本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于海洋物探的全局解算定位方法，屬于海洋地震拖纜系統(tǒng)中的多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水下多纜定位技術(shù)是海上地震勘探技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。精確的拖纜定位可以保證較高的三維地震成像精度，為后續(xù)開發(fā)方案的制定提供可靠的依據(jù)。但由于在海上地震數(shù)據(jù)采集時(shí)，拖纜長度達(dá)到數(shù)千米，受海流影響，其位置時(shí)時(shí)都在變化，且拖纜布放的深度較淺，聲傳播過程中海面反射聲的影響明顯。

現(xiàn)有技術(shù)對海上石油勘探中的水下多纜定位原理、特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并建立了海上地震勘探多纜定位模型，但對于如何有效抗多途干擾和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取方面較少涉及，文獻(xiàn)中采用逐步解算方法定位水鳥位置，會間接影響聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位的精度，降低系統(tǒng)的探測效果。

長基線水聲定位技術(shù)要求精確獲取每個(gè)接收水鳥和發(fā)射水鳥的相對距離，而由于每條拖纜上間隔布放發(fā)射水鳥和接收水鳥，在拖纜的數(shù)目多、長度長的情況下，水鳥的數(shù)目龐大，且拖纜布放的深度較淺，聲傳播過程中海面反射聲的影響明顯，這就導(dǎo)致當(dāng)發(fā)射水鳥同時(shí)工作時(shí)，每個(gè)接收水鳥都會接收到一長串具有數(shù)個(gè)峰值的脈沖信號，無法從這一長串脈沖信號中準(zhǔn)確提取需要的直達(dá)峰值，導(dǎo)致無法全局解算定位，定位解算的精度達(dá)不到要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種應(yīng)用于海洋物探的全局解算定位方法，避免了現(xiàn)有水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)抗多途干擾效果差且定位精度不高的缺點(diǎn)，提高了定位解算的精度。

本發(fā)明解決的技術(shù)方案為：一種應(yīng)用于海洋物探的全局解算定位方法，步驟如下：

(1)各發(fā)射水鳥向接收水鳥發(fā)射不同頻率的聲信號；

(2)獲取接收水鳥接收到的該發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的直達(dá)時(shí)間t_i；

(3)根據(jù)步驟(2)直達(dá)時(shí)間t_i，和聲速c，進(jìn)行全局結(jié)算，確定接收水鳥與發(fā)射水鳥相對距離；

(4)遍歷所有接收水鳥，得到各個(gè)接收水鳥與各個(gè)發(fā)射水鳥之間的直線距離。

所述步驟(3)根據(jù)步驟(2)直達(dá)時(shí)間t_i，和聲速c，進(jìn)行全局結(jié)算，確定接收水鳥與發(fā)射水鳥相對距離，步驟如下：

(1)建立一個(gè)三維坐標(biāo)系O-x,y,z三維正交坐標(biāo)系，z的正方向垂直海平面向下，x的正方向從拖纜頭部指向尾部，y的正方向與x在海平面正交，z符合右手定則，原點(diǎn)O任意設(shè)置，設(shè)定發(fā)射水鳥的位置已知，并設(shè)第i個(gè)發(fā)射水鳥的位置坐標(biāo)為T_i(x_i,y_i,z_i)；

(2)根據(jù)步驟(2)發(fā)射水鳥發(fā)出的聲信號從發(fā)射水鳥直接到達(dá)接收水鳥的時(shí)間t_i，設(shè)接收水鳥的位置坐標(biāo)為(x,y,z),發(fā)射水鳥和接收水鳥之間的距離R_io為：

令，z＝h，z_i＝h_i，ΔH_i＝h-h_i，發(fā)射水鳥的深度h_i和接收水鳥的深度h分別通過安裝在發(fā)射水鳥和接收水鳥的壓力傳感器直接獲得；

(3)將步驟(2)的公式(1)表示為：

式中，N為大于等于3的整數(shù)；

(4)將式(2)化簡得到：

x²+y²-2x_ix-2y_iy＝(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)²(3)

令(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)²＝Δ_i，

(5)將i＝1,...,N代入方程(3)得到N個(gè)方程，聯(lián)立N個(gè)方程解算出接收水鳥的位置(x,y),再根據(jù)z＝h,得到接收水鳥的三維位置坐標(biāo)(x,y，z)；

所述步驟(4)遍歷所有接收水鳥，得到各個(gè)接收水鳥與各個(gè)發(fā)射水鳥之間的直線距離，步驟如下：

遍歷所有接收水鳥，得到各接收水鳥相對于各發(fā)射水鳥的三維坐標(biāo)，再根據(jù)各接收水鳥相對于各發(fā)射水鳥的三維坐標(biāo)，確定各個(gè)接收水鳥與各個(gè)發(fā)射水鳥之間的直線距離。

所述發(fā)射聲信號的脈沖寬度0.5ms～1ms，直達(dá)信號、多途信號脈沖寬度0.5～1ms。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明采用全局解算算法，縮短定位解算時(shí)間，提高定位解算的。精度。

(2)本發(fā)明的方法簡單，原理清楚，能夠滿足拖纜系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

(3)本發(fā)明采用多頻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取模型，所有水鳥可以同時(shí)工作，提高拖纜系統(tǒng)的工作效率。

(4)本發(fā)明采用抗多途干擾方案，避免漏報(bào)直達(dá)信號。

附圖說明

圖1(a)為水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的兩種組網(wǎng)方式1示意圖，(b)為水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的兩種組網(wǎng)方式2示意圖；

圖2為本發(fā)明抗多途干擾方案流程圖；

圖3為逐步解算方案示意圖；

圖4為本發(fā)明全局解算方案示意圖；

圖5為本發(fā)明長基線水聲定位模型示意圖；

圖6為本發(fā)明簡單構(gòu)造的水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)示意圖；

圖7為本發(fā)明算例各水鳥布放距離示意圖；

圖8的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為本發(fā)明6個(gè)接收水鳥收到的仿真擬合脈沖信號示意圖；

圖9(a)為本發(fā)明X坐標(biāo)定位結(jié)果絕對誤差示意圖，(b)為本發(fā)明Y坐標(biāo)定位結(jié)果絕對誤差示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種應(yīng)用于海洋物探的全局解算定位方法，提供一種新的多頻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取方式和全局解算方法，首先根據(jù)水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的組網(wǎng)方式確定輪詢方案，采用全局解算算法定位各水鳥位置，本發(fā)明所述多頻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：所有發(fā)射水鳥和接收水鳥可以同時(shí)進(jìn)行工作，大大提高了拖纜系統(tǒng)的效率，縮短了定位解算的時(shí)間，采用全局解算算法減小了定位誤差。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，

海上拖纜系統(tǒng)一般由3～4條拖纜組成，拖纜之間平行布放。對多纜的聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)主要由發(fā)射水鳥和接收水鳥組成，每條拖纜的組成一樣，其組網(wǎng)方式主要有兩種，若拖纜較短(每根拖纜小于等于1km)，可在拖纜前端和末端放置發(fā)射水鳥(即聲學(xué)鳥)，中間放置接收水鳥(即水平鳥)，如圖1(a)所示；若拖纜較長(每根拖纜大于1km)，由于高頻聲信號衰減較大，發(fā)射水鳥只在前端和末端布放會導(dǎo)致中間的接收水鳥接收不到信號，一般采取發(fā)射、接收水鳥間隔布放的原則，如圖1(b)所示，發(fā)射水鳥為實(shí)心圓，接收水鳥為空心圓，水鳥之間通過拖纜內(nèi)的連接電纜傳遞數(shù)據(jù)，根據(jù)高頻聲信號的衰減大小，一般將水鳥的間距定為50米～100米。本發(fā)明所述多頻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取方案中所有發(fā)射水鳥和接收水鳥可以同時(shí)進(jìn)行工作，大大提高了拖纜系統(tǒng)的效率，縮短了定位解算的時(shí)間，提高了聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的抗多途干擾效果，采用全局解算算法減小了定位誤差。

本發(fā)明優(yōu)選的方案為：一種水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位方法，包括確定水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的組網(wǎng)方式階段、多頻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取階段、抗多途干擾階段和全局解算求解所有水鳥的位置信息階段；

所述確定水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的組網(wǎng)方式階段步驟如下：

(1)確定海上拖纜系統(tǒng)中拖纜數(shù)量和每條拖纜上的發(fā)射水鳥和接收水鳥的數(shù)量，確定每條拖纜的長度，若每條拖纜的長度小于等于1km，則進(jìn)行步驟(2)，若每條拖纜的長度大于1km，則進(jìn)行步驟(3)；所述發(fā)射水鳥能夠發(fā)射聲信號，接收水鳥能夠接收聲信號；設(shè)每條拖纜上有N個(gè)發(fā)射水鳥和M個(gè)接收水鳥，為同一條拖纜上的發(fā)射水鳥設(shè)置相同的發(fā)射頻率，為不同拖纜上的發(fā)射水鳥設(shè)置不同的聲信號發(fā)射頻率；

(2)在接收到指令后，向每條拖纜的發(fā)射水鳥和接收水鳥發(fā)出統(tǒng)一的啟動脈沖，使每條拖纜的各個(gè)發(fā)射水鳥和接收水鳥啟動，在接收到啟動脈沖信號后，發(fā)射水鳥和接收水鳥開始工作，每條拖纜的發(fā)射水鳥同時(shí)工作，發(fā)出不同發(fā)射頻率的聲信號，接收水鳥接收聲信號；要確定某一拖纜某個(gè)接收水鳥與某發(fā)射水鳥之間的相對距離時(shí)，將該接收水鳥收到的聲信號脈沖以該發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的發(fā)射頻率為中心頻率，帶寬1kHz進(jìn)行濾波后再放大，得到發(fā)射頻率的時(shí)域脈沖信號，這些發(fā)射頻率的時(shí)域脈沖信號包括該發(fā)射水鳥直接到達(dá)該接收水鳥的直達(dá)信號和發(fā)射水鳥未直接到達(dá)該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥，得到拖纜上各個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號；

所述多頻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取階段步驟如下：

(3)將每根拖纜分成N階，每階拖纜的第一個(gè)水鳥為發(fā)射水鳥，每階其余水鳥為接收水鳥；對某一階拖纜進(jìn)行定位時(shí)，除這一階的發(fā)射水鳥、接收水鳥開始工作外，拖纜的其它階所有發(fā)射水鳥和接收水鳥關(guān)閉，即所有拖纜的第一階中的發(fā)射水鳥先發(fā)射聲信號，所有拖纜的第一階中的接收水鳥接收聲信號，然后所有拖纜的第二階中的發(fā)射水鳥再發(fā)射聲信號，所有拖纜的第二階中的接收水鳥接收聲信號，以此類推，直至所有拖纜的第N個(gè)階中的發(fā)射水鳥發(fā)射聲信號，所有拖纜的第N階中的接收水鳥接收聲信號；要確定某一拖纜某個(gè)接收水鳥與發(fā)射水鳥之間的相對距離時(shí)，將該接收水鳥收到的聲信號脈沖以該發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的發(fā)射頻率為中心頻率，帶寬1kHz進(jìn)行濾波后再放大，得到發(fā)射頻率的時(shí)域脈沖信號，這些發(fā)射頻率的時(shí)域脈沖信號包括該發(fā)射水鳥直接到達(dá)該接收水鳥的直達(dá)信號和發(fā)射水鳥未直接到達(dá)該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥，得到每一階拖纜上各個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號；

(4)對步驟(2)拖纜上各個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號和步驟(3)得到的每一階拖纜上各個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號的時(shí)域進(jìn)行判斷，即若某個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號中的直達(dá)信號與多途信號能夠在時(shí)域上分開，進(jìn)行步驟(5)；若接收水鳥在距離海平面6.5米以內(nèi)(發(fā)射的時(shí)域脈沖信號脈寬為0.5ms時(shí))或者接收水鳥在距離海平面9米(發(fā)射的時(shí)域脈沖信號脈寬為1ms時(shí))以內(nèi)，判定某個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號中的直達(dá)信號與多途信號時(shí)域上重疊；接收水鳥在距離海平面6.5米之上(發(fā)射的時(shí)域脈沖信號脈寬為0.5ms時(shí))或者接收水鳥在距離海平面9米之上(發(fā)射的時(shí)域脈沖信號脈寬為1ms時(shí))，判定某個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號中的直達(dá)信號與多途信號時(shí)域上能分開。

所述抗多途干擾階段步驟如下：

(5)設(shè)定搜索窗的時(shí)間寬度，搜索窗的寬度小于某接收水鳥收到的時(shí)域脈沖信號的時(shí)長，對接收水鳥收到的時(shí)域脈沖信號進(jìn)行采樣，將某接收水鳥收到的時(shí)域脈沖信號的所有采樣點(diǎn)的信號幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，得到平均幅度，將每個(gè)采樣點(diǎn)的信號幅度與該平均幅度做比，得到每個(gè)采樣點(diǎn)的幅度比；以該搜索窗的時(shí)間寬度為單位寬度在濾波放大后的時(shí)域脈沖信號上進(jìn)行循環(huán)搜索，在每個(gè)搜索窗的時(shí)間寬度內(nèi)找到幅度比最大的采樣點(diǎn)，然后將每個(gè)搜索窗的時(shí)間寬度內(nèi)找到幅度比最大的采樣點(diǎn)按照幅度比的值從大到小進(jìn)行排列，取幅度比做大的采樣點(diǎn)作為直達(dá)信號，則該幅度比做大的采樣點(diǎn)的采樣時(shí)間即為該接收水鳥接收到的某發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的直達(dá)時(shí)間t_i，將該直達(dá)時(shí)間t_i乘以聲速c得到某接收水鳥與某發(fā)射水鳥相對距離；遍歷所有接收水鳥，得到各個(gè)接收水鳥與各個(gè)發(fā)射水鳥之間的直線距離；

(6)設(shè)定搜索窗的時(shí)間寬度為步驟(5)的搜索窗的時(shí)間寬度的一半，設(shè)置幅度上限和幅度下限，對接收水鳥收到的時(shí)域脈沖信號進(jìn)行采樣，以該搜索窗的時(shí)間寬度為單位寬度在濾波放大后的時(shí)域脈沖信號上進(jìn)行循環(huán)搜索，對每個(gè)搜索窗的時(shí)間寬度內(nèi)的所有采樣點(diǎn)的脈沖幅度進(jìn)行判斷，若某采樣點(diǎn)脈沖幅度大于幅度上限，判定該采樣點(diǎn)信號幅度大于幅度上限的信號是接收的脈沖信號，然后以幅度大于幅度上限的該采樣點(diǎn)為起點(diǎn)對時(shí)域脈沖寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)時(shí)間為發(fā)射脈沖寬度的一半，第一次出現(xiàn)信號幅度大于幅度上限的采樣點(diǎn)，則直接將該采樣點(diǎn)接收的脈沖信號判定為有效脈沖，即直達(dá)信號；若某采樣點(diǎn)的脈沖幅度小于幅度上限，則將該采樣點(diǎn)的脈沖幅度再與設(shè)定的幅度下限比較，若該接收的采樣點(diǎn)的脈沖幅度大于幅度下限則暫時(shí)保存該采樣點(diǎn)接收的脈沖信號，然后判斷該采樣點(diǎn)接收的脈沖信號的發(fā)射脈沖寬度的另一半內(nèi)是否有同樣幅度的脈沖出現(xiàn)，有同樣的幅度脈沖出現(xiàn)則認(rèn)為暫存的脈沖是有效脈沖，將此有效脈沖判定為直達(dá)信號，則該直達(dá)信號的采樣時(shí)間即為該接收水鳥接收到的某發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的直達(dá)時(shí)間t_i，將該直達(dá)時(shí)間乘以聲速c得到某接收水鳥與某發(fā)射水鳥相對距離；遍歷所有接收水鳥，得到各個(gè)接收水鳥與各個(gè)發(fā)射水鳥之間的直線距離；

所述全局解算求解所有水鳥的位置信息階段步驟如下：

(7)建立一個(gè)三維坐標(biāo)系O-x,y,z三維正交坐標(biāo)系，z的正方向垂直海平面向下，x的正方向從拖纜頭部指向尾部，y的正方向與x在海平面正交，z符合右手定則，原點(diǎn)O任意設(shè)置，設(shè)定所有發(fā)射水鳥的位置已知，并設(shè)第i個(gè)發(fā)射水鳥的位置坐標(biāo)為T_i(x_i,y_i,z_i)，根據(jù)步驟(5)或步驟(6)發(fā)射水鳥發(fā)出的聲信號從發(fā)射水鳥直接到達(dá)接收水鳥的時(shí)間為t_i，設(shè)接收水鳥的位置坐標(biāo)為(x,y,z),發(fā)射水鳥和接收水鳥之間的距離R_io為：

令，z＝h，z_i＝h_i，ΔH_i＝h-h_i，發(fā)射水鳥的深度h_i和接收水鳥的深度h分別通過安裝在發(fā)射水鳥和接收水鳥的壓力傳感器直接獲得；

將公式(1)表示為：

式中，N為大于等于3的整數(shù)；

將式(2)化簡得到：

x²+y²-2x_ix-2y_iy＝(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)² (3)

令(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)²＝Δ_i，

將i＝1,...,N代入方程(3)得到N個(gè)方程，聯(lián)立N個(gè)方程解算出接收水鳥的位置(x,y),再根據(jù)z＝h,得到接收水鳥的三維位置坐標(biāo)(x,y，z)；遍歷所有接收水鳥，得到各接收水鳥相對于各發(fā)射水鳥的三維坐標(biāo)。

根據(jù)上述海上拖纜的特點(diǎn)，本發(fā)明更優(yōu)選的一種水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位方法，步驟如下：

(1)第一步是確定水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的組網(wǎng)方式。

首先確定海上拖纜系統(tǒng)中拖纜數(shù)量和每條拖纜上的發(fā)射水鳥和接收水鳥的數(shù)量，即一共有多少條拖纜，每條上面有多少個(gè)發(fā)射水鳥和多少個(gè)接收水鳥，然后確定每條拖纜的長度，若每條拖纜的長度小于等于1km，則進(jìn)行步驟(2)，若每條拖纜的長度大于1km，則進(jìn)行步驟(3)；所述發(fā)射水鳥能夠發(fā)射聲信號，接收水鳥能夠接收聲信號；設(shè)每條拖纜上有N個(gè)發(fā)射水鳥和M個(gè)接收水鳥，為同一條拖纜上的發(fā)射水鳥設(shè)置相同的發(fā)射頻率，為不同拖纜上的發(fā)射水鳥設(shè)置不同的聲信號發(fā)射頻率；

(2)在接收到指令后，向每條拖纜的發(fā)射水鳥和接收水鳥發(fā)出統(tǒng)一的啟動脈沖，使每條拖纜的各個(gè)發(fā)射水鳥和接收水鳥啟動，在接收到啟動脈沖信號后，發(fā)射水鳥和接收水鳥開始工作，每條拖纜的發(fā)射水鳥同時(shí)工作，發(fā)出不同發(fā)射頻率的聲信號，接收水鳥接收聲信號；要確定某一拖纜某個(gè)接收水鳥與某發(fā)射水鳥之間的相對距離時(shí)，將該接收水鳥收到的聲信號脈沖以該發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的發(fā)射頻率為中心頻率，帶寬1kHz進(jìn)行濾波后再放大，得到發(fā)射頻率的時(shí)域脈沖信號，這些發(fā)射頻率的時(shí)域脈沖信號包括該發(fā)射水鳥直接到達(dá)該接收水鳥的直達(dá)信號和發(fā)射水鳥未直接到達(dá)該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥，得到拖纜上各個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號；假設(shè)拖纜網(wǎng)絡(luò)中每條拖纜有N個(gè)發(fā)射水鳥和M個(gè)接收水鳥，在作業(yè)過程中，主機(jī)軟件發(fā)出定位測量指令，接收到指令后確定處于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)水鳥的收發(fā)任務(wù)和順序，將指令發(fā)送到相應(yīng)的水鳥中，待各個(gè)水鳥完成準(zhǔn)備工作后，發(fā)送一個(gè)統(tǒng)一的啟動脈沖，各水鳥在接收到發(fā)射啟動脈沖信號后，開始各自的工作，即當(dāng)拖纜較短時(shí)(每條拖纜長度小于1km)，每條拖纜前端和末端的發(fā)射水鳥同時(shí)工作，中間的接收水鳥接收聲信號并定位；當(dāng)拖纜較長時(shí)(每條拖纜長度小于1km)，將每根拖纜分成N階，每階拖纜的第一個(gè)水鳥為發(fā)射水鳥，其余為接收水鳥；某一階拖纜進(jìn)行定位時(shí)，除這一階開啟發(fā)射水鳥、接收水鳥外，拖纜的其它階所有水鳥關(guān)閉，即第一階中的發(fā)射水鳥先發(fā)射，第一階中的接收水鳥接收聲信號并定位，然后第二階中的發(fā)射水鳥再發(fā)射，第二階中的接收水鳥接收聲信號并定位，以此類推，直至第N個(gè)階中的發(fā)射水鳥發(fā)射，第N階中的接收水鳥接收聲信號并定位，完成整根拖纜的定位；

設(shè)定每根拖纜上的N個(gè)發(fā)射水鳥發(fā)射N個(gè)不同頻率的聲信號，M個(gè)接收水鳥收到的脈沖信號中包括了N個(gè)發(fā)射水鳥的直達(dá)信號和海面反射的多途信號。當(dāng)需要獲取第i個(gè)接收水鳥與第j個(gè)發(fā)射水鳥的相對距離時(shí)(j＝1.2…M,M為大于等于N的整數(shù))，只需以第j個(gè)發(fā)射水鳥相對應(yīng)的頻率對第i個(gè)接收水鳥接收到的時(shí)域信號進(jìn)行濾波并放大該頻率信號，經(jīng)過濾波及放大處理后的脈沖信號中只包含第j個(gè)發(fā)射水鳥的直達(dá)信號和相應(yīng)的多途信號。由于先進(jìn)行濾波，只保留同一頻率的信號，再將這一頻率的信號放大，由于不同頻率與發(fā)射水鳥已經(jīng)一一對應(yīng)了，所以可以確定該脈沖信號是哪一個(gè)發(fā)射水鳥發(fā)射的)

(3)將每根拖纜分成N階，每階拖纜的第一個(gè)水鳥為發(fā)射水鳥，每階其余水鳥為接收水鳥；對某一階拖纜進(jìn)行定位時(shí)，除這一階的發(fā)射水鳥、接收水鳥開始工作外，拖纜的其它階所有發(fā)射水鳥和接收水鳥關(guān)閉，即所有拖纜的第一階中的發(fā)射水鳥先發(fā)射聲信號，所有拖纜的第一階中的接收水鳥接收聲信號，然后所有拖纜的第二階中的發(fā)射水鳥再發(fā)射聲信號，所有拖纜的第二階中的接收水鳥接收聲信號，以此類推，直至所有拖纜的第N個(gè)階中的發(fā)射水鳥發(fā)射聲信號，所有拖纜的第N階中的接收水鳥接收聲信號；要確定某一拖纜某個(gè)接收水鳥與發(fā)射水鳥之間的相對距離時(shí)，將該接收水鳥收到的聲信號脈沖以該發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的發(fā)射頻率為中心頻率，帶寬1kHz進(jìn)行濾波后再放大，得到發(fā)射頻率的時(shí)域脈沖信號，這些發(fā)射頻率的時(shí)域脈沖信號包括該發(fā)射水鳥直接到達(dá)該接收水鳥的直達(dá)信號和發(fā)射水鳥未直接到達(dá)該接收水鳥的多途信號；遍歷所有接收水鳥，得到每一階拖纜上各個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號；

(4)對步驟(2)拖纜上各個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號和步驟(3)得到的每一階拖纜上各個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號的時(shí)域進(jìn)行判斷，即若某個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號中的直達(dá)信號與多途信號能夠在時(shí)域上分開，進(jìn)行步驟(5)；若某個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號中的直達(dá)信號與多途信號在時(shí)域上重疊進(jìn)行步驟(6)；接收水鳥在距離海平面1.5米以內(nèi)，判定某個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號中的直達(dá)信號與多途信號時(shí)域上重疊；接收水鳥在距離海平面1.5米之上，判定某個(gè)接收水鳥收到的各發(fā)射水鳥發(fā)射的時(shí)域脈沖信號中的直達(dá)信號與多途信號時(shí)域上能分開；(直達(dá)信號、多途信號脈沖寬度0.5～1ms，接收的直達(dá)信號、多途信號如果傳播距離差小于1.5米，可定義為時(shí)域上重疊；)

由于直達(dá)波與海面反射波信號在時(shí)域上存在分離和相互疊加兩種情況。對于直達(dá)信號和海面反射多途信號的判別，首先通過搜索窗確定接收到的脈沖信號內(nèi)所有峰值及其產(chǎn)生的時(shí)間，根據(jù)峰值數(shù)量及其產(chǎn)生的時(shí)間，并結(jié)合接收水鳥與海面的距離來區(qū)分直達(dá)信號、多途信號，及二者是否疊加。若直達(dá)波和海面反射波的聲程差較大，二者在時(shí)域上可以分開，設(shè)定搜索窗的寬度略小于發(fā)射脈寬(因?yàn)槿羰浅霈F(xiàn)直達(dá)信號與多途信號雖然相距較近，但并沒有重疊這種情況，搜索窗太寬則不能有效區(qū)分兩種信號)，并以該寬度為單位在處理后的時(shí)域脈沖信號上進(jìn)行循環(huán)，按照搜索窗內(nèi)最大幅度與平均幅度之比是否滿足指定閾值為條件，找出該脈沖信號內(nèi)所有峰值及其產(chǎn)生的時(shí)間，最后再根據(jù)直達(dá)聲的聲程最小、且幅度最大的原則，確定時(shí)間靠前且能量最大的峰值是直達(dá)信號，時(shí)間靠后且能量較小的峰值是多途信號，以此獲得直達(dá)信號的產(chǎn)生時(shí)間t_i，結(jié)合聲速即可計(jì)算出與指定發(fā)射水鳥的相對距離R_io。(說明：三維情況下仍是兩點(diǎn)之間直線最短，直達(dá)聲信號傳播時(shí)間一定小于經(jīng)過海面反射的聲信號傳播時(shí)間，若是接收水鳥離海面很近，則會出現(xiàn)直達(dá)信號與多途信號重疊)

若直達(dá)信號與多途信號在時(shí)域上重疊，則采用如下抗多途干擾的方案進(jìn)行處理。

(5)設(shè)定搜索窗的時(shí)間寬度(若接收的時(shí)域脈沖時(shí)長為10s,優(yōu)選搜索窗的時(shí)間寬度略小于10s)，搜索窗的寬度小于某接收水鳥收到的時(shí)域脈沖信號的時(shí)長，對接收水鳥收到的時(shí)域脈沖信號進(jìn)行采樣，將某接收水鳥收到的時(shí)域脈沖信號的所有采樣點(diǎn)的信號幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，得到平均幅度，將每個(gè)采樣點(diǎn)的信號幅度與該平均幅度做比，得到每個(gè)采樣點(diǎn)的幅度比；以該搜索窗的時(shí)間寬度為單位寬度在濾波放大后的時(shí)域脈沖信號上進(jìn)行循環(huán)搜索，在每個(gè)搜索窗的時(shí)間寬度內(nèi)找到幅度比最大的采樣點(diǎn)，然后將每個(gè)搜索窗的時(shí)間寬度內(nèi)找到幅度比最大的采樣點(diǎn)按照幅度比的值從大到小進(jìn)行排列，取幅度比做大的采樣點(diǎn)作為直達(dá)信號，則該幅度比做大的采樣點(diǎn)的采樣時(shí)間即為該接收水鳥接收到的某發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的直達(dá)時(shí)間t_i，將該直達(dá)時(shí)間t_i乘以聲速c得到某接收水鳥與某發(fā)射水鳥相對距離；遍歷所有接收水鳥，得到各個(gè)接收水鳥與各個(gè)發(fā)射水鳥之間的直線距離；

(6)設(shè)定搜索窗的時(shí)間寬度為步驟(5)的搜索窗的時(shí)間寬度的一半(搜索窗減半，若接收的時(shí)域脈沖時(shí)長為10s,優(yōu)選1ms-5ms先搜索一次，5ms-10ms再搜索依次，以覆蓋整個(gè)接收的時(shí)域脈沖時(shí)長)，設(shè)置幅度上限和幅度下限，對接收水鳥收到的時(shí)域脈沖信號進(jìn)行采樣，以該搜索窗的時(shí)間寬度為單位寬度在濾波放大后的時(shí)域脈沖信號上進(jìn)行循環(huán)搜索，對每個(gè)搜索窗的時(shí)間寬度內(nèi)的所有采樣點(diǎn)的脈沖幅度進(jìn)行判斷，若某采樣點(diǎn)脈沖幅度大于幅度上限，判定該采樣點(diǎn)信號幅度大于幅度上限的信號是接收的脈沖信號，然后以幅度大于幅度上限的該采樣點(diǎn)為起點(diǎn)對時(shí)域脈沖寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)時(shí)間為發(fā)射脈沖寬度的一半，第一次出現(xiàn)信號幅度大于幅度上限的采樣點(diǎn)，則直接將該采樣點(diǎn)接收的脈沖信號判定為有效脈沖，即直達(dá)信號；若某采樣點(diǎn)的脈沖幅度小于幅度上限，則將該采樣點(diǎn)的脈沖幅度再與設(shè)定的幅度下限比較，若該接收的采樣點(diǎn)的脈沖幅度大于幅度下限則暫時(shí)保存該采樣點(diǎn)接收的脈沖信號，然后判斷該采樣點(diǎn)接收的脈沖信號的發(fā)射脈沖寬度的另一半內(nèi)是否有同樣幅度的脈沖出現(xiàn)，有同樣的幅度脈沖出現(xiàn)則認(rèn)為暫存的脈沖是有效脈沖，將此有效脈沖判定為直達(dá)信號，則該直達(dá)信號的采樣時(shí)間即為該接收水鳥接收到的某發(fā)射水鳥發(fā)射的聲信號的直達(dá)時(shí)間t_i，將該直達(dá)時(shí)間乘以聲速c得到某接收水鳥與某發(fā)射水鳥相對距離；遍歷所有接收水鳥，得到各個(gè)接收水鳥與各個(gè)發(fā)射水鳥之間的直線距離；

抗多途干擾方案是數(shù)據(jù)獲取之后、定位解算之前進(jìn)行的最重要的信號處理過程。由于拖纜布放的深度較淺，聲傳播過程中海面反射聲對定位系統(tǒng)解算的影響明顯，水面多途干擾是水聲定位誤差最重要的來源，需要采取有效的方法去除水面多途干擾。當(dāng)聲源與接收點(diǎn)水平距離較遠(yuǎn)時(shí)，直達(dá)聲與反射聲信號會疊加產(chǎn)生相消干涉，為此設(shè)計(jì)抗水面多途干擾方案，以避免漏報(bào)直達(dá)聲。

抗多途干擾方案如圖2所示，主要利用邏輯判決結(jié)合窄帶包絡(luò)幅度檢波和鑒寬器檢波方法進(jìn)行聯(lián)合檢測。首先求取通過窄帶濾波器后輸出信號的包絡(luò)，設(shè)置一定大小的幅度門限進(jìn)行包絡(luò)檢波，判斷包絡(luò)信號序列的幅度是否大于幅度門限。若某時(shí)刻包絡(luò)幅度大于幅度門限，認(rèn)為是接收的脈沖信號。其次，以此時(shí)刻為起點(diǎn)，利用鑒寬器對脈沖的寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)。鑒寬器的寬度門限設(shè)為大小兩種，大的門限依據(jù)發(fā)射信號的脈沖寬度而定，設(shè)定為略小于發(fā)射信號的脈沖寬度；小的門限依據(jù)疊加信號時(shí)延差的規(guī)律而定，即根據(jù)兩個(gè)信號相消干涉的規(guī)律再結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來確定，這里選擇為期望的時(shí)延估計(jì)誤差，如發(fā)射信號脈沖寬度的一半等。判決時(shí)，首先寬度計(jì)數(shù)器與大寬度門限比，大于大寬度門限則直接判為有效脈沖；小于則再與小寬度門限比較，若大于小寬度門限就暫時(shí)保存脈沖信息，然后判斷其前后等于或略大于一個(gè)脈沖寬度的時(shí)間間隔內(nèi)是否有類似的脈沖出現(xiàn)，有則認(rèn)為暫存的脈沖是有效脈沖。最后，結(jié)合這兩個(gè)脈沖信息來判斷、修正直達(dá)脈沖信息，以提高測距的精度。當(dāng)直達(dá)聲和多途干擾疊加產(chǎn)生相消干涉時(shí)，通過以上邏輯判斷出相消干涉后的直達(dá)聲脈沖和多途干擾脈沖，這兩個(gè)經(jīng)過相消干涉后的脈沖前沿之間的時(shí)間差即等于直達(dá)波的脈沖寬度。如果二者之間不發(fā)生重疊，則直達(dá)脈沖信息不需要修正。

最后采用全局解算算法(逐步解算算法和全局解算算法如圖3和圖4所示)。

(7)建立一個(gè)三維坐標(biāo)系O-x,y,z三維正交坐標(biāo)系，z的正方向垂直海平面向下，x的正方向從拖纜頭部指向尾部，y的正方向與x在海平面正交，z符合右手定則，原點(diǎn)O任意設(shè)置，設(shè)定所有發(fā)射水鳥的位置已知，并設(shè)第i個(gè)發(fā)射水鳥的位置坐標(biāo)為T_i(x_i,y_i,z_i)，根據(jù)步驟(5)或步驟(6)發(fā)射水鳥發(fā)出的聲信號從發(fā)射水鳥直接到達(dá)接收水鳥的時(shí)間為t_i，設(shè)接收水鳥的位置坐標(biāo)為(x,y,z),發(fā)射水鳥和接收水鳥之間的距離R_io為：

令，z＝h，z_i＝h_i，ΔH_i＝h-h_i，發(fā)射水鳥的深度h_i和接收水鳥的深度h分別通過安裝在發(fā)射水鳥和接收水鳥的壓力傳感器直接獲得；

將公式(1)表示為：

式中，N為大于等于3的整數(shù)；

將式(2)化簡得到：

x²+y²-2x_ix-2y_iy＝(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)² (3)

令(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)²＝Δ_i，

將i＝1,...,N代入方程(3)得到N個(gè)方程，聯(lián)立N個(gè)方程解算出接收水鳥的位置(x,y),再根據(jù)z＝h,得到接收水鳥的三維位置坐標(biāo)(x,y，z)；遍歷所有接收水鳥，得到各接收水鳥相對于各發(fā)射水鳥的三維坐標(biāo)。

全局解算算法是在所有距離數(shù)據(jù)獲取之后進(jìn)行的，通過長基線水聲定位技術(shù)建立位置解算的系統(tǒng)方程。長基線水聲定位數(shù)學(xué)模型如圖5所示。發(fā)射陣元T_i(x_i,y_i,z_i)的位置已知，從發(fā)射陣元到達(dá)接收陣元O的時(shí)間為t_i，兩陣元之間的距離

由于水下多纜定位系統(tǒng)中的陣元深度信息是通過壓力傳感器直接獲得的，可以視為接收陣元坐標(biāo)中的一維信息已知(即深度z＝h)，同樣發(fā)射陣元坐標(biāo)中的深度信息也可以通過相同方法獲得(即深度z_i＝h_i)，但是接收的深度與發(fā)射陣元的深度不同，這時(shí)的聲學(xué)定位數(shù)學(xué)模型為準(zhǔn)三維的。

令ΔH_i＝h-h_i，則公式(1)可以表示為

進(jìn)一步化簡可以表示為

x²+y²-2x_ix-2y_iy＝(t_ic)²-(ΔH_i)²-(x_i)²-(y_i)²＝Δv_i，i＝1,...,N (3)

將上面的二次方程線性化求解，消去二次項(xiàng)，得到

Ax＝b (4)

其中，A為(N-1)×2的矩陣。對于該線性方程，通過迭代最小二乘方法求解得到所有位置信息的最優(yōu)化解；

最后經(jīng)電子羅經(jīng)驗(yàn)證水聲定位的縱向位置，電子羅經(jīng)類似于指南針，是一種方位指示設(shè)備，安裝在每個(gè)發(fā)射水鳥和接收水鳥上，用于輔助定位，當(dāng)聲學(xué)定位結(jié)束后，參考這種羅經(jīng)設(shè)備可以驗(yàn)證定位結(jié)果，提高定位精度。最終的目的是根據(jù)N個(gè)已知的T_i(x_i,y_i,z_i)求取M個(gè)未知的(x、y)，h是深度信息，是由每個(gè)水鳥上的壓力傳感器直接獲得的，是已知量。

本發(fā)明克服了由于GPS等傳感器、聲學(xué)測距均存在誤差的問題，克服了每一次定位解算都會產(chǎn)生一定的誤差，導(dǎo)致根據(jù)逐步解算方案求解得到的位置誤差會傳遞到下一步，誤差會逐漸積累，隨著解算的進(jìn)行誤差越來越大；本發(fā)明的全局解算方案中位置的求解是在距離數(shù)據(jù)測量后進(jìn)行的，得到的是全局最優(yōu)解，其定位解算產(chǎn)生的誤差總體上是一致的，誤差不會累積，所以定位結(jié)果更精確。

優(yōu)選的實(shí)施例為：一種水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位方法，步驟如下：

第一步是確定水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的組網(wǎng)方式。

為了簡化分析過程，首先構(gòu)造一個(gè)簡單的水下多纜聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，其由3個(gè)發(fā)射水鳥和6個(gè)接收水鳥組成的，如圖6所示?？招膱A為發(fā)射水鳥，編號分別為1、2、3號；實(shí)心圓為接收水鳥，編號分別為1、2、3、4、5、6號，每個(gè)發(fā)射水鳥采用不同的頻率發(fā)射,這里假設(shè)1號發(fā)射水鳥的發(fā)射頻率為25kHz，2號發(fā)射水鳥的發(fā)射頻率為30kHz，3號發(fā)射水鳥的發(fā)射頻率為35kHz。

第二步是設(shè)計(jì)了一種多頻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取模型。

假設(shè)僅考慮一次海面多途反射，當(dāng)三個(gè)發(fā)射水鳥同時(shí)工作時(shí)，每個(gè)接收水鳥將收到三個(gè)直達(dá)信號和三個(gè)海面多途信號，總共六個(gè)峰值。假如現(xiàn)在需要獲取3號接收水鳥與2號發(fā)射水鳥的相對距離，只需將3號接收水鳥收到的脈沖信號按照中心頻率30kHz(2號發(fā)射水鳥的發(fā)射頻率)，帶寬1kHz進(jìn)行濾波并放大該頻率信號分量，經(jīng)過處理后的脈沖信號中就只剩下30kHz頻率的直達(dá)信號和對應(yīng)的多途信號。

若直達(dá)信號與多途信號能夠在時(shí)域上分開，接下來確定搜索窗的寬度，并以該寬度為單位在濾波后的時(shí)域脈沖信號上進(jìn)行循環(huán)，按照搜索窗內(nèi)最大幅度與平均幅度之比是否滿足指定閾值為條件，找出該脈沖信號內(nèi)的兩個(gè)峰值(一個(gè)是直達(dá)信號，另一個(gè)是多途信號)，最后再根據(jù)兩點(diǎn)間直線最短的原則，多途信號的傳播距離大于直達(dá)信號的傳播距離，相應(yīng)其衰減也會更大，所以產(chǎn)生時(shí)間靠前且幅度較大的峰值是直達(dá)信號，產(chǎn)生時(shí)間靠后且幅度較小的峰值是多途信號，以此確定直達(dá)信號的產(chǎn)生時(shí)間，結(jié)合聲速即可計(jì)算出3號接收水鳥與2號發(fā)射水鳥相對距離。若直達(dá)信號與多途信號在時(shí)域上重疊，則采用第三步中的抗多途干擾方案進(jìn)行處理。

第三步是設(shè)計(jì)了抗多途干擾的方案。

利用圖2中設(shè)計(jì)的抗多途干擾方案，對各個(gè)水鳥接收到的直達(dá)波和海面反射波干擾信號反生疊加的情況進(jìn)行處理，首先，設(shè)置一幅度門限對通過窄帶濾波器后輸出信號的包絡(luò)進(jìn)行檢波，若某時(shí)刻包絡(luò)幅度大于幅度門限，認(rèn)為是接收的脈沖信號。其次，以此時(shí)刻為起點(diǎn)對脈沖寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)，若其大于大寬度門限，則直接判為有效脈沖；小于則再與小寬度門限比較，若大于小寬度門限就暫時(shí)保存脈沖信息，然后判斷其前后一個(gè)發(fā)射信號脈寬內(nèi)是否有類似的脈沖出現(xiàn)，有則認(rèn)為暫存的脈沖是有效脈沖。最后，利用第二步中的方法，判斷直達(dá)波信號及其到達(dá)時(shí)刻。

第四步是采用全局解算方案求解所有水鳥的位置信息。

對于本例，共有三個(gè)發(fā)射水鳥，將前面推導(dǎo)的公式(3)中的N設(shè)為3，公式(3)變?yōu)椋?/p>

將(5)式中的x²+y²消去，可求得：

根據(jù)公式(6)、(7)，即可對各接收水鳥進(jìn)行定位。

說明：1、深度h是由每個(gè)水鳥上的壓力傳感器直接獲得的，是已知量。

對各接收水鳥進(jìn)行定位后，通過電子羅經(jīng)進(jìn)行驗(yàn)證，目的主要還是驗(yàn)證定位結(jié)果。

若各水鳥之間的布放距離如圖7所示，仿真擬合的各接收水鳥接收的脈沖信號如圖8(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示，橫軸為各接收水鳥接收的脈沖的時(shí)間寬度，縱軸為接收水鳥接收到的脈沖信號幅度，可以看出幅度最大的最先到達(dá)的為直達(dá)信號，定位絕對誤差如圖9(a)、(b)所示，橫坐標(biāo)為接收水鳥的標(biāo)號，1.000表示一號接收水鳥，6.000表示二號接收水鳥，以此類推，圖9(a)縱坐標(biāo)表示X軸誤差，圖9(b)縱坐標(biāo)表示Y軸誤差,從中可以看到，發(fā)射水鳥和接收水鳥的距離約為35米～145米，定位的最大絕對誤差為0.467米，平均相對誤差小于1％。