一种水声定位系统的声速修正方法

一种水声定位系统的声速修正方法
葛 亮1,吴怀河2
(1.中国海洋大学工程学院,山东青岛 266071;2.东阿县水利局,山东东阿 252000)
摘要:海水中声速沿深度方向分布较为复杂,致使准确定位难以实现。

为提高定位精度,必须进行声速修正。

提出了一种查表法,建立有效声速表进行声速迭代修正,此方法适用于各种定位系统。

关键词:水声定位;声速修正;有效声速
中图分类号:S625.5;S153.4 文献标识码:A 文章编号:1000-2324(2006)04-0647-04
收稿日期:2005-3-20
作者简介:葛亮(1981- )男,山东泰安,硕士,研究方向为水声定位。

CORRECTI ON OF SOUND VELOCITY I N ACOU STI C P O SI TION I NG SYSTE M
Ge L iang 1,WU H ua i-he 2
(1.Engi n eeri ng I n stitute ,Ocean Un i v .of Ch i n a ,Q i ngdao 266071
2.W ater C onservan cy B ureau ofDonge ,252000,Ch i n a)
Abst ract :I n sea w ater it is hard to achieve accurate location because o f the sound velocity vary i n g w ith depth .So the correction of sound ve loc ity must be considered carefully to get a better positi o n accuracy .ESV (E ffective Sound V elocity )and A tab le-look -up m ethod i s estab lished for correcti n g the sound ve loc ity by buildi n g up a ESV (E ffective Sound Ve loc ity)table .The m ethod can be applied to all k i n ds o f positi o ning sys te m s .
K ey W ords :Acoustic positi o n i n g ;Correction o f sound velocity ;ESV
在利用时延进行距测量的水声定位系统中,一般是将水下目标点到各接收点的传播时延与声速相乘来计算目标与个接收点的距离差,从而求解目标坐标实现定位。

由于水下沿深度方向存在声速梯度,导致声线发生弯曲。

为提高定位精度,实现精确定位,必须进行声速修正。

1 海水中的声传播速度
海水是一种非均匀介质,声传播速度不为常数,由实验结果和理论分析,已得出了一些表示声速与温度、盐度和深度的方程。

式(1)是其中一个典型的式子
[1]
c =1449+4.6T -0.055T 2+0.0003T 3+(1.39-0.012T )(S -35)+0.017T (1)
式中,c 为海水声速(米/秒),T 为温度( ),S 为盐度,Z 为深度。

海水的盐度和温度本身也是深度的函数,为研究方便,将声速视为深度的函数。

在分层海洋介质中,由于声速梯度没有水平方向的变化,因此声线在传播时的掠射角只是深度的函数,故声线将随深度变化而发生弯曲。

图1为深海的典型声速剖面
图[2]。

在浅海,声速随深度的变化受到更多因素的影响,因而其规律性不如深海那样明显。

应该说明,声速在水平方向也是变化的,只是这种变化十分缓慢,在数十千米范围内通常忽略不计。

2 水声定位测距原理
图2所示为一常规定位问题。

图中,O (x,y,z )为定位目标,N 个传感器所在位置为(x i ,y i ,z i ),i =1, N 。

通过对目标与传感器之间脉冲信号的时间测量来实现对目标O 点的坐标位置解算,实现定位。

山东农业大学学报(自然科学版),2006,37(4):647-650Journa l o f Shandong A g ricu lt ura lU n i versity (N atura l Sc i ence)
图1 深海典型声速剖面图
Fig .1 Sound ve l ocity i n deep
sea
图2 常规定位问题示意图
Fig .2 G eneral p osit i on est i m at i on p roble m
以非同步定位方式为例,目标在未知时刻发出信号,以速度c 传播,信号到达第i 个接收器的时刻为t a i ,或信号由传感器在已知时间发出,但接收机间存在未知时钟偏差t b ,则有
R i =c(t a i -t e i +t b );i =1, N
(1)亦即
R i =c(t t i -t b );i =1, N
(2)其中,R i =(x-x i )2+(y-y 1)2+(z-z i )2。

由于t e 或t b 未知,式(1)和式(2)常以TDOA (T i m e D iffer
ence O fA rrivals )的形式给出。

以R 1为基准,则式(2)简化为N -1个方程:R i -R 1=c(t a i -t a 1)=c !t a i ;i=2, ,N
(3)
对式(3)求解即可得到目标坐标,实现定位。

3 声速修正方法
式(3)所示的定位原理将声速看成均匀分布,而实际上水下声速分布常常是不均匀的。

因此必需对
声速进行修正。

现有的方法主要有泰勒级数法[3]和经验公式法[4]。

本文提出一种查表法。

预先根据控
制参数的变化建立有效声速表格,在定位求解时根据特定的控制参数值采用插值方法获得有效声速。

∀648∀山东农业大学学报(自然科学版) 第37卷
图3 两点间声线传播示意图
F i g .3 Two po i n ts ray tracing s k etch map
以图3中的两点间声线传播问题为例,当z A 为常值时,有效声速v e 由参数z B 和 唯一确定,故可建立一与z B 和 相关的二维有效声速表。

若有n 个不同的z B 和m 个不同的 值,则有效声速表为一(n #m )阶矩阵。

有效声速表的建立步骤如下:
1.改变 A 和z B 值,根据Snell 定律进行声线追踪获得相应的v e 和 值;
2.就单个z B 值,由步骤1得到的 值是随声线追踪过程变化的,故需进行插值以获得随 值变化的有效声速v e ;
3.对每个z B 值重复以上过程即可得到以 和z B 为控制参数的有效声速表。

4 误差分析
查表法确定有效声速的误差来源主要来自插值误差。

插值误差存在于建立声速表格和应用声速表格两个过程。

在建立表格时,为得到精确的有效声速表须提高掠射角分辨率;在应用声速表格时,须在此基础上提高深度和俯仰角的分辨率。

我们模拟了垂直入射情况下有效声速随深度的插值误差,并就查表法与泰勒级数法进行对比,如图4、5
所示。

图4 有效声速插值误差
Fig .4 ESV interpo l ation error
∀
649∀第4期 葛亮等:一种水声定位系统的声速修正方法
图5 有效声速求解对比图
F i g .5 Co mparison of ESV m ethods
5 结论
本文提出一种查表法对水声定位系统的声速进行修正,该方法适用于深水及浅水定位系统。

数值研究表明查表法可有效地改进有效声速,当俯仰角较小时尤为明显。

该方法具有良好的运算精度和运算速度,原则上适用于各种水声定位系统的声速修正。

参考文献
[1]杨士莪.水声传播原理.哈尔滨工程大学出版社,哈尔滨
[2]刘伯胜,雷家煜.水声学原理.哈尔滨工程大学出版社,哈尔滨.2002
[3]A. E.Vaas ,∃Refracti on of the D i rectM onoton ic Sound Ray ,%Techn i calM e m orandum 322,NavalUnder w at er Ordnan ce S tati on ,N e wport ,R I ,
1964.
[4]L . A.Anderson,∃Soft w are for Su rvey i ng A rrays ofH ydrophones and D eep Ocean Trans ponders ,Volu m e :i User &s Gu i d e ,%T echn i calPubli ca
ti on TP000041A,Pacifi cM i ss il e Tes tC en t er ,PointM ugu ,Calif orn i a ,1987.∀650∀山东农业大学学报(自然科学版) 第37卷。