[發明專利]基于倒置式多波束回聲儀的聲速剖面反演方法

有效

• 申請號: 201910410164.4
• 申請日: 2019-05-16
• 公開（公告）號: CN110146895B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 金麗玲;徐文
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01S15/88
• 分類號: G01S15/88;G01H5/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

1.一種基于倒置式多波束回聲儀的聲速剖面反演方法，其特征是，包括如下步驟：

(1)將多波束回聲儀倒置式安裝于水下潛標或者固定于水底，通過發射換能器陣向水面發射波束，通過接收換能器陣接收回波信號；

(2)多波束回聲儀根據接收到的回波信號，獲得回波的到達角和到達時間；

(3)根據聲速剖面先驗信息，求解經驗正交函數EOF，得到聲速剖面的降維基函數描述方法：

某一時刻t，聲速剖面可以表示為：

式(1)中，z表示深度；c₀(z)表示深度z處的平均聲速，Δc(z,t)表示擾動量；i表示EOF的階數，1≤i≤I，I表示EOF的總階數，α_i(t)表示第i階EOF系數，ψ_i(z)表示第i階EOF；

(4)聲線跟蹤算法：

由于海水的不均一性以及各向異性，聲波在穿越不同聲速層時會發生折射，從而導致聲線彎曲；在非均勻介質條件下，假設聲速只在垂直方向上變化，而在水平方向上是均勻的，聲線傳播遵循Snell定理：

式(2)中，c₀表示換能器基陣位置處的聲速，稱之為表面聲速；θ表示波束回波到達接收陣時與垂直方向的夾角；c(z)表示深度z處的聲速，θ(z)表示深度z處聲線切線與垂直方向的夾角；假設在很小的一段時間dt內，聲線傳播的水平距離dr、垂直距離dz以及路徑長度ds滿足

則自換能器基陣發出的聲線到達深度z處的傳播時間t為：

且聲線傳播的水平距離r為：

式(5)中，z₀為換能器基陣深度；

由于海洋環境復雜多變，難以采用簡單的連續函數表示聲速剖面c(z)；實測的聲速剖面一般是由一些離散的測量點所組成，可以根據這些測量點的深度將整個水體分成若干層；具體為假設層內聲速為常梯度變化進行聲線跟蹤計算；

首先，將水體沿深度方向分為N層，假設分層處的深度與聲速值分別為z＝[z₀,z₁,…,z_N]^T和c＝[c₀,c₁,…,c_N]^T，并假設層內聲速常梯度，即：

c(z)＝c_i+g_i(z-z_i), (6)

其中，i表示層數(i＝0,2,…,N-1)，c_i表示第i層分界處的聲速值，z_i表示第i層的深度，g_i表示第i層內的聲速梯度；根據式(4)可知，在層內常梯度假設下，第i層內聲線的雙程傳播時間可表示為：

根據式(5)可知，第i層聲線傳播的水平距離可表示為：

則整個深度范圍內，聲線總的傳播時間、水平距離與深度的關系可表示為：

式中，c(z)＝c_i+g_i(z-z_i)，t_n及r_n的計算公式如式(7)和式(8)所示；

(5)結合EOF、聲線跟蹤算法、表面聲速以及多波束數據，建立優化模型：

式(11)中，K為權重系數，Toa_meas(t)為t時刻所有波束到達時間的實際測量數據，Toa_est(t)為t時刻所有波束到達時間的估計值，c_0meas(t)為t時刻多波束回聲儀接收換能器陣所在位置聲速的測量數據，c_0est(t)為t時刻多波束回聲儀接收換能器陣所在位置聲速的估計值；為測量算子，可根據聲線跟蹤算法進行計算，Doa_meas(t)為t時刻所有波束的到達方向測量值；

(6)根據步驟(5)建立的優化模型、步驟(2)中接收到的回波的到達角和到達時間以及接收換能器陣所在位置聲速的測量值，利用優化算法獲得EOF系數的反演值，進而利用式(1)獲得聲速剖面的估計結果。