[发明专利]一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法

权利要求书

1.一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在已知声速待测量任务区域中确定直达信号传播时间测量点集；

步骤2：在声速待测量任务区域布设发送水下自主航行器以及接收水下自主航行器，通过基于单输入多输出双向交互通信方式测量直达声信号传播时间；

步骤3：根据直达声信号传播时间，采用基于匹配场处理技术的声速剖面反演算法获得声速剖面；

步骤4：根据步骤3中在每个经纬度坐标点进行测量和声速剖面反演工作构建声速剖面集合；

步骤1中所述声速待测量任务区域为S，步骤1中所述直达信号传播时间测量点集为P_S：

其中，(x_m,y_n)为测量点p_m,n的经纬度坐标，相邻坐标的横纵坐标间距满足：

Δx＝x_m+1-x_m＝D,Δy＝y_n+1-y_n＝D

其中D为采样间距，单位为千米；

步骤3中所述基于匹配场处理技术的声速剖面反演算法为：

已知任务区域S中的经验声速剖面数据集为：

其中，k为深度标号，深度标号为k-1和k的采样点之间为第k个深度层，d_i,k为第i组声速剖面S_i中深度标号为k的采样点的深度值，当k＝0时，d_i,0表示海面水下自主航行器所处深度，v_i,k为第i组声速剖面S_i中深度标号为k的采样点的声速值，当k＝0时，v_i,0表示海面水下自主航行器所在深度的声速值，即初始声；

对经验声速剖面数据集SSP的I组声速剖面数据求平均声速剖面

其中，d_k为深度标号为k的采样点的深度值，为经验声速剖面数据集中深度标号为k的采样点的声速平均值；

根据I组声速剖面数据和声速平均值定义协方差矩阵R：

其中，Δc_i,k是第i组声速剖面S_i在深度标号为k的采样点的声速与平均声速之差：

将协方差矩阵进行特征分解，得到特征值λ_k和对应的特征向量f_k，对特征值由大到小排序，并选取前6个特征值所对应的特征向量作为经验正交函数F_l,l＝1,2,...,6，则测量坐标点p_m,n位置的反演声速剖面可表示成：

其中，d_m,n,k为测量坐标点p_m,n位置的反演声速剖面中深度标号为k的采样点的深度值，为测量坐标点p_m,n位置的反演声速剖面中深度标号为k的采样点的声速值，F_l,k为第l阶经验正交函数中深度标号为k的元素，α_m,n,l为测量坐标点p_m,n位置的经验正交函数系数；

通过粒子群算法对测量坐标点p_m,n位置的经验正交函数系数进行搜索，得到一组测试经验正交函数系数H表示总的经验正交系数组数，计算拷贝声速剖面

其中，表示测量坐标点p_m,n位置的以经验正交函数系数生成的拷贝声速剖面中深度标号为k的采样点的声速值；

利用声射线理论计算水下自主航行器以及接收水下自主航行器中Q个发送接收节点对的理论信号传播时间序列具体计算方法为：

水下自主航行器以及接收水下自主航行器位于同一垂线，则海面水下自主航行器信号发送端与海底水下自主航行器所搭载换能器阵列的各阵元之间的水平距离X＝[x₁,x₂,...,x_q],q＝1,2,...Q为先验信息，在两个水下自主航行器深度固定的情况下，对于拷贝声速剖面首先根据声射线理论的水平传播距离公式计算测量坐标点p_m,n位置的信号由海面水下自主航行器传播到海底水下自主航行器的阵元q的水平传播距离

其中，为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器发送到海底水下自主航行器上阵元q的信号在第k个深度层的水平传播距离，为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面中第k个深度层的声速变化梯度，为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器发送到海底水下自主航行器上阵元q的信号在第k个深度层的初始掠射角，为测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面的初始声速值；

对测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器发送到海底水下自主航行器上阵元q的声线在初始深度层的初始掠射角以步进Ω度由0°搜索至90°，得到测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下直达信号在不同掠射角情况下的水平传播距离比较每一组发送接收节点对的实际距离x_q,x_q∈X与计算水平传播距离的误差，误差最小的计算水平传播距离作为实际距离的匹配项，同时记录获得此距离匹配项时所对应的信号初始掠射角最终得到在测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下，由海面水下自主航行器传播到海底水下自主航行器各阵元的声线传播初始掠射角序列然后将初始掠射角带入声射线理论的信号传播时间公式，计算在测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下由海面水下自主航行器传播到海底水下自主航行器的阵元q的直达信号传播时间：

对于Q组发送接收节点对，得到在测量坐标点p_m,n位置的第h组拷贝声速剖面情况下的理论直达信号传播时间计算序列

将步骤2所得测量直达声信号传播时间数据T_m,n与理论直达信号传播时间计算序列进行对比，采用最小二乘准则判端误差E：

对于由粒子群迭代搜索得到的H组拷贝声速剖面，以误差E最小时对应的拷贝声速剖面作为最终的声速反演结果，则测量坐标点p_m,n位置的最终反演声速剖面结果为完成单经纬度坐标点声速剖面反演。