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技术

本发明专利技术公开了一种基于泰勒展开的初始掠射角求解方法、声线弯曲修正方法和设备，其主要目的在于解决在声线弯曲影响下，采用声线跟踪法校正测距误差时无法准确获知初始掠射角，而导致的斜距测量误差增大的问题。方法主要步骤包括：采用加权平均声速估算斜距、计算初始掠射角初值、根据等梯度声线跟踪法计算时延偏差、建立泰勒展开的声线跟踪校正模型、校正初始掠射角、判断收敛条件执行迭代步骤、修正声线。本发明专利技术可以快速精确地计算初始掠射角确定最短本征声线，解决水面水下水声定位设备精确测距问题。相比于目前采用的搜索跟踪方法，本发明专利技术缩小了搜索范围，提高了搜索分辨率，显著地改善了搜索时间和精度，简单高效，适用于水下探测和定位。

The Solution Method of Initial Grazing Angle Based on Taylor Expansion, the Correction Method and Equipment of Sound Line Bending

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于水声探测和定位
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术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：根据本专利技术的第一方面，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。根据本专利技术的第二方面，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。根据本专利技术的第三方面，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专利技术第一方面所述的方法。有益效果：本专利技术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。本专利技术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，本专利技术无需搜索，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为根据本专利技术实施例的声线修正方法流程图；图2为根据本专利技术实施例的声线几何示意图；图3为根据本专利技术实施例的声速剖面；图4为根据本专利技术实施例的不同角度的声线轨迹；图5为根据本专利技术实施例的初始掠射角误差对比；图6为根据本专利技术实施例的水平距离误差对比；图7为根据本专利技术实施例的斜距误差对比；图8为根据本专利技术实施例的掠射角为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专利技术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专利技术，并且向所属
的技术人员充分传达本专利技术的技术构思，本专利技术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专利技术的限定。图1所示为本专利技术所提的一种声线修正方法流程图，本专利技术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专利技术的效果。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，将本专利技术与经验声速法、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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于泰勒展开的初始掠射角求解方法，其特征在于，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

【技术特征摘要】
1.一种基于泰勒展开的初始掠射角求解方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的基于泰勒展开的初始掠射角求解方法，其特征在于，所述步骤1包括：(11)根据声速剖面数据和应答器深度计算加权平均声速：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，且有(12)测得时延为t，根据三角原理算得折射角的正弦为：(13)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。3.根据权利要求2所述的基于泰勒展开的初始掠射角求解方法，其特征在于，所述步骤2中由初始掠射角估计出水平距离和时延的计算公式如下：式中μi＝ci/c0，c0＝c1-...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓苏，金博楠，张涛，李瑶，姚逸卿，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32