+1时刻发射点与接收点之间的声速剖面、为k+1时刻的算数平均声速。

步骤111，具体包括：

根据所述k+1时刻的俯仰角，采用公式计算k+1时刻的2阶、3阶、4阶声速系数；

其中，βk+1为k+1时刻的俯仰角，分别为2阶、3阶、4阶声速系数。

步骤112，具体包括：

根据公式确定k+1时刻的有效声速；

其中，为k+1时刻的有效声速，为k+1时刻的算数平均声速，分别为k+1时刻的2阶、3阶、4阶声速函数，分别为2阶、3阶、4阶声速系数。

将式(2)、式(4)的积分运算，由全程积分转化为深度变化范围的局部积分，减少式(2)、式(4)的积分计算量，以此来达到减少有效声速ve的计算量的目的。只有这样，在水声定位系统中，发射点或接收点深度发生变化时，可以非常快速地计算出相应的有效声速ve，然后将测量得到的传播时间转换为发射点与接收点之间的斜距，最终实现水下实时定位。

本发明通过假设声源位置在海面附近，且静止不动；接收点位置在下面，且位置能够移动；当声源和接收点都发生变化时，通过下列推导方法得到本发明的具体方法。

(1)由k时刻算数平均声速计算k+1时刻的算数平均声速

接收点由k时刻变化到k+1时刻，相应的深度差δzk为

δzk＝zb，k+1-zb，k(5)

k时刻对应的接收点与发射点的深度差zabk为

zabk＝zb，k-za(6)

由式(2a),(2b),(6)可得，

k+1时刻，算术平均声速和均方算术平均声速分别为

接收点由k时刻变化到k+1时刻，令算术平均声速变化量δvk和均方算术平均声速变化量δwk分别为

则式(8)变为

这样，式(2)的积分运算由原来从发射点到接收点的全程积分，转化为接收点深度变化对应的局部积分，积分计算量有了极大的减少。

(2)由由k时刻计算由k+1时刻

由式(4),(7)可得，

k+1时刻，n阶j函数n＝2，3，4为

接收点由k时刻变化到k+1时刻，令n阶j函数变化量qk为

则式(12)变为

定义一个函数

函数的积分为

根据泰勒展开式，k+1时刻的函数为

将式(16a-d)代入式(17),通过一系列代数运算，k+1时刻的函数可以简化为

为了进一步简化式(19)，令

则k+1时刻的函数为

将式(22)代入式(12)，k+1时刻的n阶j函数n＝2，3，4为

将式(7),(11)代入式(23),k+1时刻的n阶j函数n＝2，3，4为

这样，式(4)的积分运算由原来从发射点到接收点的全程积分，转化为接收点深度变化对应的局部积分式(13)，积分计算量有了极大的减少。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。