[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

说明书

本发明提出了一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法。本发明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；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；根据测量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；根据基于匹配场处理技术的声速剖面反演算法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。本发明优点在于减小了边界参数失配带来的影响以及单一声速剖面代表整个区域声速分布的近似误差。

技术领域

本发明属于海洋声学层析领域，尤其涉及一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法。

背景技术

在水声学中，声源参数、海洋环境参数和水听器接收的声场信息是三个最基本的声学模块。理论上，已知以上三个参数中的任意两者，结合已有的水声传播模型，就能获得另外一个参数。参数获取过程依据工作模式的不同可分为正演运算、定位运算和反演运算，正演运算是已知声源参数、海洋环境参数求解声场信息，定位运算是已知海洋环境参数和声场信息求解声源参数，声速剖面反演是在已知声场信息和声源参数的条件下推测海洋环境参数。声速剖面反演是海洋声层析的一种，实质上是利用了声信号传播时隐含携带的整个深度剖面环境信息，通过精确测量的声线传播时间等声场数据，根据水声传播原理推断出海水声速剖面分布。

目前，已有的声速剖面反演方法主要基于声射线理论或者简正波理论的匹配场反演。基于简正波理论的声速剖面反演通常采用声场强度作为声速剖面反演的声场信息，可以准确的描绘出声影区，汇聚区和焦散区的声场强度分布，但其在实际反演中存在着一些不足，简正波理论使用与单一频率计算，对于宽带信号，计算量成倍增加；精确地测量海底海面边界参数十分困难，使得简正波理论的精度容易受到边界参数失配的影响。水声射线模型是计算水下声场分布的一种近似理论，具有计算速度快，形象直观的优点。基于水声射线模型的声速剖面反演通常采用多径信号传播时间作为声速剖面反演的声场信息，多径信号在传播过程中经过海底海面反射，其传播轨迹可以覆盖整个深度剖面，但由于信号反射与海底海面参数密切相关，因此同样面临着边界参数失配的问题。

在传统用于声速剖面反演的声场数据测量方法上，主要采用单一发送源节点结合垂直拖曳阵列或水平海底固定阵列作为通信发送和接收端组成单输入多输出系统。由于传统声场数据测量方法收发节点不便于频繁回收和布放，因此通常测量单一剖面下的声速剖面来近似代表整个区域声速分布情况，这对于大范围目标区域及声速变化明显的区域会引起近似误差，无法满足获取目标区域内更细粒度的声速剖面分布的应用需求。近年来，水下自主航行器被广泛用于水下探测和数据采集等应用中，其高机动性对于测量水下三维数据具有重要应用价值。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法。本发明测量系统由两个水下自主航行器组成，其中一个水下自主航行器搭载全指向性换能器作为发送端，另一个水下自主航行器在其底部机械臂搭载水平声信号接收阵列作为接收端，由此双水下自主航行器组成单输入多输出系统。

本发明的技术方案为一种基于水下自主航行器的直达信号传播时间测量方法，包含以下步骤：

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；

作为优选，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：