一种深海有效声速确定方法技术

本发明专利技术公开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。采用本发明专利技术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。

A Method for Determining Effective Sound Velocity in Deep Sea

【技术实现步骤摘要】
一种深海有效声速确定方法
本专利技术涉及声速传播领域，特别是涉及一种深海有效声速快速确定方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术提供了如下方案：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；其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于，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。...

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的深海有效声速确定方法，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的深海有效声速确定方法，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的深海有效声速确定方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张同伟，杨磊，秦升杰，王向鑫，鲁德全，杨继超，
申请(专利权)人：国家深海基地管理中心，
类型：发明
国别省市：山东,37