水聲測距技術(shù)方法仿真研究

蔡龍飛，楊　蕾

(1.海軍駐武漢438廠 軍事代表室，湖北 武漢 430060；2.武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

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水聲測距技術(shù)方法仿真研究

蔡龍飛1，楊蕾2

(1.海軍駐武漢438廠 軍事代表室，湖北 武漢 430060；2.武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

摘要：不管是在軍事應(yīng)用還是民用方面，水下測距技術(shù)的發(fā)展都有著非常迫切的需求，因此對各種測距方法開發(fā)研究是非常必要的。本文在主、被動測距原理的基礎(chǔ)上查找各種測距模型及其解算方法，比較其優(yōu)缺點。通過對平均聲速測距模型，多項式近似測距模型，迭代逼近測距模型的仿真研究，分析研究了三種測距方法的適用性。

關(guān)鍵詞：水聲；測距；仿真模型

1引言

從海洋中獲得更大的利益已成為眾多國家21世紀(jì)的國家發(fā)展戰(zhàn)略。水聲技術(shù)作為一種先進(jìn)的海中探測和通訊手段，被廣泛地應(yīng)用于海洋學(xué)科的各個領(lǐng)域。研究利用聲吶進(jìn)行水聲定位的技術(shù)越來越多地受到重視，其中水聲測距是各種水聲定位的基礎(chǔ)，水聲測距的精度將直接影響著水聲定位的精度，由此水聲測距方法的探索和研究的重要性可見一斑。

2三種水聲測距方法

2.1　平均聲速法

現(xiàn)假設(shè)聲源位于海面，測得接收深度為H，而實際的接收深度為H+ΔH。由此造成的測距誤差為：

(1)

2.2　多項式近似法

海水介質(zhì)中傳播距離和傳播時間的函數(shù)關(guān)系十分復(fù)雜，用解析形式很難將其表示出來，但是可以用一個多項式近似的將聲線在海洋中的水平傳播距離x和傳播時間t表達(dá)出來。在確定了接收深度h后，根據(jù)掠射角α的值，得到t，將α和t代入相應(yīng)區(qū)域的計算公式中求出水平傳播距離x。再利用斜距與傳播距離、深度關(guān)系確定斜距r2[2]。多項式近似法測距精度也需要借射線方法的結(jié)果來衡量，可定義相對測距精度Δ2。當(dāng)接收深度值有誤差±ΔH時，也會由此而引起測距誤差，這誤差來源于應(yīng)用H深度上的常數(shù)計算深度上的水平距離。

2.3　迭代逼近法

由射線聲學(xué)方程可知，聲傳播距離和傳播時間都時聲線初始掠射角的函數(shù)，在聲源深度、接收深度和聲速分布已知的條件下，對每一個初始掠射角α0，必有一個傳播時間和傳播距離和它相對應(yīng)，根據(jù)聲線這一特性，可以利用迭代方法由傳播時間來確定相應(yīng)的傳播距離[3]。

確定方法：①設(shè)定初始掠射角α0和測得聲傳播時間與算得聲傳播時間差值需滿足的精度，②應(yīng)用射線聲學(xué)方程結(jié)合具體的聲速分布，計算α0條件下的傳播時間t，水平傳播距離x和斜距r。③將算得聲傳播時間和測得聲傳播時間進(jìn)行比較，看兩者差值是否滿足設(shè)定的精度要求，若滿足則算的x和r即為要求的聲出阿布水平距離和斜距；若不滿足則重新設(shè)定初始掠射角，設(shè)定改變依據(jù)是：若算得傳播時間大于測得傳播時間，則將初始掠射角變大，否則將初始掠射角變小。④重復(fù)②和③，直到獲得滿足設(shè)定的精度的距離值，此過程可應(yīng)用“對分區(qū)間套法”來實現(xiàn)。

定義單位深度誤差即單位傳播時間條件下的測距誤差Δ3為：

4)警報聲：當(dāng)本系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控的時候，如果視頻中出現(xiàn)火點，該系統(tǒng)會向正在監(jiān)控的工作人員發(fā)出報警聲，畢竟人的精力是有限的，有時難免會出現(xiàn)一些錯誤，但該系統(tǒng)就很好地彌補(bǔ)了這一點，使森林出現(xiàn)火災(zāi)的時候能夠第一時間讓工作人員了解這一信息，迅速地將火勢控制住。

(2)

式中：t為測得聲傳播時間，R和R′分別為在H和H+ΔH深度上算得的聲傳播距離。

3仿真實驗結(jié)果及分析

3.1　相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

三種模型都建立在射線聲學(xué)方法和實際聲速分布的基礎(chǔ)上，表1中的數(shù)據(jù)是實驗測得數(shù)據(jù)。

表1　聲速實測數(shù)據(jù)

利用這組數(shù)據(jù)將海面到水下2 000 m水域分成16層；經(jīng)過仿真計算，得到了各層的相對聲速梯度值，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　相對聲速梯度

3.2　仿真數(shù)據(jù)及分析

3.2.1平均聲速法仿真數(shù)據(jù)及分析

通過改變初始掠射角和接收深度，利用仿真得到平均聲速法測距模型的相應(yīng)測距精度，仿真得到的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　測距精度隨接收深度、初始掠射角的變化

由仿真結(jié)果可以看出，聲線的初始掠射角對測距精度的影響很大，平均聲速法適用于大掠射角聲線，當(dāng)α1≥8°時，平均聲速法的相對測距精度優(yōu)于5‰。

射線聲學(xué)理論中提到只有小掠射角聲線才能遠(yuǎn)距離傳播，大掠射角聲線的傳播距離比較近。初始掠射角不變，改變接收深度，得到測距精度的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1　測距精度隨接收深度的變化(α=3°)

對應(yīng)的是初始角α=3°時，測距精度Δ1和接收深度H的關(guān)系是：在中間深度上測距誤差較大，在淺海和深海精度較好。接收深度不變，改變初始掠射角，得到測距精度的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2　測距精度隨初始掠射角的變化(H=1 400m)

對應(yīng)的接收深度H=1400m，隨著掠射角的增大，測距精度也相應(yīng)的增大。

而且，聲速還隨深度發(fā)生變化，這種對應(yīng)關(guān)系稱為聲梯。這里給出了不同深度上的平均聲速值，見表4。

表4　聲梯平均值

可以看出，在150 m處，當(dāng)傳播時間t=1時，單位深度誤差引起的平均聲速值變化約為：10 cm左右；而在1 000 m處，此值僅在1 cm左右。

3.2.2多項式法仿真數(shù)據(jù)及分析

多項式近似測距具有很高的測距精度，近程的測距精度要優(yōu)于中程和遠(yuǎn)程，遠(yuǎn)程的測距精度最低；接收深度的變化對測距精度的影響不是很明顯，沒有特定的規(guī)律，表5是對多項式法進(jìn)行仿真后得到結(jié)果。

表5　多項式近似法測距誤差(寬幅)

更進(jìn)一步，可以對深度1500m附近進(jìn)行細(xì)致的數(shù)據(jù)分析，見表6。

表6　多項式近似法(1500m深度)測距誤差(窄幅)

可以看出，多項式近似法的測距精度非常高，但是接收深度誤差引起的測距誤差非常之大。H=1500m相對測距誤差Δ2隨接收深度偏移量的變化趨勢，對照近程、中程和遠(yuǎn)程的變化趨勢，均隨著接收深度偏移量的增大，相對測距誤差Δ2也隨之增大。誤差來源于應(yīng)用H深度上的a0，a1和a2計算H+ΔH深度上的水平傳播距離。由仿真數(shù)據(jù)可以看出，多項式模型的精度對接收深度誤差非常敏感，這是該模型應(yīng)用的一個局限。

3.2.3迭代逼近法仿真數(shù)據(jù)及分析

迭代逼近法法的內(nèi)容在前文已有細(xì)致的介紹，其精度可以是很高的，當(dāng)然這取決于預(yù)先設(shè)定的迭代精度，其收斂速度也很快，仿真過程可以證明以上結(jié)論。仿真是在測得傳播時間t=0.5 s，迭代精度設(shè)定為0.1ms，接收深度變化量為ΔH=10m時的傳播距離R等參數(shù)條件下完成，并根據(jù)具體情況設(shè)置了不同的迭代仿真的次數(shù)，結(jié)果見表7。

表7　迭代逼近法測距誤差

4結(jié)語

筆者主要研究了各種水下測距方法的測距精度，并根據(jù)測距理論建立相關(guān)模型進(jìn)行仿真。論文著重對平均聲速、多項式近似法和迭代逼近法這三種方法進(jìn)行仿真研究。

通過仿真可以看出三種模型都有著很高的測距精度。平均聲速法的測距精度由于受到初始掠射角的影響很大，隨著初始角的增大測距精度也隨之增大，根據(jù)射線聲學(xué)理論中提到的只有小掠射角聲線才能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播，大掠射角聲線的傳播距離比較近，因此平均聲速法適用于大掠射角但傳播距離較近的聲線；多項式近似法同樣具有很高的測距精度，近程的測距精度要優(yōu)于中程和遠(yuǎn)程，接收深度誤差對該方法的測距精度影響非常大，是該方法的一個局限；迭代逼近法相對而言要優(yōu)于其它兩種測距方法，迭代法可以根據(jù)設(shè)定的精度進(jìn)行逼近，仿真結(jié)果顯示迭代法的收斂速度也很快，且接收深度誤差對測距精度的影響不是很大。

參考文獻(xiàn):

[1]楊士莪．水聲傳播原理[M]．哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社．1993：60-87．

[2]劉伯勝，雷家煜．水聲學(xué)原理[M]．哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1993：101-119．

[3]盧曉亭，張林．水聲傳播模型研究現(xiàn)狀綜述[J]．海洋技術(shù)，2010,29(4):48-53.

Average speed of sound acoustic ranging study

CAILong-fei1,YANGLei2

(1.Navy Representative Office in Wuhan 438 Plant, Wuhan 430060,China;

2.School of Electrical and Electronic Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

Abstract：Whether in military or civilian applications, ranging underwater positioning technology has a very urgent development needs, so the distance, positioning method development research is very necessary. Based on the active passive ranging study for the average sound velocity method, through the modeling of the ranging method, simulation,the applicability of this method is analysed.

Key words：underwater acoustic;ranging;simulation model

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.02.019

文章編號：2095-7386(2015)02-0083-04

基金項目：武漢輕工大學(xué)校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(CXXL2014019).

通信作者：王防修(1973-)，男，副教授，E-mail：wfx323@126.com.

作者簡介：余結(jié)(1994-)，男，本科生，E-mail：1165432874@qq.com.

收稿日期：2014-12-12.

中圖分類號：P 733.21

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A