一种发射点与接收点之间水平距离的确定方法及系统与流程

本发明涉及声速传播领域，特别是涉及一种发射点与接收点之间水平距离的确定方法及系统。

背景技术：

在海洋中，声波的传播速度(声速)受海水温度、盐度和压力(深度)的影响。由于海水中温度、盐度的不均匀分布，造成声速分布的不均匀；海水介质的垂直分层特性，使得声速具有缓慢时变的垂直分布性质。除了风浪充分搅拌的表层海水，或极区低温海水，其声速剖面呈现一定的等梯度外，实际声速剖面的垂直变化(声速梯度)非常复杂。由射线声学可知，在海洋中传播的声线是弯曲的，且声速沿垂直深度变化越快，声线就越弯曲。声线弯曲意味着声信号从发射点到接收点的传播距离大于发射点与接收点之间的直线距离，而且在空间不同的位置，声线弯曲影响的程度是不一样的。

当对定位系统的定位精度要求不高，或水下声速分布比较简单时，常用一个近似函数来逼近声速剖面或声线形状，实现快速的水下测距和定位。然而，受时变性与空变性影响，实际声速剖面非常复杂，声速分布往往无法实现精确的函数表达。声速在垂直方向的不均匀分布以及由此产生的声线弯曲，对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。基于平均声速(恒定声速)来计算空间所有位置的距离已经远远不能满足高精度定位的需求。为此，声线跟踪技术被广泛的应用到水声测距和水声定位领域。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。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种发射点与接收点之间水平距离的确定方法及系统，能够快速高效的计算出发射点与接收点之间水平距离。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种发射点与接收点之间水平距离的确定方法，所述方法应用于一种发射点与接收点之间水平距离确定装置，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固定平台上，所述接收点安装在所述水下移动载体上；所述发射点是固定不动的，所述接收点能够跟随所述水下移动载体移动，所述水下移动载体能够实时测量深度和声速，包括：

获取发射点深度值和接收点深度值；

根据所述发射点深度值和所述接收点深度值，确定声速剖面面积；

根据所述声速剖面面积，确定声速梯度；

根据所述声速梯度，确定发射点与接收点之间的水平距离。

可选的，所述根据所述发射点深度值和所述接收点深度值，确定声速剖面面积，具体包括：

根据公式确定声速剖面面积sa；

其中，sa为声速剖面面积，z0为发射点深度，zb为接收点深度，c(z)为发射点深度与接收点深度之间的声速剖面；

将转化为计算，其中sa,k为k时刻的声速剖面面积，在计算k+1时刻时采用下列公式：

来计算k+1时刻的声速剖面面积；

其中，δzk为接收点深度由k时刻到k+1时刻的变化量；δsk+1为由k时刻到k+1时刻面积变化量。

可选的，所述根据所述声速剖面面积，确定声速梯度，具体包括：

根据所述声速剖面面积，采用公式确定声速梯度g；

其中，g为声速梯度，z0为发射点深度，zb为接收点深度，c0为z0处的声速，sa为声速剖面面积。

可选的，所述根据所述声速梯度，确定发射点与接收点之间的水平距离，具体包括：

根据公式确定发射点与接收点之间的水平距离χ；

其中，g为声速梯度，c0为发射点深度的声速，c为接收点深度的声速，t为发射点到接收点的传播时间。

一种发射点与接收点之间水平距离的确定系统，包括：

获取模块，用于获取发射点深度值和接收点深度值；

声速剖面面积确定模块，用于根据所述发射点深度值和所述接收点深度值，确定声速剖面面积；

声速梯度确定模块，用于根据所述声速剖面面积，确定声速梯度；

水平距离确定模块，用于根据所述声速梯度，确定发射点与接收点之间的水平距离。

可选的，所述声速剖面面积确定模块，具体包括：

声速剖面面积确定单元，用于根据公式确定声速剖面面积sa；

其中，sa为声速剖面面积，z0为发射点深度，zb为接收点深度，c(z)为发射点深度声速与接收点深度声速的差值；

将转化为计算，其中sa,k为k时刻的声速剖面面积，在计算k+1时刻时采用下列公式：

来计算k+1时刻的声速剖面面积；

其中，δzk为接收点深度由k时刻到k+1时刻的变化量；δsk+1为由k时刻到k+1时刻面积变化量。

可选的，所述声速梯度确定模块，具体包括：

声速梯度确定单元，用于根据所述声速剖面面积，采用公式确定声速梯度g；

其中，g为声速梯度，z0为发射点深度，zb为接收点深度，c0为z0处的声速，sa为声速剖面面积。

可选的，所述水平距离确定模块，具体包括：

水平距离确定单元，用于根据公式确定发射点与接收点之间的水平距离χ；

其中，g为声速梯度，c0为发射点深度的声速，c为接收点深度的声速，t为发射点到接收点的传播时间。

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：本发明提供一种发射点与接收点之间水平距离的确定方法，获取发射点深度值和接收点深度值；根据所述发射点深度值和所述接收点深度值，确定声速剖面面积；根据所述声速剖面面积，确定声速梯度；根据所述声速梯度，确定发射点与接收点之间的水平距离。采用本发明不再需要计算连接发射点和接收点的本征声线的掠射角，可以直接由传播时间转换为水平距离，能够快速高效的计算出发射点与接收点之间水平距离。

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为本发明实施例发射点与接收点之间水平距离的确定方法流程图；

图2为本发明实施例发射点与接收点之间水平距离的确定系统结构图。

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发射点与接收点之间水平距离的确定方法及系统，能够快速高效的计算出发射点与接收点之间水平距离。

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。

超短基线定位系统和长基线定位系统是最常用的两个水下定位系统。超短基线定位系统的两个主要观测量是传播时间、入射角度(方位角和俯仰角)，其中传播时间通过声速转换为发射点与接收点之间的斜距。在三维空间中，由斜距、方位角、俯仰角可以唯一确定发射点相对于接收点的位置。长基线定位系统的主要观测量是应答器(3个以上，位置已知)与长基线接收机之间的传播时间，其中传播时间通过声速转换为相应的斜距。在三维空间中，已知长基线接收机与3个以上应答器之间的斜距，可以唯一确定长基线接收机的位置。由此可见，超短基线定位系统和长基线定位系统中，都需要将发射点到接收点的传播时间转换为发射点与接收点之间的斜距。

在实际应用中，声波从发射点到接收点的传播时间很容易测量得到，且测量精度高。发射点和接收点的深度很容易由高精度压力传感器测量得到。发射点和接收点之间的深度、水平距离和斜距满足三角几何关系，使得水平距离和斜距可以相互转换。因此，水声定位面临的主要困难是，如何将测量得到的高精度传播时间转换为水平距离或斜距。

图1为本发明实施例发射点与接收点之间水平距离的确定方法流程图。如图所示，一种发射点与接收点之间水平距离的确定方法，所述方法应用于一种发射点与接收点之间水平距离确定装置，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固定平台上，所述接收点安装在所述水下移动载体上；所述发射点是固定不动的，所述接收点能够跟随所述水下移动载体移动，所述水下移动载体能够实时测量深度和声速，包括：

步骤101：获取发射点深度值和接收点深度值；

步骤102：根据所述发射点深度值和所述接收点深度值，确定声速剖面面积；

步骤103：根据所述声速剖面面积，确定声速梯度；

步骤104：根据所述声速梯度，确定发射点与接收点之间的水平距离。

步骤102，具体包括：

根据公式确定声速剖面面积sa；

其中，sa为声速剖面面积，z0为发射点深度，zb为接收点深度，c(z)为发射点深度与接收点深度之间的声速剖面。

当接收点深度发生变化时，需要重新计算相应的声速梯度g和sa，如果真实声速剖面采样点很密集，深海情况下，则计算量很大。因此，步骤102中在计算声速剖面面积时，可以通过将转化为计算，其中sa,k为k时刻的声速剖面面积，这样在计算k+1时刻时就可以直接采用下列公式：

来计算k+1时刻的声速剖面面积。

其中，δzk为接收点深度由k时刻到k+1时刻的变化量；δsk+1为由k时刻到k+1时刻面积变化量。

由此可知，每次计算sa,k+1并不需要对所有深度进行积分，而只需要计算k时刻到k+1时刻面积变化量即可，这样可以大大减小计算量。

可见，针对实际声速剖面非常复杂，并不是等梯度声速剖面的情况，在等梯度声速剖面法的基础上，提出了等梯度声速剖面快速计算方法。在深海中，特别是当实际声速剖面采样点非常密集时，如果发射点深度或接收点深度发生变化时，需要重新计算积分，所需要的计算量非常大。通过我们提出的快速计算方法，只需要计算发射点深度或接收点深度变化部分对应的积分，而无需全部计算，大大提高了计算效率。

步骤103，具体包括：

根据所述声速剖面面积，采用公式确定声速梯度g；

其中，g为声速梯度，z0为发射点深度，zb为接收点深度，c0为z0处的声速，sa为声速剖面面积。

步骤104，具体包括：

根据公式确定发射点与接收点之间的水平距离χ；

其中，g为声速梯度，c0为发射点深度的声速，c为接收点深度的声速，t为发射点到接收点的传播时间。

本发明具有下列有益效果：

(1)首先推导了等梯度声速剖面，传播时间和水平距离的公式，不再需要计算连接发射点和接收点的本征声线的掠射角，可以直接由传播时间转换为水平距离。

(2)针对实际声速剖面非常复杂，并不是等梯度声速剖面的情况，在等梯度声速剖面法的基础上，提出了等梯度声速剖面快速计算方法。在深海中，特别是当实际声速剖面采样点非常密集时，如果发射点深度或接收点深度发生变化时，需要重新计算积分，所需要的计算量非常大。而本发明只需要计算发射点深度或接收点深度变化部分对应的积分，而无需全部计算，大大提高了计算效率。

海水介质具有垂直分层的特性，即声速c(折射率n)不随水平方向变化，仅是海水深度的函数。若令x,y代表水平坐标，z代表垂直坐标，则在分层介质中

c(x，y，z)＝c(z)(1)

n(x，y，z)＝n(z)(2)

除了超远程声传播问题外，海水介质的分层模型是对实际海洋介质的一种近似的理想模型。

更进一步，当声速剖面变化梯度恒定时，相应的声速剖面为c＝c0+gz(3)

其中，c0为z0处的声速，声速梯度g为常数。

对于等梯度声速剖面，声线轨迹是一个圆弧，相应的传播时间t和水平距离χ分别为

其中，发射点深度为z0，相应的掠射角为θ0；接收点深度为z，相应的掠射角为θ。

在实际应用中，发射点深度、接收点深度、声速剖面、传播时间t通常可以直接测量得到。由式(4)和式(5)可知，声线的传播时间t和水平距离χ均是初始掠射角和接收掠射角的函数。无法将传播时间t直接转换为水平距离χ。计算水平距离χ需要分别计算sinθ0，cosθ0和sinθ。

计算sinθ0：

式(4)可以转换为

令μ＝e^tg(7)

则

经过简单的数学运算，可以得到

μcosθ+μsinθ0cosθ-sinθcosθ0＝cosθ0(9)

根据snell定律，

折射率n

由式(10)和式(11)可得，

cosθ0＝ncosθ(12b)

将式(12a)代入式(9)，可得

式(13)两边消去cosθ0，并分离出sinθ，可以得到

对式(14)和式(12a)两边取平方，可以得到

三角函数平方关系：

sin²θ+cos²θ＝1(17)

由式(15)，式(16)，式(17)，可得

经过简单的数学运算，可以得到

(μ²-1)sin²θ0+2(μ-n)μsinθ0+μ²-2nμ+1＝0(19)

公式(19)为sinθ0的一元二次方程，根据一元二次方程求根公式，可得

由于θ0是初始掠射角，则

sinθ0≠-1(21)

所以

计算cosθ0：

将式(22)代入式(17)，经过简单的数学运算，可得

计算sinθ：

将式(12b)代入式(9)，可得

μcosθ+μsinθ0cosθ-ncosθsinθ＝ncosθ(24)

式(24)两边消去cosθ，并分离出sinθ0，可以得到

对式(25)和式(12b)两边取平方，可以得到

cos²θ0＝n²cos²θ＝n²-n²sin²θ(27)

由式式(17)，(26)，式(27)，，可得

经过简单的数学运算，可以得到

(n-nμ²)sin²θ+2(n-μ)sinθ+nμ²-n-2μ＝0(29)

公式(29)为sinθ的一元二次方程，根据一元二次方程求根公式，可得：

由于θ是出射角，则

sinθ≠-1(31)

所以

计算水平距离χ：

将式(22)，式(23)和式(32)分别代入式(6)，经过一系列运算，可得

将式(7)，式(11)代入式(33)，可得

由式(34)可知，在等梯度声速剖面下，已知发射点深度的声速c0，接收点深度的声速c，声速梯度g，和发射点到接收点的传播时间，就可以直接求取发射点与接收点之间的水平距离χ，而无需计算声线初始掠射角。

使用不同声速剖面定位得到的水平距离，只与各声速剖面与深度坐标轴围成的面积以及初始掠射角有关，而与声速剖面的具体分布形式无关。因此，可以采用声速为等梯度分布的声速剖面曲线代替真实的声速剖面。

真实声速剖面与深度坐标轴围成的面积sa为

表面声速相同时，等梯度声速剖面与深度坐标轴围成的面积se为

令sa＝se，则

等梯度声速剖面满足如下形式，

cb＝c0+g(zb-z0)(38)

其中c0为z0处的声速，声速梯度g为常数。将式(37)带入式(38)，可以得到

这样当介于深度z0和深度zb之间的真实声速剖面已知时，可以唯一确定等效声速剖面。

假设发射点深度为z0，接收点深度为zb。仅考虑发射点在海面静止不动，接收点位置可以移动的情况；其他情况可以简单推广得到。当接收点深度发生变化时，需要重新计算相应的声速梯度g和sa，如果真实声速剖面采样点很密集，深海情况下，则计算量很大。而本发明中每次计算sa,k+1并不需要对所有深度进行积分，而只需要计算k时刻到k+1时刻面积变化量即可，这样可以大大减小计算量。

图2为本发明实施例发射点与接收点之间水平距离的确定系统。如图2所示，一种发射点与接收点之间水平距离的确定系统，包括：

获取模块201，用于获取发射点深度值和接收点深度值；

声速剖面面积确定模块202，用于根据所述发射点深度值和所述接收点深度值，确定声速剖面面积；

声速梯度确定模块203，用于根据所述声速剖面面积，确定声速梯度；

水平距离确定模块204，用于根据所述声速梯度，确定发射点与接收点之间的水平距离。

所述声速剖面面积确定模块202，具体包括：

声速剖面面积确定单元，用于根据公式确定声速剖面面积sa；

其中，sa为声速剖面面积，z0为发射点深度，zb为接收点深度，c(z)为发射点深度与接收点深度之间的声速剖面；

将转化为计算，其中sa,k为k时刻的声速剖面面积，在计算k+1时刻时采用下列公式：

来计算k+1时刻的声速剖面面积；

其中，δzk为接收点深度由k时刻到k+1时刻的变化量。δsk+1为由k时刻到k+1时刻面积变化量。

所述声速梯度确定模块203，具体包括：

声速梯度确定单元，用于根据所述声速剖面面积，采用公式确定声速梯度g；

其中，g为声速梯度，z0为发射点深度，zb为接收点深度，c0为z0处的声速，sa为声速剖面面积。

所述水平距离确定模块204，具体包括：

水平距离确定单元，用于根据公式确定发射点与接收点之间的水平距离χ；

其中，g为声速梯度，c0为发射点深度的声速，c为接收点深度的声速，t为发射点到接收点的传播时间。

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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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。