水声测距技术方法仿真研究

蔡龙飞，杨　蕾

(1.海军驻武汉438厂 军事代表室，湖北 武汉 430060；2.武汉轻工大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430023)



水声测距技术方法仿真研究

蔡龙飞1，杨蕾2

(1.海军驻武汉438厂 军事代表室，湖北 武汉 430060；2.武汉轻工大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430023)

摘要：不管是在军事应用还是民用方面，水下测距技术的发展都有着非常迫切的需求，因此对各种测距方法开发研究是非常必要的。本文在主、被动测距原理的基础上查找各种测距模型及其解算方法，比较其优缺点。通过对平均声速测距模型，多项式近似测距模型，迭代逼近测距模型的仿真研究，分析研究了三种测距方法的适用性。

关键词：水声；测距；仿真模型

1引言

从海洋中获得更大的利益已成为众多国家21世纪的国家发展战略。水声技术作为一种先进的海中探测和通讯手段，被广泛地应用于海洋学科的各个领域。研究利用声呐进行水声定位的技术越来越多地受到重视，其中水声测距是各种水声定位的基础，水声测距的精度将直接影响着水声定位的精度，由此水声测距方法的探索和研究的重要性可见一斑。

2三种水声测距方法

2.1　平均声速法

现假设声源位于海面，测得接收深度为H，而实际的接收深度为H+ΔH。由此造成的测距误差为：

(1)

2.2　多项式近似法

海水介质中传播距离和传播时间的函数关系十分复杂，用解析形式很难将其表示出来，但是可以用一个多项式近似的将声线在海洋中的水平传播距离x和传播时间t表达出来。在确定了接收深度h后，根据掠射角α的值，得到t，将α和t代入相应区域的计算公式中求出水平传播距离x。再利用斜距与传播距离、深度关系确定斜距r2[2]。多项式近似法测距精度也需要借射线方法的结果来衡量，可定义相对测距精度Δ2。当接收深度值有误差±ΔH时，也会由此而引起测距误差，这误差来源于应用H深度上的常数计算深度上的水平距离。

2.3　迭代逼近法

由射线声学方程可知，声传播距离和传播时间都时声线初始掠射角的函数，在声源深度、接收深度和声速分布已知的条件下，对每一个初始掠射角α0，必有一个传播时间和传播距离和它相对应，根据声线这一特性，可以利用迭代方法由传播时间来确定相应的传播距离[3]。

确定方法：①设定初始掠射角α0和测得声传播时间与算得声传播时间差值需满足的精度，②应用射线声学方程结合具体的声速分布，计算α0条件下的传播时间t，水平传播距离x和斜距r。③将算得声传播时间和测得声传播时间进行比较，看两者差值是否满足设定的精度要求，若满足则算的x和r即为要求的声出阿布水平距离和斜距；若不满足则重新设定初始掠射角，设定改变依据是：若算得传播时间大于测得传播时间，则将初始掠射角变大，否则将初始掠射角变小。④重复②和③，直到获得满足设定的精度的距离值，此过程可应用“对分区间套法”来实现。

定义单位深度误差即单位传播时间条件下的测距误差Δ3为：

4)警报声：当本系统进行实时监控的时候，如果视频中出现火点，该系统会向正在监控的工作人员发出报警声，毕竟人的精力是有限的，有时难免会出现一些错误，但该系统就很好地弥补了这一点，使森林出现火灾的时候能够第一时间让工作人员了解这一信息，迅速地将火势控制住。

(2)

式中：t为测得声传播时间，R和R′分别为在H和H+ΔH深度上算得的声传播距离。

3仿真实验结果及分析

3.1　相关基础数据

三种模型都建立在射线声学方法和实际声速分布的基础上，表1中的数据是实验测得数据。

表1　声速实测数据

利用这组数据将海面到水下2 000 m水域分成16层；经过仿真计算，得到了各层的相对声速梯度值，数据如表2所示。

表2　相对声速梯度

3.2　仿真数据及分析

3.2.1平均声速法仿真数据及分析

通过改变初始掠射角和接收深度，利用仿真得到平均声速法测距模型的相应测距精度，仿真得到的数据如表3所示。

表3　测距精度随接收深度、初始掠射角的变化

由仿真结果可以看出，声线的初始掠射角对测距精度的影响很大，平均声速法适用于大掠射角声线，当α1≥8°时，平均声速法的相对测距精度优于5‰。

射线声学理论中提到只有小掠射角声线才能远距离传播，大掠射角声线的传播距离比较近。初始掠射角不变，改变接收深度，得到测距精度的变化规律如图1所示。

图1　测距精度随接收深度的变化(α=3°)

对应的是初始角α=3°时，测距精度Δ1和接收深度H的关系是：在中间深度上测距误差较大，在浅海和深海精度较好。接收深度不变，改变初始掠射角，得到测距精度的变化规律如图2所示。

图2　测距精度随初始掠射角的变化(H=1 400m)

对应的接收深度H=1400m，随着掠射角的增大，测距精度也相应的增大。

而且，声速还随深度发生变化，这种对应关系称为声梯。这里给出了不同深度上的平均声速值，见表4。

表4　声梯平均值

可以看出，在150 m处，当传播时间t=1时，单位深度误差引起的平均声速值变化约为：10 cm左右；而在1 000 m处，此值仅在1 cm左右。

3.2.2多项式法仿真数据及分析

多项式近似测距具有很高的测距精度，近程的测距精度要优于中程和远程，远程的测距精度最低；接收深度的变化对测距精度的影响不是很明显，没有特定的规律，表5是对多项式法进行仿真后得到结果。

表5　多项式近似法测距误差(宽幅)

更进一步，可以对深度1500m附近进行细致的数据分析，见表6。

表6　多项式近似法(1500m深度)测距误差(窄幅)

可以看出，多项式近似法的测距精度非常高，但是接收深度误差引起的测距误差非常之大。H=1500m相对测距误差Δ2随接收深度偏移量的变化趋势，对照近程、中程和远程的变化趋势，均随着接收深度偏移量的增大，相对测距误差Δ2也随之增大。误差来源于应用H深度上的a0，a1和a2计算H+ΔH深度上的水平传播距离。由仿真数据可以看出，多项式模型的精度对接收深度误差非常敏感，这是该模型应用的一个局限。

3.2.3迭代逼近法仿真数据及分析

迭代逼近法法的内容在前文已有细致的介绍，其精度可以是很高的，当然这取决于预先设定的迭代精度，其收敛速度也很快，仿真过程可以证明以上结论。仿真是在测得传播时间t=0.5 s，迭代精度设定为0.1ms，接收深度变化量为ΔH=10m时的传播距离R等参数条件下完成，并根据具体情况设置了不同的迭代仿真的次数，结果见表7。

表7　迭代逼近法测距误差

4结语

笔者主要研究了各种水下测距方法的测距精度，并根据测距理论建立相关模型进行仿真。论文着重对平均声速、多项式近似法和迭代逼近法这三种方法进行仿真研究。

通过仿真可以看出三种模型都有着很高的测距精度。平均声速法的测距精度由于受到初始掠射角的影响很大，随着初始角的增大测距精度也随之增大，根据射线声学理论中提到的只有小掠射角声线才能进行远距离传播，大掠射角声线的传播距离比较近，因此平均声速法适用于大掠射角但传播距离较近的声线；多项式近似法同样具有很高的测距精度，近程的测距精度要优于中程和远程，接收深度误差对该方法的测距精度影响非常大，是该方法的一个局限；迭代逼近法相对而言要优于其它两种测距方法，迭代法可以根据设定的精度进行逼近，仿真结果显示迭代法的收敛速度也很快，且接收深度误差对测距精度的影响不是很大。

参考文献:

[1]杨士莪．水声传播原理[M]．哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社．1993：60-87．

[2]刘伯胜，雷家煜．水声学原理[M]．哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1993：101-119．

[3]卢晓亭，张林．水声传播模型研究现状综述[J]．海洋技术，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

文章编号：2095-7386(2015)02-0083-04

基金项目：武汉轻工大学校级大学生创新创业训练计划项目(CXXL2014019).

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

作者简介：余结(1994-)，男，本科生，E-mail：1165432874@qq.com.

收稿日期：2014-12-12.

中图分类号：P 733.21

文献标识码：A