CN113761462B - 基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水声定位领域的基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法，包括如下步骤：S101、确定初始入射角初值

第一次迭代计算：第一个历元的初始入射角初值通过换能器坐标和应答器的概略坐标计算得到，其余历元采用前一个历元计算的初始入射角作为其初始入射角初值；其余迭代计算：采用前一次迭代计算对应历元的初始入射角作为其初始入射角。本发明能够精确地确定了初始入射角初值并缩小了初始入射角的含根区间，依据水平传播距离与初始入射角构建模型并直接迭代更新含根区间左端点，当坐标改正数较小时无需迭代计算初始入射角，直接进行定位解算，该方法能够在保证水声定位精度的同时，显著提高水声定位计算效率。

Description

基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法

技术领域

本发明涉及水声定位领域，具体是基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法。

背景技术

水声定位中，层内常梯度声线跟踪可有效提高定位精度，但需计算初始入射角，而传统初始入射角方法迭代计算效率低下，针对此问题，提出了一种基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法，该方法采用前一个历元和上一次迭代计算的初始入射角作为初始入射角初值，并根据实验参数和坐标改正数缩小初始入射角的含根区间；推导了水平传播距离与初始入射角的函数关系，依据此函数构建初始入射角迭代计算模型并直接迭代更新含根区间左端点；且当坐标改正数达到一定阈值后，直接采用上次迭代计算的初始入射角进行声线跟踪并定位解算，通过仿真和实测数据对比分析，结果表明：在不同的初始入射角情况下，本文方法与二分法、弦截法、牛顿法等传统方法的定位精度保持一致，而定位计算效率显著提高。

虽然已有的方法可以精确地计算初始入射角，但还存在各种各样的问题，以换能器到海底应答器的大地线为约束条件，不断调整初始入射角，当声线跟踪法计算的水平位移与大地线的差值小于某一限差时，所对应的初始入射角即为所求值；此方法采用大地线为概略值，所以必然会对初始入射角的计算产生相应的影响，在已知换能器和应答器水平坐标的情况下，以换能器和应答器的先验水平距离作为先验值，采用牛顿法来不断调整初始入射角，当计算的水平距离与先验值小于一定阈值时，即可求得初始入射角；此方法在初始入射角较大时运算时间较长，进而降低了水声定位计算效率，将压力传感器测量的海底应答器水深作为先验信息，利用二分法迭代计算，当计算的应答器深度与先验信息小于一定阈值时输出初始入射角；此方法仅适用于有压力计设备的实验，另外当水深较深时，压力计的测量误差较大，进而影响初始入射角的计算，以上研究虽然可以计算初始入射角，且当初始入射角较大时能够收敛，但收敛速度慢，增加了层内常梯度声线跟踪的迭代时间，进而降低了水声定位的计算效率，针对层内常梯度声线跟踪中传统初始入射角方法迭代计算效率低下问题，提出了一种基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法，其特征在于：包括如下步骤：

S101、确定初始入射角初值

第一次迭代计算：第一个历元的初始入射角初值通过换能器坐标和应答器的概略坐标计算得到，其余历元采用前一个历元计算的初始入射角作为其初始入射角初值；其余迭代计算：采用前一次迭代计算对应历元的初始入射角作为其初始入射角；

S102、设定初始入射角的含根区间

第一次迭代计算：通过水深、船速和采样间隔等实验参数确定初始入射角区间

水深越深、船速越慢、采样间隔越短，区间越小，本文设置为δ＝0.5°，其余迭代计算：根据应答器坐标改正数确定，改正数越小，区间越小；

S103、构建初始入射角计算模型

推导了水平传播距离与初始入射角的函数关系，并基于声波传播时间利用水平传播距离与初始入射角的函数关系构建初始入射角计算模型；

S104、判断最优解是否在区间内

基于初始入射角计算模型，计算a和b对应的水平传播距离y(a)和y(b)，当y(a)*y(b)≤0时，表示最优解在区间内，转向步骤S105；当y(a)＜0&y(b)＜0时，[a,b]＝[a,b]+δ，当y(a)＞0&y(b)＞0时，[a,b]＝[a,b]-δ，重复步骤S104；

S105、每一个历元的初始入射角迭代计算

采用弦截法迭代公式计算初始入射角并直接更新含根区间的左端点，当

时，输出初始入射角

否则，重复步骤S105，式中：

和

分别为第k和k+1次迭代计算的初始入射角，ε为初始入射角阈值；

S106、无需计算初始入射角

当应答器坐标改正数小于一定阈值α时，无需迭代计算初始入射角，采用上一次迭代计算的初始入射角直接定位解算。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤S102中δ取值时的参数为：水深1000m，船速5节，采样间隔8s。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤S103中构建出生入射角计算模型是在弦截法的基础上采用水平传播距离和初始入射角构建初始入射角计算模型，需先确定水平传播距离与初始入射角函数的单调性，由

可得：

式中，Δy_i、cosθ_i、cosθ_i+1和tanθ₀都大于0，所以

大于0，因此水平传播距离与初始入射角的函数单调递增；

初始入射角计算模型：

式中，y⁰为换能器和应答器坐标计算的水平距离，θ_i和θ_i+1分别为第i和i+1层的入射角，p为Snell常数，g_i为第i层的梯度，R_i为第i层的曲率半径，θ₀和C₀分别为初始入射角和表层声速，C_i和C_i+1分别为第i和i+1层的声速，n为声速剖面的层数。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤S105中的弦截法迭代公式为：

式中，

和

分别为第k和k+1次迭代计算的水平距离。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤S106中α为坐标改正数阈值β的倍数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能够精确地确定了初始入射角初值并缩小了初始入射角的含根区间，依据水平传播距离与初始入射角构建模型并直接迭代更新含根区间左端点，当坐标改正数较小时无需迭代计算初始入射角，直接进行定位解算。该方法能够在保证水声定位精度的同时，显著提高水声定位计算效率

附图说明

图1为本发明的方案图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例中，基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法，基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法，包括如下步骤：

S101、确定初始入射角初值

第一次迭代计算：第一个历元的初始入射角初值通过换能器坐标和应答器的概略坐标计算得到，其余历元采用前一个历元计算的初始入射角作为其初始入射角初值；其余迭代计算：采用前一次迭代计算对应历元的初始入射角作为其初始入射角；

S102、设定初始入射角的含根区间

第一次迭代计算：通过水深、船速和采样间隔等实验参数确定初始入射角区间

水深越深、船速越慢、采样间隔越短，区间越小，本文设置为δ＝0.5°，其余迭代计算：根据应答器坐标改正数确定，改正数越小，区间越小；

S103、构建初始入射角计算模型

推导了水平传播距离与初始入射角的函数关系，并基于声波传播时间利用水平传播距离与初始入射角的函数关系构建初始入射角计算模型；

S104、判断最优解是否在区间内

基于初始入射角计算模型，计算a和b对应的水平传播距离y(a)和y(b)，当y(a)*y(b)≤0时，表示最优解在区间内，转向步骤S105；当y(a)＜0&y(b)＜0时，[a,b]＝[a,b]+δ，当y(a)＞0&y(b)＞0时，[a,b]＝[a,b]-δ，重复步骤S104；

S105、每一个历元的初始入射角迭代计算

采用弦截法迭代公式计算初始入射角并直接更新含根区间的左端点，当

时，输出初始入射角

和

分别为第k和k+1次迭代计算的初始入射角，ε为初始入射角阈值；否则，重复步骤S105；

S106、无需计算初始入射角

当应答器坐标改正数小于一定阈值α时，无需迭代计算初始入射角，采用上一次迭代计算的初始入射角直接定位解算。

本实施例中，所述步骤S102中δ取值时的参数为：水深1000m，船速5节，采样间隔8s。

本实施例中，所述步骤S103中构建出生入射角计算模型是在弦截法的基础上采用水平传播距离和初始入射角构建初始入射角计算模型，需先确定水平传播距离与初始入射角函数的单调性，由

可得：

式中，Δy_i、cosθ_i、cosθ_i+1和tanθ₀都大于0，所以

大于0，因此水平传播距离与初始入射角的函数单调递增；

初始入射角计算模型：

式中，y⁰为换能器和应答器坐标计算的水平距离，θ_i和θ_i+1分别为第i和i+1层的入射角，p为Snell常数，g_i为第i层的梯度，R_i为第i层的曲率半径，θ₀和C₀分别为初始入射角和表层声速，C_i和C_i+1分别为第i和i+1层的声速，n为声速剖面的层数。

本实施例中，所述步骤S105中的弦截法迭代公式为：

1.

和

分别为第k和k+1次迭代计算的水平距离。

本实施例中，所述步骤S106中α为坐标改正数阈值β的倍数。

本实施例中，该计算改进方法能够精确地确定了初始入射角初值并缩小了初始入射角的含根区间，依据水平传播距离与初始入射角构建模型并直接迭代更新含根区间左端点，当坐标改正数较小时无需迭代计算初始入射角，直接进行定位解算。该方法能够在保证水声定位精度的同时，显著提高水声定位计算效率。

实施例2

可以通过现场测量或者计算的方式获得的参考深度、量测的声波传播时间和SVP迭代计算初始入射角，然后根据计算的初始入射角对应的水平传播距离和垂直距离计算换能器至应答器的斜距；以换能器至应答器的大地线为约束条件，不断迭代计算初始入射角，当采用层内常梯度声线跟踪计算的水平传播位移与大地线的差值小于某一限差时，即求得所需初始入射角；根据应答器的概略坐标搜索本征声线，从而确定初始入射角，具体实现是以应答器至换能器的垂直距离为约束条件，以声线的到达位置和应答器概略坐标的距离为判断条件，利用弦截法求得精确的初始入射角；在深度和SVP一定的条件下，根据传播时间随初始入射角的变化关系建立迭代方程，利用牛顿法迭代计算初始入射角。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法，其特征在于：包括如下步骤：

S101、确定初始入射角初值

第一次迭代计算：第一个历元的初始入射角初值通过换能器坐标和应答器的概略坐标计算得到，其余历元采用前一个历元计算的初始入射角作为其初始入射角初值；其余迭代计算：采用前一次迭代计算对应历元的初始入射角作为其初始入射角；

S102、设定初始入射角的含根区间

第一次迭代计算：通过水深、船速和采样间隔实验参数确定初始入射角区间

水深越深、船速越慢、采样间隔越短，区间越小，本文设置为δ＝0.5°，其余迭代计算：根据应答器坐标改正数确定，改正数越小，区间越小；

S103、构建初始入射角计算模型

推导了水平传播距离与初始入射角的函数关系，并基于声波传播时间利用水平传播距离与初始入射角的函数关系构建初始入射角计算模型；

S104、判断最优解是否在区间内

基于初始入射角计算模型，计算a和b对应的水平传播距离y(a)和y(b)，当y(a)*y(b)≤0时，表示最优解在区间内，转向步骤S105；当y(a)＜0&y(b)＜0时，[a,b]＝[a,b]+δ，当y(a)＞0&y(b)＞0时，[a,b]＝[a,b]-δ，重复步骤S104；

S105、每一个历元的初始入射角迭代计算

采用弦截法迭代公式计算初始入射角并直接更新含根区间的左端点，当

时，输出初始入射角

否则，重复步骤S105，其中，

和

分别为第k和k+1次迭代计算的初始入射角，ε为初始入射角阈值；

S106、无需计算初始入射角

当应答器坐标改正数小于一定阈值α时，无需迭代计算初始入射角，采用上一次迭代计算的初始入射角直接定位解算。

2.根据权利要求1所述的基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法，其特征在于：所述步骤S102中δ取值时的参数为：水深1000m，船速5节，采样间隔8s。

3.根据权利要求1所述的基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法，其特征在于：所述步骤S103中构建出生入射角计算模型是在弦截法的基础上采用水平传播距离和初始入射角构建初始入射角计算模型，需先确定水平传播距离与初始入射角函数的单调性，由

可得：

式中，Δy_i、cosθ_i、cosθ_i+1和tanθ₀都大于0，所以

大于0，因此水平传播距离与初始入射角的函数单调递增；

初始入射角计算模型：

式中，y⁰为换能器和应答器坐标计算的水平距离，θ_i和θ_i+1分别为第i和i+1层的入射角，p为Snell常数，g_i为第i层的梯度，R_i为第i层的曲率半径，θ₀和C₀分别为初始入射角和表层声速，C_i和C_i+1分别为第i和i+1层的声速，n为声速剖面的层数。

4.根据权利要求1所述的基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法，其特征在于：所述步骤S105中的弦截法迭代公式为：

式中，

和

分别为第k和k+1次迭代计算的水平距离。

5.根据权利要求1所述的基于弦截法的初始入射角迭代计算改进方法，其特征在于：所述步骤S106中α为坐标改正数阈值β的倍数。

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