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CN110309581B - 一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法 - Google Patents

一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法，所述布局方法包括以下步骤：步骤一：建立潜标位置校准模型；步骤二：确定不同声信号传播距离的时延测量误差关系式；步骤三：构建潜标位置单点校准精度数学模型；步骤四：选取潜标预估位置区域，在此区域内选取N个点利用步骤一至步骤三所述方法构造区域校准精度目标函数，当目标函数取得最小值时，此时的(xi,yi)即为测量点位置的最优值；步骤五：采用人工蜂群算法求解步骤四中的目标函数F，获得测量点优化布局结果。本发明的方法具有更符合实际情况、优化速度更快、测量更加准确等优点。

Description

一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法
技术领域
本发明属于水下潜标布局领域，提出了一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法。
背景技术
开发和利用海洋资源必须首先探知海洋。为实现声学信息的采集及海洋探测等目的，潜标系统应运而生并且被广泛应用于实践当中。潜标系统是一种获取海洋环境信息的有效手段，它可以在恶劣的海洋环境条件下长期、连续、隐蔽地在水下工作，对过往船只、水中运动目标和各种海况下的环境噪声信息进行收集。同时潜标系统独立自主工作能力较好，自动化程度高。近年来，潜标系统已经被广泛应用于国防军事、海洋科学研究、水下工程前期调查、海洋开发等各个领域。潜标作为整个潜标系统的支撑点，在工作前必须首先对潜标位置进行校准，其校准精度直接影响整个系统的工作性能。因此，潜标位置校准问题一直是各国学者研究的重点问题。
目前海底潜标位置校准方法主要包括投放位置标示法、垂线相交法、超短基线定位校准法以及绝对校准法，其中绝对校准法是一种基于到达时间TOA(time of arrival)的校准方法。它主要采用测量船搭载船载声呐对待测潜标进行测定，测量船配备有卫星定位系统，然后通过测量信号由测量船到待测潜标之间的时延信息，采用几何交汇的方法解算得到待测潜标的绝对位置。传统的绝对校准过程中，一般选取成矩形的四个测量点上的相关信息利用球交汇模型进行解算。通常情况下，待测潜标深度由潜标自带的测深系统测出，当待测潜标深度已知时，球交汇模型退化为圆交汇模型。测量过程中，潜标入水后，由于水下水流环境十分复杂，导致潜标的工作位置距离投放位置有着一定偏差。此时，测量点布局将直接影响到潜标位置的校准精度。传统的测量点布局手段一般采用固定时延测量误差和蒙特卡洛方法进行，然而时延测量误差与声信号传播距离直接相关，采用固定误差分析不符合实际情况，同时蒙特卡洛方法耗时过长，不适合实时分析校准精度。此外，由于潜标偏离预定投放位置一定距离，此时若仍然采用预定投放点单点为中心点进行测量点布局与实际情况并不相符。
发明内容
本发明的目的是提出一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法，以解决现有的水下潜标布局方法潜标位置精度差的问题，该方法能够以潜标预估区域为中心区域快速且合理地优化潜标位置校准的测量点布局，从而有效地提高潜标位置的校准精度。
本发明通过以下技术方案实现：一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法，所述布局方法包括以下步骤：
步骤一：建立潜标位置校准模型；
步骤二：确定不同声信号传播距离的时延测量误差关系式；
步骤三：构建潜标位置单点校准精度数学模型；
步骤四：选取潜标预估位置区域，在此区域内选取N个点利用步骤一至步骤三所述方法构造区域校准精度目标函数，即：
Figure BDA0002109876190000021
其中，K为N个点中的一个点，HDOPk为第K点的校准精度，当目标函数取得最小值时，此时的(xi,yi)即为测量点位置的最优值；
步骤五：采用人工蜂群算法求解步骤四中的目标函数F，获得测量点优化布局结果。
进一步的，在步骤一中，具体的，选取四个测量点组成矩形，其校准方程为：
Figure BDA0002109876190000022
其中，(x,y)为待测阵元位置坐标，i为测量点序号，(xi,yi)为测量点位置坐标，ti为声信号由测量船到待测潜标所需的时延，h为为测量船声头与待测潜标之间深度差，c为海中声速。
进一步的，在步骤二中包括以下步骤：
步骤二一：基于Bellhop声场模型确定声速梯度以及声传播损失TL与声信号传播距离的关系，将确立的TL代入信噪比计算公式确定信噪比SNR：
SNR＝SL-NL-TL
其中，SL为声源级，NL为海洋环境噪声级；
步骤二二：根据克拉美罗下界，获得时延测量误差dt的均方误差下界表示式：
Figure BDA0002109876190000031
其中，T1为信号持续时间，fH为信号的频率上限，fL为信号的频率下限，SNR为信噪比，T1、fH、fL参数由潜标位置校准系统确定，信噪比由上述Bellhop声场模型确定。
进一步的，在步骤三中，具体的：根据校准模型写出各项参数误差与校准精度dx、dy之间的关系：
Figure BDA0002109876190000032
其中，E()表示取期望，
Figure BDA0002109876190000033
Figure BDA0002109876190000034
Figure BDA0002109876190000035
Figure BDA0002109876190000041
Figure BDA0002109876190000042
Dh＝[d2h]，Dc＝[d2c]
用HDOP表述校准精度，则有：
Figure BDA0002109876190000043
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法，该方法相对于传统方法的优势主要在于：
1)通过Bellhop声场模型确定不同声信号传播距离的时延测量误差关系式，使得时延测量误差更加准确，结果更加可信。
2)通过构建潜标位置校准精度数学模型进行校准精度分析，使得运算速度较蒙特卡洛方法得到了极大地提升，能够对测量点布局进行快速优化。
3)选择潜标预估位置区域构造区域校准精度目标函数而不是以投放点进行单点分析，与事实吻合，所获结果更贴近实际情况。
附图说明
图1为本发明的一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法的方法流程图；
图2为声速梯度及传播损失与距离关系，其中图2(a)为声速梯度图；图2(b)为传播损失与距离关系图；
图3为水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1所示，本发明通过以下技术方案实现：一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法，所述布局方法包括以下步骤：
步骤一：建立潜标位置校准模型；
步骤二：确定不同声信号传播距离的时延测量误差关系式；
步骤三：构建潜标位置单点校准精度数学模型；
步骤四：选取潜标预估位置区域，在此区域内选取N个点利用步骤一至步骤三所述方法构造区域校准精度目标函数，即：
Figure BDA0002109876190000051
其中，K为N个点中的一个点，HDOPk为第K点的校准精度，当目标函数取得最小值时，此时的(xi,yi)即为测量点位置的最优值；
步骤五：采用人工蜂群算法求解步骤四中的目标函数F，获得测量点优化布局结果。
参照图1所示，在本部分优选实施例中，在步骤一中，具体的，选取四个测量点组成矩形，其校准方程为：
Figure BDA0002109876190000052
其中，(x,y)为待测阵元位置坐标，i为测量点序号，(xi,yi)为测量点位置坐标，ti为声信号由测量船到待测潜标所需的时延，h为为测量船声头与待测潜标之间深度差，c为海中声速。
参照图1所示，在本部分优选实施例中，在步骤二中包括以下步骤：
步骤二一：基于Bellhop声场模型确定声速梯度以及声传播损失TL与声信号传播距离的关系，将确立的TL代入信噪比计算公式确定信噪比SNR：
SNR＝SL-NL-TL
其中，SL为声源级，NL为海洋环境噪声级；
步骤二二：根据克拉美罗下界，获得时延测量误差dt的均方误差下界表示式：
Figure BDA0002109876190000053
其中，T1为信号持续时间，fH为信号的频率上限，fL为信号的频率下限，SNR为信噪比，T1、fH、fL等参数由潜标位置校准系统确定，信噪比由上述Bellhop声场模型确定。
参照图2所示，在本部分优选实施例中，在步骤三中，具体的：由于步骤一所述校准模型误差来源于各项参数测量误差，即：声速测量误差dc，时延测量误差dti，深度差测量误差dh，测量点位置GPS定位误差dxi、dyi。
根据校准模型写出各项参数误差与校准精度dx、dy之间的关系：
Figure BDA0002109876190000061
其中，E()表示取期望，
Figure BDA0002109876190000062
Figure BDA0002109876190000063
Figure BDA0002109876190000064
Figure BDA0002109876190000065
Figure BDA0002109876190000071
Dh＝[d2h]，Dc＝[d2c]
用HDOP表述校准精度，则有：
Figure BDA0002109876190000072
下面提供一个具体的实施算例：
采用仿真数据对本发明所设计的水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法进行验证，并对过程结果进行说明。
首先给出各参数如下：测量船声头入水6m，测量船运动速度为8m/s，声信号频率上限fL为10kHz，频率下限fH为11kHz。声速测量误差dc为0.5m/s，时延测量误差dti由Bellhop声学模型确定。发射声源级SL为195dB，噪声级NL为三级海况时噪声谱级63dB。深度差测量误差dh为0.2m，测量点位置GPS定位误差为2m。潜标预估位置区域为以坐标原点(0，0)为圆心，半径为25m的圆形区域。潜标深度为200m，选取区域内5000个点进行解算。首先给出Bellhop声学模型确定的声速梯度及声传播损失与距离关系图，如图2所示。最后即可获得测量点优化布局结果如图3所示。解算所用时间约为285s，区域校准精度约为2.49m。可以得到四个最佳测量点位置分别为(449.1,449.3)、(449.1,-449.3)、(-449.1,-449.3)、(-449.1,449.3)。
仿真数据处理结果说明本发明所设计的方法可以对测量点布局进行快速优化，从而有效提高潜标位置校准精度。

Claims (4)

1.一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法，其特征在于，所述布局方法包括以下步骤：
步骤一：建立潜标位置校准模型；
步骤二：确定不同声信号传播距离的时延测量误差关系式；
步骤三：构建潜标位置单点校准精度数学模型；
步骤四：选取潜标预估位置区域，在此区域内选取N个点利用步骤一至步骤三所述方法构造区域校准精度目标函数，即：
Figure FDA0003856613580000011
其中，K为N个点中的一个点，HDOPk为第K点的校准精度，当目标函数取得最小值时，此时的(xi,yi)即为测量点位置的最优值；
步骤五：采用人工蜂群算法求解步骤四中的目标函数F，获得测量点优化布局结果。
2.根据权利要求1所述的一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法，其特征在于，在步骤一中，具体的，选取四个测量点组成矩形，其校准方程为：
Figure FDA0003856613580000012
其中，(x,y)为待测阵元位置坐标，i为测量点序号，(xi,yi)为测量点位置坐标，ti为声信号由测量船到待测潜标所需的时延，h为测量船声头与待测潜标之间深度差，c为海中声速。
3.根据权利要求1所述的一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法，其特征在于，在步骤二中包括以下步骤：
步骤二一：基于Bellhop声场模型确定声速梯度以及声传播损失TL与声信号传播距离的关系，将确立的TL代入信噪比计算公式确定信噪比SNR：
SNR＝SL-NL-TL
其中，SL为声源级，NL为海洋环境噪声级；
步骤二二：根据克拉美罗下界，获得时延测量误差dt的均方误差下界表示式：
Figure FDA0003856613580000021
其中，T1为信号持续时间，fH为信号的频率上限，fL为信号的频率下限，SNR为信噪比，T1、fH、fL参数由潜标位置校准系统确定，信噪比由上述Bellhop声场模型确定。
4.根据权利要求2所述的一种水下潜标位置综合校准测量点快速优化布局方法，其特征在于，在步骤三中，具体的：根据校准模型写出各项参数误差与校准精度dx、dy之间的关系：
Figure FDA0003856613580000022
其中，E()表示取期望，
Figure FDA0003856613580000023
Figure FDA0003856613580000024
Figure FDA0003856613580000031
Figure FDA0003856613580000032
Figure FDA0003856613580000033
Dh＝[d2h]，Dc＝[d2c]
用HDOP表述校准精度，则有：
Figure FDA0003856613580000034
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