專利名稱：一種基于相關(guān)測(cè)速聲納的載體對(duì)底三維速度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲學(xué)測(cè)量載體對(duì)底速度的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種基 于相關(guān)測(cè)速聲納的測(cè)量載體對(duì)底三維速度的方法。
背景技術(shù)：
相關(guān)測(cè)速聲納測(cè)量載體對(duì)底速度主要采用模型匹配的策略，目前主要方法包括最 大似然法和局域最小二乘法。提出利用最大似然法進(jìn)行相關(guān)測(cè)速聲納測(cè)量載體對(duì)底速度有(I)S. E. Bradley 等人的美國(guó)專利 5315562 “Correlation Sonar System”，最大似 然方法內(nèi)容主要包括A)以級(jí)數(shù)形式給出了相關(guān)聲納陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)理論模型，模型由貝 賽爾函數(shù)和勒讓德函數(shù)構(gòu)成，包括三維速度等9個(gè)參數(shù)，以及由此得到的模型簡(jiǎn)化形式；B) 采用最大似然原理進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)函數(shù)和理論模型匹配；C)采用單純形作為模型匹配的最 優(yōu)化算法。(2)朱維慶等人的中國(guó)專利申請(qǐng)03119666. 7 “相關(guān)測(cè)速聲納測(cè)量載體對(duì)底速度的 方法及其系統(tǒng)”，最大似然法內(nèi)容主要包括A)以貝賽爾函數(shù)形式給出了相關(guān)聲納陣時(shí)空相 關(guān)函數(shù)理論模型，包括水平二維速度等3個(gè)參數(shù)；B)采用最大似然原理進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)函數(shù) 和理論模型匹配；C)采用序列二次規(guī)劃作為模型匹配的最優(yōu)化算法。方法(1)和(2)的共同點(diǎn)是都采用最大似然原理作為測(cè)量載體對(duì)底速度方法的核 心。最大似然法存在明顯的問(wèn)題其一，最大似然的工作前提是假設(shè)信號(hào)干擾為高斯白噪 聲，而實(shí)際工作環(huán)境噪聲并非如此；其二，最大似然法運(yùn)算復(fù)雜，計(jì)算量大，工作周期長(zhǎng)，不 適合實(shí)時(shí)處理。另外，S. E. Bradley等提出的9參數(shù)理論模型為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了較大困難， 用單純形作為最優(yōu)化算法進(jìn)行模型匹配并非最佳的選擇。比較而言，朱維慶等提出的3參 數(shù)理論模型和序列二次規(guī)劃最優(yōu)化算法要更適合于實(shí)際應(yīng)用，但是這個(gè)方法只能測(cè)量載體 對(duì)底的水平二維速度，不能測(cè)量載體對(duì)底的垂向速度。提出利用局域最小二乘法進(jìn)行相關(guān)測(cè)速聲納測(cè)量載體對(duì)底速度有(3)朱維慶等人的中國(guó)專利申請(qǐng)200310115153. 2 “一種相關(guān)測(cè)速聲納測(cè)量載體對(duì) 底速度的方法和系統(tǒng)”，局域最小二乘法內(nèi)容主要包括:A)以貝賽爾函數(shù)形式給出了相關(guān)聲 納陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)理論模型，包括水平二維速度等3個(gè)參數(shù)；B)采用局域最小二乘原理進(jìn) 行數(shù)據(jù)相關(guān)函數(shù)和理論模型匹配；C)采用序列二次規(guī)劃作為模型匹配的最優(yōu)化算法。與方法(1)和方法(2)相比，方法(3)提出的局域最小二乘法解決了最大似然法運(yùn) 算量過(guò)大的問(wèn)題和低信噪比下速度測(cè)量的問(wèn)題，但是仍然無(wú)法測(cè)量載體對(duì)底的垂向速度?？傊?，現(xiàn)有的相關(guān)測(cè)速聲納采用的測(cè)量載體對(duì)底速度的方法在實(shí)時(shí)運(yùn)算速度和測(cè) 量垂向速度等方面仍然存在問(wèn)題和不足。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的相關(guān)測(cè)速聲納測(cè)量載體對(duì)底速度方法的問(wèn)題和不足，提供利用相關(guān)測(cè)速聲納測(cè)量載體對(duì)底三維速度的方法，以及基于這種方法的信號(hào)處理工作 流程設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種基于相關(guān)測(cè)速聲納的載體對(duì)底三維速度 的測(cè)量方法，包括如下步驟1)建立理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)原始模型
R(r, J,廠)=R0 · Φ(τ) · J0 (kr^(2VxT + dx)2+(2VyT + dy)2) · exp [τ + (2V:t + dz)/c^},其中，R(x，d，V)是時(shí)空相關(guān)函數(shù)；Rtl是單通道信號(hào)能量；Φ (τ)是發(fā)射信號(hào)相關(guān) 延時(shí)τ處的相關(guān)函數(shù)；丄(·)是貝賽爾函數(shù)；exp( ·)是指數(shù)函數(shù)；k是波數(shù)；Y是相關(guān)函 數(shù)寬度系數(shù)；τ是相關(guān)延時(shí)，d是接收陣元間的空間矢量，d = (dx，dy，dz) ； COtl是發(fā)射信號(hào) 角頻率；C41是發(fā)射開角θ e內(nèi)的合成聲速，q = C/(1 - θ；/2π)，c是聲速；V是三維速度矢 量，V = (Vx, Vy, Vz)；2)通過(guò)相關(guān)測(cè)速聲納的接收陣列采集底回波數(shù)據(jù)；3)根據(jù)步驟2)所獲得的底回波數(shù)據(jù)和接收陣列各陣元間的相對(duì)位置關(guān)系，對(duì)底 回波數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空相關(guān)處理，得到數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)L( τ，d)組成的時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣；4)計(jì)算載體對(duì)底垂向速度Vz，「z =(p T〉J O ；
N 2ω0τ Re[L(r,i/")]其中，N是接收陣元個(gè)數(shù)；du表示第i陣元和第j陣元之間的空間矢量，L( τ，(Iii) 是時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣對(duì)角線上的元素；tarTY ·)表示整個(gè)坐標(biāo)域的反正切函數(shù)，所述反正 切函數(shù)值域?yàn)?ι，η ] ；Im( ·)和Re( ·)分別表示虛部和實(shí)部；和5)將步驟4)計(jì)算出的載體對(duì)底垂向速度Vz的值代入到步驟1)中所述的理論時(shí) 空相關(guān)函數(shù)原始模型中，得到僅含三個(gè)未知參數(shù)Vx、Vy*、的理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)模型，再利 用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)和理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)模型進(jìn)行匹配，進(jìn)而得到載體對(duì)底 水平二維速度Vx和Vy。其中，其中步驟5)還包括以下步驟，51)確定局域化中心，局域化中心記作d。= (d。x，dcy, dj ；52)以d。為圓心，rad為半徑確定局域化范圍Ω，Ω內(nèi)的空間矢量滿足到局域化 中心 d。的距離不大于 rad，Ω = Idij = Idij-Clc ^ rad}；53)設(shè)置Vx、Vy和γ的初始值和搜索范圍；54)建立包含數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)和理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)模型的目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù) 為P(^) = ^||abs[R(r,^,v)]-abs[L(r, J)]||F
/εΩ其中，μ = (Vx, Vy, Y)表示未知參數(shù)；函數(shù)abs(·)表示求絕對(duì)值；Il · || F是 Frobenius 范數(shù)；55)用序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法獲得使P ( μ )滿足最小的μ的最優(yōu)解，進(jìn)而根據(jù)μ 的最優(yōu)解獲得載體對(duì)底水平二維速度Vx、\。
其中，所述相關(guān)測(cè)速聲納的發(fā)射信號(hào)的時(shí)域相關(guān)函數(shù)在延時(shí)τ處具有峰值，
τ乒0。其中，執(zhí)行所述步驟3)前，還具有第一預(yù)處理步驟，所述第一預(yù)處理步驟包括對(duì) 接收陣元坐標(biāo)進(jìn)行姿態(tài)修正，姿態(tài)修正采用下式A = T · A0其中，Atl是N個(gè)接收陣元的初始坐標(biāo)矩陣，A0 = (a10, a20, · · · aN0) ；ai0是第i個(gè)接 收陣元的三維初始坐標(biāo)列向量，aiQ= (ai0x,ai0y,ai0z)'，i = 1，2，. . N ;A是N個(gè)接收陣元的 修正后的坐標(biāo)矩陣，A= (ai,a2,...aN)； 是第i個(gè)接收陣元的三維修正后的坐標(biāo)列向量， Bi = (aix，aiy, aiz) ‘ , i = 1,2,..N5T是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，T表示式為 這里，w 二 0 + tan2(ρ) + tan2(r)，P和r分別是接收陣列的縱搖角和橫搖角；根據(jù)
修正后的接收陣元坐標(biāo)矩陣A得到所述接收陣元間的空間矢量d。其中，執(zhí)行所述步驟3)前，還具有第二預(yù)處理步驟，所述第二預(yù)處理步驟包括測(cè) 量所述接收陣列附近的水溫Τε，利用水溫T6對(duì)聲速c進(jìn)行修正。在一個(gè)實(shí)施例中，利用水溫Te對(duì)聲速c進(jìn)行修正的方法如下，C = 1410 + 4.27； -0.0377；2 +LliSa +0.01其中，Sa是鹽度(％。)；dp是接收陣列的入水深度，單位是m;所述發(fā)射開角內(nèi)的合成聲速.αφ = c /(1 - θ] / 2π)，聲速c和合成聲速cφ單位是均 為 m/s0其中，所述接收陣元個(gè)數(shù)N不小于3。其中，所述步驟51)還包括將數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)L( τ，d)中的最大值所對(duì)應(yīng)的空 間矢量d作為局域化的中心。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下技術(shù)效果A)采用本發(fā)明提出的參數(shù)分步估計(jì)法，相關(guān)測(cè)速聲納可以測(cè)量載體對(duì)底的三維速 度參數(shù)Vx、Vy、Vz，更好地反映載體的運(yùn)動(dòng)速度。有效地解決了局域最小二乘法只能估計(jì)水 平速度的不足。B)本發(fā)明提出的參數(shù)分步估計(jì)法采用解析方法測(cè)量垂向速度Vz，采用局域最小二 乘法估計(jì)水平速度Vx、Vy，具有較小的計(jì)算量和較好的穩(wěn)健性。不但可以測(cè)量包括載體對(duì)底 的垂向速度在內(nèi)的三維速度，還有效地解決了最大似然法運(yùn)算復(fù)雜、計(jì)算量大的問(wèn)題。C)本發(fā)明提出的基于參數(shù)分步估計(jì)法的信號(hào)處理工作流程設(shè)計(jì)，采用溫度傳感器 進(jìn)行聲速修正和采用姿態(tài)傳感器進(jìn)行接收陣元坐標(biāo)修正，有效地保證了相關(guān)測(cè)速聲納測(cè)量 載體對(duì)底三維速度的精度。信號(hào)處理工作流程中公式簡(jiǎn)單，方便編程，適合于相關(guān)測(cè)速聲納 系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作。
以下，結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1是可以應(yīng)用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的相關(guān)測(cè)速聲納系統(tǒng)組成示意圖；圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中提供的相關(guān)測(cè)速聲納工作流程圖；圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中提供的測(cè)量載體對(duì)底三維速度流程圖；圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中一種相關(guān)測(cè)速聲納發(fā)射信號(hào)實(shí)例的相關(guān)函數(shù)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述為實(shí)現(xiàn)基于相關(guān)測(cè)速聲納的載體對(duì)底三維速度的測(cè)量，本實(shí)施例提出了“參數(shù)分 步估計(jì)法”，同時(shí)還給出了基于所述“參數(shù)分步估計(jì)法”的信號(hào)處理工作流程設(shè)計(jì)方案。最 后，本文還進(jìn)一步示例性地描述了基于相關(guān)測(cè)速聲納的測(cè)量載體對(duì)底三維速度的方法(包 括所涉及的相關(guān)測(cè)速聲納及其附屬裝置，以及測(cè)量載體對(duì)底三維速度的各步驟)的各個(gè)細(xì) 節(jié)。1)參數(shù)分步估計(jì)法本實(shí)施例提供了一種相關(guān)測(cè)速聲納測(cè)量載體對(duì)底三維速度的方法，本發(fā)明中將其 稱為“參數(shù)分步估計(jì)法”。參數(shù)分步估計(jì)法以相關(guān)測(cè)速聲納時(shí)空相關(guān)函數(shù)理論模型為基礎(chǔ)， 測(cè)量載體對(duì)底三維速度。A)相關(guān)測(cè)速聲納時(shí)空相關(guān)函數(shù)理論模型本申請(qǐng)的發(fā)明人利用著名的FOM混響模型(詳見下述3篇文獻(xiàn)P. Faure. Theoretical model of reverberation noise. J. Acoust. Soc. Amer. 1964 ； 36⑵259-266;B.B.奧里雪夫斯基.海洋混響的統(tǒng)計(jì)特性.北京科學(xué)出版社， 1977 ；D. Middleton. A statistical theory of reverberation and similar first-orderscattered fields__I :ffaveforms and the general process. IEEE Trans. Inform. Theory. 1967 ；13(3) :372_392)，推導(dǎo)獲得了相關(guān)測(cè)速聲納的理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)原
始模型
(1)其中R( τ，d，V)是時(shí)空相關(guān)函數(shù)，Rtl是單通道信號(hào)能量，Φ ( τ )是發(fā)射信號(hào)延時(shí) τ處相關(guān)函數(shù)，是貝賽爾函數(shù)，exp(·)是指數(shù)函數(shù)，Qci是發(fā)射信號(hào)角頻率，k是波 數(shù)，q =c/(l-民2/2;r)是發(fā)射開角θ e內(nèi)的合成聲速，c是聲速，γ是相關(guān)函數(shù)寬度系數(shù)， d = (dx，dy，dz)是接收陣元間的空間矢量，V = (Vx, Vy, Vz)是載體對(duì)底三維速度。B)參數(shù)分步估計(jì)法發(fā)明人基于公式(1)，提出了一種參數(shù)分步估計(jì)法來(lái)測(cè)量載體對(duì)底三維速度第1 步，利用解析算法估計(jì)垂向速度；第2步，利用最小二乘法，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論模型進(jìn)行匹 配，估計(jì)出水平二維速度。第1步，取各接收陣元延時(shí)τ處的自相關(guān)函數(shù)
由于Vz << C41,所以可以不考慮相位模糊，得到 其中dan、·)表示整個(gè)坐標(biāo)域的反正切函數(shù)(值域?yàn)?_ η，^]) ；Im( ·)和 Re( ·)分別表示虛部和實(shí)部。因此，可得Vz表示式
相關(guān)測(cè)速聲納一般包括多個(gè)(3個(gè)以上)接收陣元，每個(gè)接收陣元可相應(yīng)地得到一 個(gè)Vz值。本實(shí)施例中，對(duì)各個(gè)接收陣元所對(duì)應(yīng)的Vz值求平均，得出最終的垂向速度vz。第2步，將所述垂向速度Vz帶入公式(1)，公式⑴中的未知參數(shù)還有Vx、Vy和Y。 采用局域最小二乘法對(duì)vx、Vy和Y進(jìn)行估計(jì)，獲得載體對(duì)底的水平二維速度。局域最小二 乘法提供的目標(biāo)函數(shù)形式為 其中μ = (Vx, Vy, Y )表示未知參數(shù)，函數(shù)abs ( ·)表示求絕對(duì)值，Ω是空間相 關(guān)函數(shù)最大值附近的局域化范圍，Il · Il F是Frobenius范數(shù)，L( τ，d)是延時(shí)τ處的數(shù)據(jù) 相關(guān)函數(shù)，R(t，d，v)采用公式(1)形式。然后采用序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法估計(jì)出使Ρ( μ) 滿足最小時(shí)μ的最優(yōu)解。從而獲得了載體對(duì)底水平二維速度vx、vy。本實(shí)施例中，參數(shù)分步估計(jì)法通過(guò)解析法和局域最小二乘法兩步測(cè)量出載體對(duì)底 的三維速度。2)基于參數(shù)分步估計(jì)法的聲納信號(hào)處理以參數(shù)分步估計(jì)法為核心，在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到水溫和載體的縱搖和橫搖等因 素，本發(fā)明還提供了一種相關(guān)測(cè)速聲納信號(hào)處理方法，包括以下步驟A)選擇發(fā)射信號(hào)并發(fā)射，該發(fā)射信號(hào)在相關(guān)延時(shí)τ ( τ ^ 0)處具有峰值；B)采集姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)，獲得載體的縱搖角ρ (以船頭高于船尾為正)和橫搖角 r(以左舷高于右舷為負(fù))，利用公式(6)對(duì)相關(guān)測(cè)速聲納接收陣元空間坐標(biāo)進(jìn)行修正A = T · A0(6)A0 = (a10, a20,. . . aN0)是 N 個(gè)接收陣元的設(shè)計(jì)坐標(biāo)矩陣；ai(1 = (ai0x, ai0y, ai0z) ' (i =1,2,..N)是第i個(gè)接收陣元的三維設(shè)計(jì)坐標(biāo)列向量。A= (ai，a2，...aN)是N個(gè)接收陣 元的修正后的坐標(biāo)矩陣叫=(aix, aiy, aiz) ‘ (i = 1，2，. . N)是第i個(gè)接收陣元的三維修 正坐標(biāo)列向量。T是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，表示式如下T = 速c φ
(V)
這里，w = Vl + tan2(^) + tan2(r) ’p和r分別是接收陣列的縱搖角和橫搖角； C)采集接收陣列表面水溫，獲得接收陣列表面水域聲速c和發(fā)射開角內(nèi)的合成聲
D)采集各接收陣元底回波數(shù)據(jù)，求空間矢量d和數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)L(x，d)；
E)進(jìn)行參數(shù)分步估計(jì)法第1步估計(jì)，采用公式(4)，并將其中的，0，V)更換為 L(t，0)，獲得垂向速度Vz0執(zhí)行參數(shù)分步估計(jì)法第2步，將垂向速度Vz帶入公式(1)得到理論相關(guān)函數(shù)模型。 設(shè)置未知參數(shù)Vx、Vy* Y的初始值和搜索范圍，設(shè)置局域化范圍，利用局域最小二乘法估計(jì) Vx、Vy* Y。其中局域最小二乘法的目標(biāo)函數(shù)形式如公式(5)。F)參數(shù)分步估計(jì)法最終估計(jì)出Vx、Vy、Vz和Y，存儲(chǔ)測(cè)速結(jié)果并對(duì)外輸出。3)基于相關(guān)測(cè)速聲納的測(cè)量載體對(duì)底三維速度的方法本實(shí)施例提供了一種基于相關(guān)測(cè)速聲納的測(cè)量載體對(duì)底三維速度的方法。圖1是 可以應(yīng)用本實(shí)施例的相關(guān)測(cè)速聲納系統(tǒng)。接收陣列由N個(gè)接收陣元101組成。接收陣元個(gè) 數(shù)N不小于3。各接收陣元獲得的底回波數(shù)據(jù)由多路同步數(shù)據(jù)采集單元102采集并轉(zhuǎn)換成 數(shù)字形式。發(fā)射陣列由M個(gè)發(fā)射陣元103組成。發(fā)射單元104產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)，該發(fā)射信號(hào) 用于驅(qū)動(dòng)M個(gè)發(fā)射陣元并聯(lián)發(fā)射。溫度傳感器105用來(lái)獲得接收陣列表面的水溫。姿態(tài)傳 感器106用來(lái)獲得載體的縱搖角和橫搖角?？刂茊卧?07實(shí)現(xiàn)控制功能，用于控制多路同 步數(shù)據(jù)采集單元102、發(fā)射單元104、溫度傳感器105及姿態(tài)傳感器106的工作，并分別從溫 度傳感器105和姿態(tài)傳感器106獲得接收陣列表面的水溫和載體的縱搖角、橫搖角。處理 單元108完成處理功能，主要對(duì)多路同步數(shù)據(jù)采集單元102輸出的數(shù)字形式的底回波數(shù)據(jù) 以及控制單元107輸出的接收陣列表面的水溫和載體的縱搖角、橫搖角進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得 出載體對(duì)底三維速度。三維速度結(jié)果可以顯示在顯示器109上，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)110或串 口 111對(duì)外傳輸。根據(jù)本實(shí)施例的相關(guān)測(cè)速聲納工作流程為步驟201 相關(guān)測(cè)速聲納系統(tǒng)開始運(yùn)行。步驟202 發(fā)射單元產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)。所產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)的時(shí)域相關(guān)函數(shù)在延時(shí) τ (τ興0)處具有峰值。參考圖4，該圖是一個(gè)發(fā)射信號(hào)實(shí)例的時(shí)域相關(guān)函數(shù)的曲線圖。 所述發(fā)射信號(hào)的例子是由2個(gè)相同的13位巴克碼1111100110101的順序排列組成，即為 11111001101011111100110101。由圖4可知，在相關(guān)延時(shí)τ = 13時(shí)，所述發(fā)射信號(hào)的時(shí)域 相關(guān)函數(shù)具有較大峰值。選擇符合上述條件的發(fā)射信號(hào)能夠提高底回波數(shù)據(jù)的信噪比。步驟203 發(fā)射陣列將所選擇的發(fā)射信號(hào)發(fā)射出去。步驟204 控制單元采集來(lái)自姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，獲得載體的縱搖角ρ和橫搖角r。步驟205 對(duì)接收陣元坐標(biāo)進(jìn)行姿態(tài)修正。利用公式(7)獲得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣T
(tan2 + tan2 (r)/ )/( 2 -1) - ta.n{p) tan(r) /[u(u +1)] -tan(r)/u -tan(/ ) tan(r) /[u(u +1)] (tan2 (r) + tan2 (p) / u) /(M2 -1) - \an(p) / u tan(r) / utan(/>) IuMu這里，w = + tan2O)+ tan2O)，P和r分別是接收陣列的縱搖角和橫搖角。利
用公式(6)對(duì)N個(gè)接收陣元的設(shè)計(jì)坐標(biāo)矩陣Atl進(jìn)行修正，獲得修正后的坐標(biāo)矩陣AA = T · A0(6)步驟206:控制單元還采集溫度傳感器的數(shù)據(jù)，獲得接收陣列表面的水溫為 Te(°C )。步驟207 求接收陣列表面水域聲速c和發(fā)射開角內(nèi)的合成聲速％。利用聲速經(jīng) 驗(yàn)公式(8)c = 1410 + 4.27；-0.0377；2+I-ISa+0.018"p{mis)(8)其中Sa是鹽度(%0)，dp是接收陣列的入水深度(m)，并且這2個(gè)參數(shù)值是已知的 或者可以被預(yù)先確定。由聲速c獲得發(fā)射開角內(nèi)的合成聲速 =C/(1-《2/2;T)。步驟208 多路同步數(shù)據(jù)采集單元采集底回波數(shù)據(jù)，第i接收陣元和第j接收陣元 對(duì)應(yīng)的底回波數(shù)據(jù)分別為Si (t)、Sj⑴。步驟209 求空間矢量，對(duì)底回波數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空相關(guān)處理，得到數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)函 數(shù)。通過(guò)公式(9)、公式(10)分別獲得第i接收陣元和第j接收陣元之間的空間矢量Clij和 數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)τ)。Ciij- = (d。、，CiiJyj Ciijz) = a「aj = (ais—ajS ajy—ajy ajZ—ajz)(9)L.. (r) = f S； (t - t)Sj (t)dt(10)其中T是發(fā)射信號(hào)脈寬；“*”表示共軛。各接收陣元間空間矢量構(gòu)成d = (ClijI， 數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)矩陣 (τ) = {‘.(τ)}。由于矩陣中的各元、_(τ)與空間矢量相對(duì)應(yīng)， 因此，L(T)也寫作L(t，d)。步驟300 利用參數(shù)分步估計(jì)法測(cè)量載體對(duì)底三維速度。步驟210 存儲(chǔ)、顯示測(cè)速結(jié)果，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或串口傳輸數(shù)據(jù)。步驟211 判斷工作是否終止。如果工作終止，進(jìn)入步驟212 ；否則，返回步驟202， 繼續(xù)工作。
速度Vz
步驟212 停止工作。
如圖3所示，步驟300包括如下子步驟
步驟301 參數(shù)分步估計(jì)法的計(jì)算步驟開始。
步驟302 首先計(jì)算載體對(duì)底的垂向速度Vz。利用公式(11)計(jì)算載體對(duì)底的垂向
κ =-丄 fitanVm[L( )]:
ζ Ν^2ω0τ VRe[L(r,i/,)]
步驟303:將Vz代入公式(1)
(11)
10 得到僅包含3個(gè)未知參數(shù)，即Vx、Vy* Y，的理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)模型。步驟304 根據(jù)空間矢量確定局域化范圍Ω。選取L( τ，d)中的最大值所對(duì)應(yīng)的 空間矢量d作為局域化的中心，記作d。= (d。x，d。y，d。z)。以d。為圓心，rad = 4X為半徑確 定局域化范圍Ω 也即局域化范圍Ω內(nèi)的空間矢量滿足到局域化中心d。的距離不大于rad。步驟305 然后，選取設(shè)置Vx、Vy* γ的初始值和搜索范圍。Vx、Vy*、的初始值 分別設(shè)置為0、0、1。^和\的搜索范圍都為(-20，20)，單位!11/8;^的搜索范圍為(0.2， 2. 0)，無(wú)單位。步驟306 利用序列二次規(guī)劃對(duì)Vx、Vy和γ進(jìn)行搜索。建立包含數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)函 數(shù)和理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)模型的目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)形式為公式(5)。PC") = XlabstRCr^^^-abstLCr,^)]^(5)
den利用序列二次規(guī)劃對(duì)Vx、Vy和Y進(jìn)行搜索，獲得滿足目標(biāo)函數(shù)的Vx、Vy和Y最優(yōu)解。步驟307 得到載體對(duì)底三維速度。步驟306所獲得滿足目標(biāo)函數(shù)的Vx、Vy和、 最優(yōu)解中的Vx、vy作為載體對(duì)底三維速度中的Vx、Vy，步驟302所獲得的Vz即載體對(duì)底三維 速度中的Vz。步驟308 參數(shù)分步估計(jì)法的計(jì)算步驟結(jié)束。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明，在相同的計(jì)算平臺(tái)上，采用本發(fā)明提出的參數(shù)分步估計(jì)方法所用的 時(shí)間約為采用最大似然法的一半，而三維測(cè)速精度近似或優(yōu)于采用最大似然法。采用參數(shù) 分步估計(jì)方法與單純使用局域最小二乘法相比能夠獲得垂向速度，而且還能夠提高水平速 度的精度。以上所述的具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案以及有益效果進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō) 明。所應(yīng)理解的是，上述內(nèi)容僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明。凡在本 發(fā)明的精神與原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換以及改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于相關(guān)測(cè)速聲納的載體對(duì)底三維速度測(cè)量方法，包括如下步驟1)建立理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)原始模型 <mrow><mi>R</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>,</mo> <mi>d</mi> <mo>,</mo> <mi>V</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>R</mi> <mn>0</mn></msub><mo>·</mo><mi>Φ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><msub> <mi>J</mi> <mn>0</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>kγ</mi> <msqrt><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>V</mi> </mrow> <mi>x</mi></msub><mi>τ</mi><mo>+</mo><msub> <mi>d</mi> <mi>x</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>V</mi> </mrow> <mi>y</mi></msub><mi>τ</mi><mo>+</mo><msub> <mi>d</mi> <mi>y</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </msqrt> <mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mi>exp</mi><mo>{</mo><mo>-</mo><mi>j</mi><msub> <mi>ω</mi> <mn>0</mn></msub><mo>[</mo><mi>τ</mi><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub><mi>V</mi><mi>z</mi> </msub> <mi>τ</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>d</mi><mi>z</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub> <mi>c</mi> <mi>φ</mi></msub><mo>]</mo><mo>}</mo><mo>,</mo> </mrow>其中，R(τ，d，V)是時(shí)空相關(guān)函數(shù)；R0是單通道信號(hào)能量；Φ(τ)是發(fā)射信號(hào)相關(guān)延時(shí)τ處的相關(guān)函數(shù)；J0(·)是貝賽爾函數(shù)；exp(·)是指數(shù)函數(shù)；k是波數(shù)，γ是相關(guān)函數(shù)寬度系數(shù)；τ是相關(guān)延時(shí)，d是接收陣元間的空間矢量，d＝(dx，dy，dz)；ω0是發(fā)射信號(hào)角頻率；cφ是發(fā)射開角θe內(nèi)的合成聲速，c是聲速；V是三維速度矢量，V＝(Vx，Vy，Vz)；2)通過(guò)相關(guān)測(cè)速聲納的接收陣列采集底回波數(shù)據(jù)；3)根據(jù)步驟2)所獲得的底回波數(shù)據(jù)和接收陣列各陣元間的相對(duì)位置關(guān)系，對(duì)底回波數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空相關(guān)處理，得到數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)L(τ，d)組成的時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣；4)計(jì)算載體對(duì)底垂向速度Vz， <mrow><msub> <mi>V</mi> <mi>z</mi></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mfrac> <msub><mi>c</mi><mi>φ</mi> </msub> <mrow><mn>2</mn><msub> <mi>ω</mi> <mn>0</mn></msub><mi>τ</mi> </mrow></mfrac><msup> <mi>tan</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mi>Im</mi> <mo>[</mo> <mi>L</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>,</mo><msub> <mi>d</mi> <mi>ii</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo></mrow><mrow> <mi>Re</mi> <mo>[</mo> <mi>L</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>,</mo><msub> <mi>d</mi> <mi>ii</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>其中，N是接收陣元個(gè)數(shù)；dij表示第i陣元和第j陣元之間的空間矢量，L(τ，dii)是時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣對(duì)角線上的元素；tan 1(·)表示整個(gè)坐標(biāo)域的反正切函數(shù)，所述反正切函數(shù)值域?yàn)? π，π]；Im(·)和Re(·)分別表示虛部和實(shí)部；和5)將步驟4)計(jì)算出的載體對(duì)底垂向速度Vz的值代入到步驟1)中所述的理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)原始模型中，得到僅含三個(gè)未知參數(shù)Vx、Vy和γ的理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)模型，再利用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)和理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)模型進(jìn)行匹配，進(jìn)而得到載體對(duì)底水平二維速度Vx和Vy。F2009100865532C0000012.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的載體對(duì)底三維速度測(cè)量方法，其中步驟5)還包括以下步驟，51)確定局域化中心，局域化中心記作d。=(d。x，dcy，dj ；52)以d。為圓心，rad為半徑確定局域化范圍Ω，Ω內(nèi)的空間矢量滿足到局域化中心 dc 的距離不大于 rad, Ω = Idij | dirdc | 彡 rad}；53)設(shè)置\、\和γ的初始值和搜索范圍；54)建立包含數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)和理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)模型的目標(biāo)函數(shù)，所述目標(biāo)函數(shù)為ημ) = X||abs[R(r,J,v)]-abs[L(r^)]||FdeQ其中，μ = (Vx, Vy, Y)表示未知參數(shù)；函數(shù)abs(·)表示求絕對(duì)值；Il · “是 Frobenius 范數(shù)；55)用序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法獲得使Ρ(μ)滿足最小的μ的最優(yōu)解，進(jìn)而根據(jù)μ的最 優(yōu)解獲得載體對(duì)底水平二維速度Vx、\。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的載體對(duì)底三維速度測(cè)量方法，其特征在于，所述相關(guān)測(cè)速聲 納的發(fā)射信號(hào)的時(shí)域相關(guān)函數(shù)在延時(shí)τ處具有峰值，τ興O。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的載體對(duì)底三維速度測(cè)量方法，其特征在于，執(zhí)行所述 步驟3)之前，還具有第一預(yù)處理步驟，所述第一預(yù)處理步驟包括對(duì)接收陣元進(jìn)行姿態(tài)修 正，得到經(jīng)過(guò)姿態(tài)修正后的所述接收陣元間的空間矢量d。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的載體對(duì)底三維速度測(cè)量方法，其特征在于，執(zhí)行所述步驟3) 之前，還具有第二預(yù)處理步驟，所述第二預(yù)處理步驟包括測(cè)量所述接收陣列附近的水溫 Te，利用水溫Te對(duì)聲速c進(jìn)行修正。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的載體對(duì)底三維速度測(cè)量方法，其特征在于，執(zhí)行所述 步驟3)之前，還具有預(yù)處理步驟，所述預(yù)處理步驟包括測(cè)量所述接收陣列附近的水溫Te， 利用水溫Te對(duì)聲速c進(jìn)行修正。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的載體對(duì)底三維速度測(cè)量方法，其特征在于，所述接收陣元個(gè) 數(shù)N不小于3。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于相關(guān)測(cè)速聲納的載體對(duì)底三維速度測(cè)量方法，包括如下步驟1)建立理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)模型；2)通過(guò)相關(guān)測(cè)速聲納的接收陣列采集底回波數(shù)據(jù)；3)根據(jù)步驟2)所獲得的底回波數(shù)據(jù)和接收陣列各陣元間的相對(duì)位置關(guān)系，得到時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣；4)基于理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)模型用解析法計(jì)算載體對(duì)底垂向速度Vz；5)將步驟4)計(jì)算出的垂向速度Vz的值代入到步驟1)中所述的理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)模型中，再利用最小二乘法得到載體對(duì)底水平二維速度Vx和Vy。本發(fā)明能夠計(jì)算載體對(duì)底的三維速度，并且能夠大幅減小計(jì)算量。
文檔編號(hào)G01S15/58GK101923168SQ20091008655
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2009年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者馮雷, 朱維慶, 汪玉玲, 潘鋒, 王長(zhǎng)紅, 邱薇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所