專利名稱：一種基于相關測速聲納的載體對底三維速度測量方法
技術領域：
本發明涉及聲學測量載體對底速度的技術領域，更具體地說，本發明涉及一種基 于相關測速聲納的測量載體對底三維速度的方法。
背景技術：
相關測速聲納測量載體對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行相關測速聲納測量載體對底速度有(I)S. E. Bradley 等人的美國專利 5315562 “Correlation Sonar System”，最大似 然方法內容主要包括A)以級數形式給出了相關聲納陣時空相關函數理論模型，模型由貝 賽爾函數和勒讓德函數構成，包括三維速度等9個參數，以及由此得到的模型簡化形式；B) 采用最大似然原理進行數據相關函數和理論模型匹配；C)采用單純形作為模型匹配的最 優化算法。(2)朱維慶等人的中國專利申請03119666. 7 “相關測速聲納測量載體對底速度的 方法及其系統”，最大似然法內容主要包括A)以貝賽爾函數形式給出了相關聲納陣時空相 關函數理論模型，包括水平二維速度等3個參數；B)采用最大似然原理進行數據相關函數 和理論模型匹配；C)采用序列二次規劃作為模型匹配的最優化算法。方法(1)和(2)的共同點是都采用最大似然原理作為測量載體對底速度方法的核 心。最大似然法存在明顯的問題其一，最大似然的工作前提是假設信號干擾為高斯白噪 聲，而實際工作環境噪聲并非如此；其二，最大似然法運算復雜，計算量大，工作周期長，不 適合實時處理。另外，S. E. Bradley等提出的9參數理論模型為實際應用帶來了較大困難， 用單純形作為最優化算法進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 數理論模型和序列二次規劃最優化算法要更適合于實際應用，但是這個方法只能測量載體 對底的水平二維速度，不能測量載體對底的垂向速度。提出利用局域最小二乘法進行相關測速聲納測量載體對底速度有(3)朱維慶等人的中國專利申請200310115153. 2 “一種相關測速聲納測量載體對 底速度的方法和系統”，局域最小二乘法內容主要包括:A)以貝賽爾函數形式給出了相關聲 納陣時空相關函數理論模型，包括水平二維速度等3個參數；B)采用局域最小二乘原理進 行數據相關函數和理論模型匹配；C)采用序列二次規劃作為模型匹配的最優化算法。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 算量過大的問題和低信噪比下速度測量的問題，但是仍然無法測量載體對底的垂向速度。總之，現有的相關測速聲納采用的測量載體對底速度的方法在實時運算速度和測 量垂向速度等方面仍然存在問題和不足。
發明內容
本發明的目的是針對現有的相關測速聲納測量載體對底速度方法的問題和不足，提供利用相關測速聲納測量載體對底三維速度的方法，以及基于這種方法的信號處理工作 流程設計。為實現上述發明目的，本發明提供了一種基于相關測速聲納的載體對底三維速度 的測量方法，包括如下步驟1)建立理論時空相關函數原始模型
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)是時空相關函數；Rtl是單通道信號能量；Φ (τ)是發射信號相關 延時τ處的相關函數；丄(·)是貝賽爾函數；exp( ·)是指數函數；k是波數；Y是相關函 數寬度系數；τ是相關延時，d是接收陣元間的空間矢量，d = (dx，dy，dz) ； COtl是發射信號 角頻率；C41是發射開角θ e內的合成聲速，q = C/(1 - θ；/2π)，c是聲速；V是三維速度矢 量，V = (Vx, Vy, Vz)；2)通過相關測速聲納的接收陣列采集底回波數據；3)根據步驟2)所獲得的底回波數據和接收陣列各陣元間的相對位置關系，對底 回波數據進行時空相關處理，得到數據時空相關函數L( τ，d)組成的時空相關函數矩陣；4)計算載體對底垂向速度Vz，「z =(p T〉J O ；
N 2ω0τ Re[L(r,i/")]其中，N是接收陣元個數；du表示第i陣元和第j陣元之間的空間矢量，L( τ，(Iii) 是時空相關函數矩陣對角線上的元素；tarTY ·)表示整個坐標域的反正切函數，所述反正 切函數值域為(ι，η ] ；Im( ·)和Re( ·)分別表示虛部和實部；和5)將步驟4)計算出的載體對底垂向速度Vz的值代入到步驟1)中所述的理論時 空相關函數原始模型中，得到僅含三個未知參數Vx、Vy*、的理論時空相關函數模型，再利 用最小二乘法對數據時空相關函數和理論時空相關函數模型進行匹配，進而得到載體對底 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)設置Vx、Vy和γ的初始值和搜索范圍；54)建立包含數據時空相關函數和理論時空相關函數模型的目標函數，目標函數 為P(^) = ^||abs[R(r,^,v)]-abs[L(r, J)]||F
/εΩ其中，μ = (Vx, Vy, Y)表示未知參數；函數abs(·)表示求絕對值；Il · || F是 Frobenius 范數；55)用序列二次規劃優化算法獲得使P ( μ )滿足最小的μ的最優解，進而根據μ 的最優解獲得載體對底水平二維速度Vx、\。
其中，所述相關測速聲納的發射信號的時域相關函數在延時τ處具有峰值，
τ乒0。其中，執行所述步驟3)前，還具有第一預處理步驟，所述第一預處理步驟包括對 接收陣元坐標進行姿態修正，姿態修正采用下式A = T · A0其中，Atl是N個接收陣元的初始坐標矩陣，A0 = (a10, a20, · · · aN0) ；ai0是第i個接 收陣元的三維初始坐標列向量，aiQ= (ai0x,ai0y,ai0z)'，i = 1，2，. . N ;A是N個接收陣元的 修正后的坐標矩陣，A= (ai,a2,...aN)； 是第i個接收陣元的三維修正后的坐標列向量， Bi = (aix，aiy, aiz) ‘ , i = 1,2,..N5T是坐標轉換矩陣，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
修正后的接收陣元坐標矩陣A得到所述接收陣元間的空間矢量d。其中，執行所述步驟3)前，還具有第二預處理步驟，所述第二預處理步驟包括測 量所述接收陣列附近的水溫Τε，利用水溫T6對聲速c進行修正。在一個實施例中，利用水溫Te對聲速c進行修正的方法如下，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;所述發射開角內的合成聲速.αφ = c /(1 - θ] / 2π)，聲速c和合成聲速cφ單位是均 為 m/s0其中，所述接收陣元個數N不小于3。其中，所述步驟51)還包括將數據時空相關函數L( τ，d)中的最大值所對應的空 間矢量d作為局域化的中心。相對于現有技術，本發明具有如下技術效果A)采用本發明提出的參數分步估計法，相關測速聲納可以測量載體對底的三維速 度參數Vx、Vy、Vz，更好地反映載體的運動速度。有效地解決了局域最小二乘法只能估計水 平速度的不足。B)本發明提出的參數分步估計法采用解析方法測量垂向速度Vz，采用局域最小二 乘法估計水平速度Vx、Vy，具有較小的計算量和較好的穩健性。不但可以測量包括載體對底 的垂向速度在內的三維速度，還有效地解決了最大似然法運算復雜、計算量大的問題。C)本發明提出的基于參數分步估計法的信號處理工作流程設計，采用溫度傳感器 進行聲速修正和采用姿態傳感器進行接收陣元坐標修正，有效地保證了相關測速聲納測量 載體對底三維速度的精度。信號處理工作流程中公式簡單，方便編程，適合于相關測速聲納 系統實時工作。
以下，結合附圖來詳細說明本發明的實施例，其中圖1是可以應用本發明一個實施例的相關測速聲納系統組成示意圖；圖2是本發明一個實施例中提供的相關測速聲納工作流程圖；圖3是本發明一個實施例中提供的測量載體對底三維速度流程圖；圖4是本發明一個實施例中一種相關測速聲納發射信號實例的相關函數示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述為實現基于相關測速聲納的載體對底三維速度的測量，本實施例提出了“參數分 步估計法”，同時還給出了基于所述“參數分步估計法”的信號處理工作流程設計方案。最 后，本文還進一步示例性地描述了基于相關測速聲納的測量載體對底三維速度的方法(包 括所涉及的相關測速聲納及其附屬裝置，以及測量載體對底三維速度的各步驟)的各個細 節。1)參數分步估計法本實施例提供了一種相關測速聲納測量載體對底三維速度的方法，本發明中將其 稱為“參數分步估計法”。參數分步估計法以相關測速聲納時空相關函數理論模型為基礎， 測量載體對底三維速度。A)相關測速聲納時空相關函數理論模型本申請的發明人利用著名的FOM混響模型(詳見下述3篇文獻P. Faure. Theoretical model of reverberation noise. J. Acoust. Soc. Amer. 1964 ； 36⑵259-266;B.B.奧里雪夫斯基.海洋混響的統計特性.北京科學出版社， 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)，推導獲得了相關測速聲納的理論時空相關函數原
始模型
(1)其中R( τ，d，V)是時空相關函數，Rtl是單通道信號能量，Φ ( τ )是發射信號延時 τ處相關函數，是貝賽爾函數，exp(·)是指數函數，Qci是發射信號角頻率，k是波 數，q =c/(l-民2/2;r)是發射開角θ e內的合成聲速，c是聲速，γ是相關函數寬度系數， d = (dx，dy，dz)是接收陣元間的空間矢量，V = (Vx, Vy, Vz)是載體對底三維速度。B)參數分步估計法發明人基于公式(1)，提出了一種參數分步估計法來測量載體對底三維速度第1 步，利用解析算法估計垂向速度；第2步，利用最小二乘法，對實測數據和理論模型進行匹 配，估計出水平二維速度。第1步，取各接收陣元延時τ處的自相關函數
由于Vz << C41,所以可以不考慮相位模糊，得到 其中dan、·)表示整個坐標域的反正切函數(值域為(_ η，^]) ；Im( ·)和 Re( ·)分別表示虛部和實部。因此，可得Vz表示式
相關測速聲納一般包括多個(3個以上)接收陣元，每個接收陣元可相應地得到一 個Vz值。本實施例中，對各個接收陣元所對應的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中的未知參數還有Vx、Vy和Y。 采用局域最小二乘法對vx、Vy和Y進行估計，獲得載體對底的水平二維速度。局域最小二 乘法提供的目標函數形式為 其中μ = (Vx, Vy, Y )表示未知參數，函數abs ( ·)表示求絕對值，Ω是空間相 關函數最大值附近的局域化范圍，Il · Il F是Frobenius范數，L( τ，d)是延時τ處的數據 相關函數，R(t，d，v)采用公式(1)形式。然后采用序列二次規劃優化算法估計出使Ρ( μ) 滿足最小時μ的最優解。從而獲得了載體對底水平二維速度vx、vy。本實施例中，參數分步估計法通過解析法和局域最小二乘法兩步測量出載體對底 的三維速度。2)基于參數分步估計法的聲納信號處理以參數分步估計法為核心，在實際應用中，考慮到水溫和載體的縱搖和橫搖等因 素，本發明還提供了一種相關測速聲納信號處理方法，包括以下步驟A)選擇發射信號并發射，該發射信號在相關延時τ ( τ ^ 0)處具有峰值；B)采集姿態傳感器數據，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)，利用公式(6)對相關測速聲納接收陣元空間坐標進行修正A = T · A0(6)A0 = (a10, a20,. . . aN0)是 N 個接收陣元的設計坐標矩陣；ai(1 = (ai0x, ai0y, ai0z) ' (i =1,2,..N)是第i個接收陣元的三維設計坐標列向量。A= (ai，a2，...aN)是N個接收陣 元的修正后的坐標矩陣叫=(aix, aiy, aiz) ‘ (i = 1，2，. . N)是第i個接收陣元的三維修 正坐標列向量。T是坐標轉換矩陣，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和發射開角內的合成聲
D)采集各接收陣元底回波數據，求空間矢量d和數據時空相關函數L(x，d)；
E)進行參數分步估計法第1步估計，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執行參數分步估計法第2步，將垂向速度Vz帶入公式(1)得到理論相關函數模型。 設置未知參數Vx、Vy* Y的初始值和搜索范圍，設置局域化范圍，利用局域最小二乘法估計 Vx、Vy* Y。其中局域最小二乘法的目標函數形式如公式(5)。F)參數分步估計法最終估計出Vx、Vy、Vz和Y，存儲測速結果并對外輸出。3)基于相關測速聲納的測量載體對底三維速度的方法本實施例提供了一種基于相關測速聲納的測量載體對底三維速度的方法。圖1是 可以應用本實施例的相關測速聲納系統。接收陣列由N個接收陣元101組成。接收陣元個 數N不小于3。各接收陣元獲得的底回波數據由多路同步數據采集單元102采集并轉換成 數字形式。發射陣列由M個發射陣元103組成。發射單元104產生發射信號，該發射信號 用于驅動M個發射陣元并聯發射。溫度傳感器105用來獲得接收陣列表面的水溫。姿態傳 感器106用來獲得載體的縱搖角和橫搖角。控制單元107實現控制功能，用于控制多路同 步數據采集單元102、發射單元104、溫度傳感器105及姿態傳感器106的工作，并分別從溫 度傳感器105和姿態傳感器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，主要對多路同步數據采集單元102輸出的數字形式的底回波數據 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、橫搖角進行數據處理，得 出載體對底三維速度。三維速度結果可以顯示在顯示器109上，也可以通過網絡110或串 口 111對外傳輸。根據本實施例的相關測速聲納工作流程為步驟201 相關測速聲納系統開始運行。步驟202 發射單元產生發射信號。所產生的發射信號的時域相關函數在延時 τ (τ興0)處具有峰值。參考圖4，該圖是一個發射信號實例的時域相關函數的曲線圖。 所述發射信號的例子是由2個相同的13位巴克碼1111100110101的順序排列組成，即為 11111001101011111100110101。由圖4可知，在相關延時τ = 13時，所述發射信號的時域 相關函數具有較大峰值。選擇符合上述條件的發射信號能夠提高底回波數據的信噪比。步驟203 發射陣列將所選擇的發射信號發射出去。步驟204 控制單元采集來自姿態傳感器的數據，獲得載體的縱搖角ρ和橫搖角r。步驟205 對接收陣元坐標進行姿態修正。利用公式(7)獲得坐標轉換矩陣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N個接收陣元的設計坐標矩陣Atl進行修正，獲得修正后的坐標矩陣AA = T · A0(6)步驟206:控制單元還采集溫度傳感器的數據，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和發射開角內的合成聲速％。利用聲速經 驗公式(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個參數值是已知的 或者可以被預先確定。由聲速c獲得發射開角內的合成聲速 =C/(1-《2/2;T)。步驟208 多路同步數據采集單元采集底回波數據，第i接收陣元和第j接收陣元 對應的底回波數據分別為Si (t)、Sj⑴。步驟209 求空間矢量，對底回波數據進行時空相關處理，得到數據時空相關函 數。通過公式(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 數據時空相關函數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是發射信號脈寬；“*”表示共軛。各接收陣元間空間矢量構成d = (ClijI， 數據時空相關矩陣 (τ) = {‘.(τ)}。由于矩陣中的各元、_(τ)與空間矢量相對應， 因此，L(T)也寫作L(t，d)。步驟300 利用參數分步估計法測量載體對底三維速度。步驟210 存儲、顯示測速結果，并通過網絡或串口傳輸數據。步驟211 判斷工作是否終止。如果工作終止，進入步驟212 ；否則，返回步驟202， 繼續工作。
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 參數分步估計法的計算步驟開始。
步驟302 首先計算載體對底的垂向速度Vz。利用公式(11)計算載體對底的垂向
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個未知參數，即Vx、Vy* Y，的理論時空相關函數模型。步驟304 根據空間矢量確定局域化范圍Ω。選取L( τ，d)中的最大值所對應的 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，選取設置Vx、Vy* γ的初始值和搜索范圍。Vx、Vy*、的初始值 分別設置為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)，無單位。步驟306 利用序列二次規劃對Vx、Vy和γ進行搜索。建立包含數據時空相關函 數和理論時空相關函數模型的目標函數，目標函數形式為公式(5)。PC") = XlabstRCr^^^-abstLCr,^)]^(5)
den利用序列二次規劃對Vx、Vy和Y進行搜索，獲得滿足目標函數的Vx、Vy和Y最優解。步驟307 得到載體對底三維速度。步驟306所獲得滿足目標函數的Vx、Vy和、 最優解中的Vx、vy作為載體對底三維速度中的Vx、Vy，步驟302所獲得的Vz即載體對底三維 速度中的Vz。步驟308 參數分步估計法的計算步驟結束。經統計表明，在相同的計算平臺上，采用本發明提出的參數分步估計方法所用的 時間約為采用最大似然法的一半，而三維測速精度近似或優于采用最大似然法。采用參數 分步估計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。以上所述的具體實施例對本發明的目的、技術方案以及有益效果進行了詳細的說 明。所應理解的是，上述內容僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明。凡在本 發明的精神與原則之內，所做的任何修改、等同替換以及改進等，均應包含在本發明的保護 范圍之內。
權利要求
一種基于相關測速聲納的載體對底三維速度測量方法，包括如下步驟1)建立理論時空相關函數原始模型 <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)是時空相關函數；R0是單通道信號能量；Φ(τ)是發射信號相關延時τ處的相關函數；J0(·)是貝賽爾函數；exp(·)是指數函數；k是波數，γ是相關函數寬度系數；τ是相關延時，d是接收陣元間的空間矢量，d＝(dx，dy，dz)；ω0是發射信號角頻率；cφ是發射開角θe內的合成聲速，c是聲速；V是三維速度矢量，V＝(Vx，Vy，Vz)；2)通過相關測速聲納的接收陣列采集底回波數據；3)根據步驟2)所獲得的底回波數據和接收陣列各陣元間的相對位置關系，對底回波數據進行時空相關處理，得到數據時空相關函數L(τ，d)組成的時空相關函數矩陣；4)計算載體對底垂向速度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是接收陣元個數；dij表示第i陣元和第j陣元之間的空間矢量，L(τ，dii)是時空相關函數矩陣對角線上的元素；tan 1(·)表示整個坐標域的反正切函數，所述反正切函數值域為( π，π]；Im(·)和Re(·)分別表示虛部和實部；和5)將步驟4)計算出的載體對底垂向速度Vz的值代入到步驟1)中所述的理論時空相關函數原始模型中，得到僅含三個未知參數Vx、Vy和γ的理論時空相關函數模型，再利用最小二乘法對數據時空相關函數和理論時空相關函數模型進行匹配，進而得到載體對底水平二維速度Vx和Vy。F2009100865532C0000012.tif
2.根據權利要求1所述的載體對底三維速度測量方法，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)設置\、\和γ的初始值和搜索范圍；54)建立包含數據時空相關函數和理論時空相關函數模型的目標函數，所述目標函數為ημ) = X||abs[R(r,J,v)]-abs[L(r^)]||FdeQ其中，μ = (Vx, Vy, Y)表示未知參數；函數abs(·)表示求絕對值；Il · “是 Frobenius 范數；55)用序列二次規劃優化算法獲得使Ρ(μ)滿足最小的μ的最優解，進而根據μ的最 優解獲得載體對底水平二維速度Vx、\。
3.根據權利要求1所述的載體對底三維速度測量方法，其特征在于，所述相關測速聲 納的發射信號的時域相關函數在延時τ處具有峰值，τ興O。
4.根據權利要求1-3之一所述的載體對底三維速度測量方法，其特征在于，執行所述 步驟3)之前，還具有第一預處理步驟，所述第一預處理步驟包括對接收陣元進行姿態修 正，得到經過姿態修正后的所述接收陣元間的空間矢量d。
5.根據權利要求4所述的載體對底三維速度測量方法，其特征在于，執行所述步驟3) 之前，還具有第二預處理步驟，所述第二預處理步驟包括測量所述接收陣列附近的水溫 Te，利用水溫Te對聲速c進行修正。
6.根據權利要求1-3之一所述的載體對底三維速度測量方法，其特征在于，執行所述 步驟3)之前，還具有預處理步驟，所述預處理步驟包括測量所述接收陣列附近的水溫Te， 利用水溫Te對聲速c進行修正。
7.根據權利要求1所述的載體對底三維速度測量方法，其特征在于，所述接收陣元個 數N不小于3。
全文摘要
本發明提供一種基于相關測速聲納的載體對底三維速度測量方法，包括如下步驟1)建立理論時空相關函數模型；2)通過相關測速聲納的接收陣列采集底回波數據；3)根據步驟2)所獲得的底回波數據和接收陣列各陣元間的相對位置關系，得到時空相關函數矩陣；4)基于理論時空相關函數模型用解析法計算載體對底垂向速度Vz；5)將步驟4)計算出的垂向速度Vz的值代入到步驟1)中所述的理論時空相關函數模型中，再利用最小二乘法得到載體對底水平二維速度Vx和Vy。本發明能夠計算載體對底的三維速度，并且能夠大幅減小計算量。
文檔編號G01S15/58GK101923168SQ20091008655
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月9日 優先權日2009年6月9日
發明者馮雷, 朱維慶, 汪玉玲, 潘鋒, 王長紅, 邱薇 申請人:中國科學院聲學研究所