基于泰勒展开的初始掠射角求解方法、声线弯曲修正方法和设备与流程

本发明属于水声探测和定位
技术领域：
，具体涉及一种用于声线跟踪的初始掠射角求解方法、声线弯曲修正方法和设备。
背景技术：
：水下探测和定位都用到测距，通过斜距确定几何位置。声信号在水下传播时，受到不同的盐度、温度、深度和压力，其传播速度也各不相同。不同的声速导致声波在水中不再按照直线传播，从剖面看，发射源到水听器之间的声线是一条曲线，而非直线，不仅声线长度变大，所经历的时间也变长。测距常用的方法是声线跟踪算法，根据声速剖面分层模拟声线路径，估计水平距离。声线跟踪需要初始掠射角，以该角度为起始方向追踪声线路径，精确的初始掠射角还能够校正超短基线中的测向误差。在实际应用中常常出现这样的场景，测量船对水下固定的应答器进行探测，获得了信号往返的时延2t，在时延转换位斜距的过程中需要准确的声线掠射角进行声线跟踪。然而除了少部分水声传感器能够检测信号的出射或入射方向，大部分设备无法准确获知声线的初始掠射角，对于此，现有的方法采用在0～90°范围内步进搜索的方式找到最近似的初始掠射角，这种方法要求对全范围进行声线跟踪，十分繁琐，而且步长过大可能会跳过实际掠射角，步长过小又导致效率低下，计算负担增加。因此，如何快速精确地锁定初始掠射角成为当前亟待解决的问题。技术实现要素：发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于泰勒展开的初始掠射角求解方法、声线弯曲修正方法以及计算机设备，能够快速精确地获得初始掠射角，有效解决在声线弯曲影响下，采用声线跟踪法校正测距误差时由于初始掠射角不准而导致的斜距测量误差增大的问题。技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种基于泰勒展开的初始掠射角求解方法，所述方法包括以下步骤：(1)根据声速剖面c(z)、测量时延t、应答器深度h，由三角原理预估初始掠射角θ0，取与初始掠射角θ0互余的折射角的正弦θ0为迭代初值；(2)根据迭代初值利用等梯度声线跟踪法求取水平距离和估计时延(3)计算时延偏差将等梯度声线跟踪公式在初值处泰勒展开，根据时延偏差计算正弦增量并更新初值；(4)重复步骤2-3，直到满足迭代结束条件时结束迭代，根据此时的正弦值θ0得到最终的初始掠射角θ0＝arccosθ0。根据本发明的第二方面，提供一种声线弯曲修正方法，所述方法根据第一方面所述的初始掠射角求解方法得到初始掠射角，基于初始掠射角根据等梯度声线跟踪方法求得水平距离，再根据勾股定理得到斜距。根据本发明的第三方面，提供一种计算机设备，所述设备包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的方法。有益效果：本发明很好地解决了水声探测和定位中由于声线弯曲而无法根据测量时延准确确定初始掠射角，进而修正斜距的现实问题。本发明在已知深度和声速剖面情况下，根据泰勒展开的声线跟踪校正模型反推初始掠射角，最终精确修正声线误差。相比于传统方法，本发明无需搜索，计算量小，估算出的初始掠射角在大部分范围内具有极高的精度，进而修正了声线弯曲，提高了斜距测量精度，仿真实验表明，在3000m深度内，测距误差不超过10m。附图说明图1为根据本发明实施例的声线修正方法流程图；图2为根据本发明实施例的声线几何示意图；图3为根据本发明实施例的声速剖面；图4为根据本发明实施例的不同角度的声线轨迹；图5为根据本发明实施例的初始掠射角误差对比；图6为根据本发明实施例的水平距离误差对比；图7为根据本发明实施例的斜距误差对比；图8为根据本发明实施例的掠射角为3.624°时的搜索跟踪示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。应当了解，以下提供的实施例仅是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属
技术领域：
的技术人员充分传达本发明的技术构思，本发明还可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。图1所示为本发明所提的一种声线修正方法流程图，本发明针对深度恒定环境下水声测距问题，提出一种基于泰勒展开的初始掠射角求解方法，利用声速剖面和测量获得的深度、时延信息反推声线的初始掠射角。基本变量如图2所示：已知量：测量船收发声头测得的时延t；该水域的声速剖面c(z)；应答器的深度h；输出量：声线的初始掠射角θ0、水平距离r和斜距r。步骤1：选取初始掠射角θ0的迭代初值；以加权平均声速估计出的斜距计算初始掠射角作为迭代初值。加权平均声速这样求得：其中ci＝c(zi)表示声速剖面各层的声速值，zm<h<zm+1，δzi＝zi+1-zi是层高。考虑到声剖数据是离散的，和深度h间存在分辨率误差，定义z0＝0，zm+1＝h，则有c0＝c1-g1δz0为表层声速，cm+1＝cm+gmδzm为底层声速，gi为各层的声速梯度，gi＝(ci+1-ci)/(zi+1-zi)，这样就有若测得的时延为t，根据三角原理算得折射角的正弦为：折射角为声线与垂线的夹角，因为掠射角和折射角互余，折射角的正弦遵循snell定律，p是常数：所以用θ表示折射角的正弦，初始掠射角θ0＝arccosθ0，用θ0作为初值；步骤2：用等梯度声线跟踪法估算出时延根据等梯度声线跟踪法，可以由初始掠射角估计出水平距离和时延：式中μi＝ci/c0。步骤3：计算初值增量并校正；当θ0＞0时，将等梯度声线跟踪公式在初始值处泰勒展开：其中是高阶无穷小，可以忽略。令时延偏差：可以得到θ0的增量：基于增量对初值进行更新，初值被校正为：θ0＝θ0+dθ0校正时应当注意不能超过一定区间，0＜θ0＜θmax，其中：是声线发生全反射的临界值。步骤4：完成迭代过程并求解；不断重复步骤2和步骤3，进行迭代，直至δt<τ(τ为阈值)或迭代次数n超过上限n结束迭代。此时的θ0＝arccosθ0为最终的初始掠射角，根据等梯度跟踪方法求得对应的为最终水平距离，再根据勾股定理可得斜距。下面通过一具体实例进一步描述本发明的效果。对水深3000m的深海环境进行仿真试验，其声速剖面如图3所示，从0～90°选取10个不同角度的掠射角θ0作为测试，对应的水平距离r和时延t如表1所示。图4为不同角度的声线轨迹示意图。表1不同掠射角对应的水平距离和时延θ0θ0r(m)t(s)87.13°0.05141.5382.06814480.21°0.17486.8882.09294770.12°0.341014.8972.18115260°0.51603.6902.34315850.21°0.642271.8492.59255739.65°0.773175.1693.00981829.54°0.874333.0203.63120319.95°0.945855.1714.53152811.48°0.987650.3515.6559003.624°0.9989674.7826.961336根据实际使用需求，在时延t上加入标准差为1ms的零均值白噪声，由t反推初始掠射角θ0和水平距离r时，将本发明与经验声速法、传统搜索跟踪法进行比较。除了时延t，对图3中的声速选取个别点并加入白噪声作为实际测量的声速剖面，白噪声均值为零，标准差为0.1m/s。经验声速法采用经验声速将时延转化为斜距，这里用加权平均声速作为经验声速，经验声速法不考虑声线弯曲，水平距离和掠射角可以由三角关系求出。搜索跟踪法和本发明都了考虑声线弯曲的影响，需要先计算出初始掠射角后再利用等梯度声线跟踪法进行声线跟踪，求出相应的水平距离及斜距。因此初始掠射角的精度和计算速度决定斜距的精度和使用便捷性。图5是本发明与经验声速法、搜索跟踪法计算出的初始掠射角的误差对比，可以看出经验声速法误差较大，本发明在大掠射角(应答器在正下方附近)时，本发明和搜索跟踪法相比有一定的误差，这是由于θ0在0附近使得运算过程中需要面对分母为零或者负数开方的问题，一系列的近似处理增大了误差，尤其是时延误差较大时，情况更加严重。不过在掠射角大约小于80°后，本发明的优势凸显，初始掠射角的计算精度始终高于搜索跟踪法，尤其是在小角度掠射角时，搜索跟踪法误差变大。这主要是由于小角度时，时延对掠射角的微小变化非常敏感，搜索步长相对较大导致了较大的误差。初始掠射角误差的大小反映在声速跟踪法计算水平距离则更为明显，斜距误差则随着水平距离误差相应变化，如图6和图7所示。本发明斜距误差在声源正下方约10°的开角内较大，在此外大部分范围内均具有最小的误差。搜索跟踪法在小掠射角下水平距离误差、斜距误差随着搜索的初始掠射角的误差变大不断增大，甚至不及经验声速法。本实验数值结果如表2所示。表2初始掠射角误差、水平距离误差以及斜距误差对比搜索跟踪法以一定步长搜索需要进行大量的尝试，精度还会受到补偿分辨率的影响。以经验声速法提供的掠射角可以缩小搜索范围，在大初始掠射角时，该范围很小，但当初始掠射角较大时，经验声速法得到的掠射角和实际掠射角差距较大，搜索的工作量依旧十分庞大，如图8所示。综上所述，本发明很好地解决了水声探测和定位中声线弯曲而无法根据测量时延准确确定初始掠射角，进而修正斜距的现实问题。本发明在已知深度和声速剖面情况下，根据泰勒展开的声线跟踪校正模型反推初始掠射角，最终精确修正声线误差。相比于传统方法，本发明无需搜索，计算量小，估算出的初始掠射角在大部分范围内具有极高的精度，进而修正了声线弯曲，提高的斜距测量精度。基于与方法实施例相同的技术构思，根据本发明的另一实施例，提供一种计算机设备，所述设备包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现方法实施例中的各步骤。本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。当前第1页12