专利名称：基于本征声线视在搜索的水声信道有效声速估计方法
技术领域：
本发明属于水声传播及水声定位技术领域，具体涉及水声信道中声波在任意两点
间传播的有效声速估计方法。
背景技术：
在水介质中关于声速的研究，是最早的水声学定量研究。1827年，Colladon和Sturm在日内瓦湖测定了声波在水中的传播速度，所得的结果接近现代的估计值。在水声测距和回声测深技术的推动下，随后一段时间有人较为精确地测定了海洋中的声速值。研究表明海洋中声速具有垂直分层性质，实际工程应用中往往给出声速随深度的变化，或者声速与深度的函数关系。然而更为广泛的应用在于海洋信道中任意两点间的声速获取，因为在把海洋中声传播时间转换为传播距离时都是需要精确的声速值。在短时间内通过试验估计任意两点间的声速是不方便和难以完成的，而且海洋环境的时变性使得测量值在测量完成后准确性大大降低。 国内外学者就水声信道的声速获取展开了研究。Vincent在研究深海水声定位时，首次将海洋空间中任意两点间的声速定义为有效声速([l]Vincent， H. T. andHu， S. L J. ， 〃 Method and system for determining underwater effectivesoundvelocity, 〃 United States patent application, Patent No :US 6388948B1)并提出了有效声速的求取方法，但是此方法仅适用于直达波所在区域的有效声速的求解。孙万卿([2]浅海水声定位技术及应用研究.中国海洋大学博士学位论文.2007 :88-91页)提出了一种基于有穷状态自动机的有效声速估计方法，此方法虽然考虑了海底反射，但对海面反射考虑得不够充分，以小步长搜索时计算量甚大。某些特殊水文条件下，反射声较直达声先到时，两种算法均不能准确的给出有效声速。林旺生([3]水声信道仿真与声线修正技术研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2009. :28-31页)提出了一种基于声场计算的有效声速求取方法，虽然该方法能够准确给出任意两点有效声速，然而需要对各点声场进行，计算量很大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既适用于深海信道，又适用于浅海信道，且能够快速
准确估计复杂水文下信道中声波在任意两点间传播的有效声速估计方法。 本发明的目的是这样实现的 (1. 1)初始化基本参数，主要包括对海面、海底边界特性初始化，海洋垂直声速分
布分层量化、接收点空间采样范围及采样率、初始掠射角有效空间设置； (1. 2)声源出射声线按不同掠射角跟踪，声线抵达接收点深度时对其进行能量约
束条件判决，在声线满足能量约束条件时进行多途辨识并求取等效声速； (1. 3)在初始掠射角有效空间自适应变步长遍历完毕后，对各类多途抵达声线等
效声速内插拟合；
3
(1. 4)比较水平采样点处各类抵达声线的等效声速获得各个点有效声速； (1. 5)以声源深度、接收点深度以及二者水平距离为参量将各采样点有效声速存
入矩阵，改变声源深度、接收点深度按照前面的步骤建立二维或三维有效声速矩阵； (1. 6)根据传播距离或时间，查取有效声速矩阵内插拟合获取水声信道中任意两
点的有效声速。
本发明还可以包括这样一些特征 1、所述声源出射声线按不同掠射角跟踪，是采取初始掠射角有效空间自适应变步
长遍历机制，即利用每次跟踪的结果实时调整掠射角变化的步长。 2、所述的能量约束条件主要包括海面海底筛选准则，并设置距离边界。 3、所述的多途辨识是对声线初始掠射角、海面海底反射次数、上下反转次数进行
统计，判断其类型。 4、所述的查取有效声速矩阵内插拟合获取水声信道中任意两点的有效声速是根据传播距离或时间，对有效声速矩阵进行声场最近两采样点判断索引，对此两点有效声速内插拟合。 本发明的核心技术内容在于本征声线视在搜索思想。按照多途信道模型的基本假设，声信号自声源发出后沿不同路径到达空间某点，该点接收的信号是所有本征声线之和，每条声线都存在一个等效声速，即收发两者直线距离与该声线传播时间的比值。有效声速为最早抵达声线对应的等效声速。 本征声线视在搜索思想采用多途信道模型的基本假设，却不着眼于本征声线的搜索，在声线跟踪过程中提取各个采样点等效声速有用信息，相当于各个采样点的本征声线记录在案，最后比较各根本征声线等效声速大小获得有效声速。如果采用文献[3]提供的方法，要获取M个采样点的有效声速，就要进行M次声场计算，而采用视在搜索算法一次掠射角空间遍历便可获得M个采样点的有效声速，效率提高了 M倍。 本发明包括的初始掠射角有效空间自适应变步长遍历机制主要内容为初始掠射角有效空间为[-90° ，90° ]的一个子空间，即声线既向上出射又向下出射。此机制给予各类抵达声线同等的机会，不会导致声场突变区域声线漏选或错选。在直达声影区采用文献[1]提供的方法，是不能给出有效声速的。复杂水文下海面反射声先于直达声抵达，采用文献[2]提供的方法，是会出现错选的。初始掠射角自适应变步长指根据每次声线跟踪的结果自适应的对步长调整。此机制在不影响计算精度的情况下加快了初始掠射角有效空间遍历的速度，提高了计算效率。 本发明包括的声线能量约束机制主要内容为进行海面海底筛选准则判断及抵达距离边界判断。此机制确保了抵达各点的各类声线均记录在案，对于复杂多途到达结构的情况，不会导致漏选或错选，并可以剔除各类抵达声线中的极弱声线。 本发明包括的声线多途辨识机制主要内容为对声线初始掠射角、海面海底反射次数、上下反转次数进行统计，判断其类型。各类抵达声线不同水平距离处有效声速是渐变，可以对同类抵达声线等效声速内插拟合获得各个空间采样点等效声速，因此声线多途辨识机制为实现视在搜索提供了基础。 本发明包括的任意两点的有效声速内插拟合获取主要内容为根据传播距离(或时间)，对有效声速矩阵进行声场最近两采样点判断索引，对此两点有效声速内插拟合。
图1为几种有效声速求取的基本模型； a图为文献[1]有效声速求取的基本模型； b图为文献[2]有效声速求取的基本模型； C图为本发明采用的基本模型。 图2为有效声速估计的流程图； 图3为某海域实测的水文； 图4为一次跟踪声线的轨迹(声源位于5m，接收位于30m); 图5为一维有效声速矩阵对应的各类抵达声线等效声速(声源位于5m，接收位于30m); 图6为一维有效声速矩阵(声源位于5m，接收30m); 图7为二维有效声速矩阵(声源位于5m，接收分别位于2Q、30、40m)。
具体实施例方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述 在一定的海洋环境下，估计有效声速的流程图如图2所示，主要步骤为
1.初始化基本参数过程主要包括海洋环境参数的初始化 (a)水深90m，海况2级，海底平坦，海底底质密度2. 036kg/m^海底声速1836m/s ;海面反射系数为-0. 9 ; (b)声速垂直分布如附图3所示，将其分为若干层； (c)接收水听器空间采样范围为100-5000m，水平采样间隔为10m ; (d)设定初始掠射角遍历有效空间为[-60° ，60° ]。 (f)声源位于5m深处，接收位于30m深处。 2.声线以一定初始掠射角向外行进，对其进行跟踪，当其抵达接收点所在深度时，
对其进行能量约束条件判断，即对其进行一次声场计算判断是否满足海面海底筛选准则及
是否抵达距离边界。在满足约束条件时，对声线进行多途辨识，否则计算初始掠射角变化步
长，改变初始掠射角进行下次跟踪。声线多途辨识的基本依据为初始掠射角符号、海面反射
次数、海底反射次数、上反转次数、下反转次数。在声线多途辨识分类完毕后，进行该接收点
出等效声速的计算。 一次跟踪的情况如图4所示。 具体可以按下面的操作 对于给定声速度分布函数c(z)，若点声源位于Ps(iv zs)处，声速度为 ，第j条声线以初始掠射角e,出射，声线上的任意点P(r，z)的声线传播轨迹和传播时间计算表达式为 <formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 6</formula>
其中，折射率"(力=^。
这样到达接收点(r， z)的第j条声线的等效声速即可求得
c,=卞—。+(『) (3) 3.在一次初始掠射角声线跟踪完毕后，根据初始掠射角变化步长改变初始掠射
角，重复步骤2 ;直至初始掠射角有效空间遍历完毕。 4.对各类多途抵达声线等效声速内插拟合，如图5所示。 5.通过比较各个空间采样点处各类抵达声线的等效声速获得有效声速，如图6所示。 6.将获得的各个采样点的有效声速存入矩阵，改变声源深度、接收点深度按照前面的步骤可建立二维或三维有效声速矩阵，如图7所示。 7.水声信道中任意两点的有效声速通过查取有效声速矩阵，进行声场最近两采样点判断索弓l ，内插拟合获取。比如要得到声源位于5m深，接收点位于30m深，水平距离205m远处有效声速，进行声场最近两采样点判断索引出200m远和210m远处有效声速，内插拟合得到205m处有效声速。 最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。
权利要求
基于本征声线视在搜索的水声信道有效声速估计方法，其特征是(1.1)初始化基本参数，主要包括对海面、海底边界特性初始化，海洋垂直声速分布分层量化、接收点空间采样范围及采样率、初始掠射角有效空间设置；(1.2)声源出射声线按不同掠射角跟踪，声线抵达接收点深度时对其进行能量约束条件判决，在声线满足能量约束条件时进行多途辨识并求取等效声速；(1.3)在初始掠射角有效空间自适应变步长遍历完毕后，对各类多途抵达声线等效声速内插拟合；(1.4)比较水平采样点处各类抵达声线的等效声速获得各个点有效声速；(1.5)以声源深度、接收点深度以及二者水平距离为参量将各采样点有效声速存入矩阵，改变声源深度、接收点深度按照前面的步骤建立二维或三维有效声速矩阵；(1.6)根据传播距离或时间，查取有效声速矩阵内插拟合获取水声信道中任意两点的有效声速。
2. 根据权利要求1所述的基于本征声线视在搜索的水声信道有效声速估计方法，其特征是所述声源出射声线按不同掠射角跟踪，是采取初始掠射角有效空间自适应变步长遍历机制，即利用每次跟踪的结果实时调整掠射角变化的步长。
3. 根据权利要求1或2所述的基于本征声线视在搜索的水声信道有效声速估计方法，其特征是所述的能量约束条件主要包括海面海底筛选准则，并设置距离边界。
4. 根据权利要求1或2所述的基于本征声线视在搜索的水声信道有效声速估计方法，其特征是所述的多途辨识是对声线初始掠射角、海面海底反射次数、上下反转次数进行统计，判断其类型。
5. 根据权利要求3所述的基于本征声线视在搜索的水声信道有效声速估计方法，其特征是所述的多途辨识是对声线初始掠射角、海面海底反射次数、上下反转次数进行统计，判断其类型。
6. 根据权利要求1或2所述的基于本征声线视在搜索的水声信道有效声速估计方法，其特征是所述的查取有效声速矩阵内插拟合获取水声信道中任意两点的有效声速是根据传播距离或时间，对有效声速矩阵进行声场最近两采样点判断索引，对此两点有效声速内插拟合。
7. 根据权利要求3所述的基于本征声线视在搜索的水声信道有效声速估计方法，其特征是所述的查取有效声速矩阵内插拟合获取水声信道中任意两点的有效声速是根据传播距离或时间，对有效声速矩阵进行声场最近两采样点判断索引，对此两点有效声速内插拟合。
8. 根据权利要求4所述的基于本征声线视在搜索的水声信道有效声速估计方法，其特征是所述的查取有效声速矩阵内插拟合获取水声信道中任意两点的有效声速是根据传播距离或时间，对有效声速矩阵进行声场最近两采样点判断索引，对此两点有效声速内插拟合。
9. 根据权利要求5所述的基于本征声线视在搜索的水声信道有效声速估计方法，其特征是所述的查取有效声速矩阵内插拟合获取水声信道中任意两点的有效声速是根据传播距离或时间，对有效声速矩阵进行声场最近两采样点判断索引，对此两点有效声速内插拟合。
全文摘要
本发明是基于本征声线视在搜索的水声信道有效声速估计方法。对声源出射声线按不同掠射角跟踪，抵达接收点深度且满足能量约束条件时对其进行多途辨识并求取等效声速。在初始掠射角有效空间自适应变步长遍历完毕后，对各类多途抵达声线等效声速内插拟合。最后比较各空间采样点等效声速取最大值获得该点有效声速，实现空间区域各采样点本征声线的视在搜索，将各采样点有效声速存入矩阵，通过内插拟合迅速准确地获取任意两点的有效声速。本方法采取初始掠射角有效空间自适应变步长遍历、能量约束、多途辨识机制确保了复杂多途到达结构时有效声速也能准确获取，用本征声线视在搜索机制避免了声场的频繁计算，将准确度、适应度及速度较好地融合起来。
文档编号H04B13/02GK101777954SQ201010101259
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者付进, 张光普, 林旺生, 梁国龙, 王燕 申请人:哈尔滨工程大学