专利名称：一种相关测速声纳测量流层速度的方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量流体介质速度的方法，更具体地说，是涉及一种相关测速声纳测量流层速度的方法及其系统。
背景技术：
目前声相关测速声纳测量流层速度的方法概括如下(1)S.E.Bradley等人的美国专利5315562“Correlation Sonar System”中介绍了相关声纳，可用于测量流速的剖面和水中载体对底的速度。该发明的主要内容有4个方面(A)发射一复杂信号，它的自相关函数在延时τ＝0和τ＝τc时各有一个幅值不等的峰，避免采用以前的发射两个脉冲的技术，后者在测量流速时会引起流体介质层间的干扰。
(B)以级数形式给出了声纳阵时空相关函数对于流体介质和底介质的理论表式，表式中包括了贝赛尔函数和勒让德函数，以及由经验得出的简易表式。在进行数据处理时，因为前者复杂，所以用的是后者。
(C)基于最大似然原理，采用单纯形方法，将理论的和实验数据获得的声纳阵时空相关函数进行最佳拟合，求得流体的速度和载体对底的速度。
(D)采用匹配滤波器的方法检测海底回波。
(2)S.E.Bradley等人的美国专利5422860“Correlation Sonar System”中详细介绍了相关声纳发射信号产生的方法，发射调相伪随机信号，其自相关函数在延时τ＝0和τ＝τc时各有一个幅值不等的峰。
上述的方法在在测量流体介质的流层速度时，存在明显的不足(1)它的声纳阵时空相关函数的理论表式相当复杂，实际中难以应用，而由经验得出的简易表式缺乏足够的物理基础。这是相关测速声纳系统的最关键技术。(2)用单纯形将理论的和实验的时空相关函数拟合，并不是最好的方法。(3)采用与声纳阵时空相关函数最大值对应的速度作为速度估计的初始值，这不是最好的方法。
本申请人在申请号为“03119666.7”的中国专利申请中提供了一种“相关测速声纳测量流层速度的方法及其系统”，该方法主要包括1)对流层回波信号进行解调滤波，并计算流层时空相关函数矩阵；2)设置未知参数系综 的搜索范围，其中Vx、Vy分别是x、y方向流层的相对速度均值，σvx、σvy分别是x和y方向流层速度的方差，γ是宽度因子；3)在未知参数系综 的搜索范围内，基于最大似然原理，采用序列二次规划方法，将流层时空相关函数矩阵与理论的流体介质声纳阵时空相关函数进行拟合运算获得流层对于载体的相对速度均值{Vx，Vy}，最后结合载体对底的速度，即得到流层的绝对速度。在该申请中提出一种新的流体介质声纳阵时空相关函数 其中C是常数，τ是延时，d是相邻声纳阵基元间的间距，1F1(·)是库默尔函数，βθ=-β22θe/4π,]]>以及β2=ω0c((τV‾x+dx)2+(τV‾y+dy)2)1/2,]]>ζ2=ω0τc(σvx2+σvy2)1/2,]]>α2=tg-1τV‾y+dyτV‾x+dx,]]>α3=tg-1σvyσvx,]]>θe2=12θb2θc2θb2+θc2;]]>其中ω0是发射信号的中心频率，c是声速，dx和dy是d在x和y方向的分量，θb和θc分别是发射波束宽度和接收波束宽度。
该方法中的流体介质声纳阵时空相关函数不仅适用远场区，即平面波区，而且适用于夫琅和费区，即球面波区。而且该流体介质声纳阵时空相关函数用库默尔(Kummer)函数简洁表示，与实验符合良好。但是，在该申请中仍然存在明显的不足(1)它采用最大似然原理估计速度，在实际工作情况中，环境噪声在空间上往往是不均匀的，声纳阵基元的幅度和相位存在不一致性，因此最大似然原理估计方法的性能有明显的退化；最大似然原理计算相当复杂，计算量相当大；(2)现有的信号计算方法采用非局域化的方法，在时空函数的整个区域搜索，包括信噪比低的区域，这使测速精度下降，有时下降明显；(3)它没有指出如何使公式(1)中的C成为常数。

发明内容
本发明的目的之一是对现有技术的测量流层速度方法中的拟合方法进行改进；本发明的另一个目的是对现有技术的测量流层速度方法中的矩阵数据处理方法进行改进。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种相关测速声纳测量流层速度的方法，包括以下步骤(1)选择发射编码，该发射编码在相关延时非零时具有峰值。
(2)根据发射编码发射声脉冲到流体介质中，并接收流层反向散射的回波信号。
(3)对流层回波信号进行解调滤波，并计算流层的数据时空相关函数矩阵。
(4)将所述数据时空相关函数矩阵中的所有元素作绝对值运算，获得流层的数据时空相关函数绝对值矩阵，所述数据时空相关函数绝对值矩阵中的元素具有一最大值EMax；(5)设定一门限值x，其中0＜x≤1，优选0.7＜x≤1；在所述数据时空相关函数绝对值矩阵中，将数值小于xEMax的元素置零，数值大于或等于xEMax的元素保持不变，对所有元素进行此操作后获得流层局域化的时空相关函数绝对值矩阵；(6)设置未知参数系综 的搜索范围，其中Vx、Vy分别是x、y方向流层的相对速度均值，σvx、σvy分别是x和y方向流层速度的方差，γ是宽度因子；(7)在未知参数系综 的搜索范围内，基于非线性最小二乘原理，采用序列二次规划方法，将步骤(5)中的流层局域化的时空相关函数绝对值矩阵与理论流体介质时空相关函数的绝对值矩阵进行拟合运算。其中，所述的理论流体介质时空相关函数的绝对值为 其中C是常数，τ是延时，d是相邻声纳阵基元间的间距，1F1(·)是库默尔函数，βθ=-β22θc/4π,]]>以及β2=ω0c((τV‾x+dx)2+(τV‾y+dy)2)1/2,]]>ζ2=ω0τc(σvx2+σvy2)1/2,]]>α2=tg-1τV‾y+dyτV‾x+dx,]]>α3=tg-1σvyσvx,]]>θe2=12θb2θc2θb2+θc2;]]>其中ω0是发射信号的中心频率，c是声速，dx和dy是d在x和y方向的分量，θb和θc分别是发射波束宽度和接收波束宽度；(8)由步骤(7)的拟合结果得到流层对于载体的相对速度均值{Vx，Vy}；再结合载体对底的速度，即得到流层的绝对速度。
在一次测量结束后可重复步骤(1)～(8)，进行下一次流层速度的测量，在重复步骤(6)时，将上一次或多次测量得到的流层相对速度均值的平均作为未知参数系综 的搜索范围的初始值。
本发明还提供一种相关测速声纳系统，包括声纳阵200和电子分机，电子分机内包括计算机406，所述计算机406内包括初始化模块，用于软件和硬件的初始化；发射编码模块，用于选择发射编码，该发射编码在相关延时非零时具有峰值；发射/接收模块，用于根据发射编码向流体介质内发射声脉冲，并接收流层反向散射的回波信号；解调滤波模块，用于对流层回波信号进行解调滤波；第一计算模块，用于根据解调滤波后的流层回波信号计算流层的数据时空相关函数矩阵；第二计算模块，用于将数据时空相关函数矩阵作绝对值运算获得流层的数据时空相关函数绝对值矩阵；第三计算模块，用于在数据时空相关函数绝对值矩阵中择取出其最大值EMax并设定一门限值x，其中0＜x≤1；该模块还用于在所述数据时空相关函数绝对值矩阵中，将数值小于xEMax的元素置零，数值大于或等于xEMax的元素保持不变，对所有元素进行此操作后获得流层局域化的时空相关函数绝对值矩阵；参数模块，用于存储未知参数系综 的搜索范围，其中Vx、Vy分别是x、y方向流层的相对速度均值，σvx、σvy分别是x和y方向流层速度的方差，γ是宽度因子；参数模块所存储的未知参数系综 搜索范围的初始值优选是上一次或多次测得的流层相对速度均值的平均；第四计算模块，用于在参数模块中的未知参数系综 的搜索范围内，基于非线性最小二乘原理，采用序列二次规划方法，将第三计算模块中计算得到的流层局域化的时空相关函数绝对值矩阵与理论流体介质时空相关函数的绝对值矩阵进行拟合运算；所述理论流体介质时空相关函数的绝对值矩阵为 其中C是常数，τ是延时，d是相邻声纳阵基元间的间距，1F1(·)是库默尔函数，βθ=-β22θe/4π,]]>以及β2=ω0c((τV‾x+dx)2+(τV‾y+dy)2)1/2,]]>ζ2=ω0τc(σvx2+σvy2)1/2,]]>α2=tg-1τV‾y+dyτV‾x+dx,]]>α3=tg-1σvyσvx,]]>θe2=12θb2θc2θb2+θc2;]]>其中ω0是发射信号的中心频率，c是声速，dx和dy是d在x和y方向的分量，θb和θc分别是发射波束宽度和接收波束宽度；速度模块，用于存储由第四计算模块的拟合结果得到的流层对于载体的相对速度均值{Vx，Vy}。
本发明的信号处理方法基于非线性最小二乘原理，只处理流体介质时空相关函数的绝对值矩阵和此绝对值矩阵幅值较大的部分，因此称它为信号局域非线性最小二乘方法。
本发明的优点在于(1)在测量流体介质的速度时，本发明基于非线性最小二乘原理估计速度，与最大似然原理相比，它的鲁棒性好，计算量小，特别是在相关测速声纳的实际工作情况下，环境噪声在空间上往往是不均匀的，声纳阵基元的幅度和相位存在不一致性，它们对最小二乘原理的不利影响要明显小于对最大似然原理的影响。
(2)本发明的信号处理对象是流体介质时空相关函数的绝对值，这使得公式(1)中的C是常数。它只与载体的平均水平运动速度Vx和Vy有关，这样获得的速度值精度高，计算量小。对于绝大数实际使用情况，知道Vx和Vy已是足够了。
(3)本发明采用局域化的方法，用数据时空相关函数绝对值矩阵中幅值大的区域计算速度，去除了信噪比低的区域，提高了测量精度。


图1是相关测速声纳系统工作示意图；图2是相关测速声纳系统的装置示意图；图3是相关测速声纳系统的软件流程图；图4是图3的流程图中步骤609的详细流程图；图5是本发明的相关测速声纳系统(ACCP)与RDI相控阵声多普勒海流剖面仪(PAADCP)分别测得的流层速度对比，水层水深150米；其中，图5a是两设备分别测量的速度幅值701和703，图5b是两设备分别测量的速度方向702和704。
图面说明载体100声纳阵200水下电子分机300干端400终端500具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，使用相关测速声纳系统测量载体对底的速度时，该系统装载于载体100上，相关测速声纳系统总体上包括声纳阵200和电子分机。电子分机包括水下电子分机300、干端400和终端500。其中，声纳阵200和水下电子分机300安装在水下，干端400和终端500安装在水面上。声纳阵200中发射声纳阵向水中发射声脉冲，一个脉宽的声脉冲102在水中传播，与海底相交在环103上，产生了流回波和底回波，回波被声纳阵200中的接收声纳阵接收，再经电子分机处理后，得到各流层的速度。
相关测速声纳系统的详细结构如图2所示，包括声纳阵200和电子分机；声纳阵200中包括接收换能器203、发射换能器202和收发换能器201，由接收换能器203和收发换能器201共同组成接收声纳阵，同时由发射换能器203和收发换能器201共同组成发射声纳阵。
水下电子分机300包括多个与接收换能器203和收发换能器201相连接的前置放大器302，在前置放大器302和收发换能器201之间还连接有收发转换器301；水下电子分机300内还包括温度传感器303、漏水传感器304和姿态传感器305，分别与干端400中的声纳接口控制板407连接。
干端400中的发射机401与发射换能器202连接，多路接收机402与前置放大器302连接，多路同步数据采集板403与多路接收机402连接，DSP处理机404与多路同步数据采集板403连接；干端400还包括计算机406，并通过数据/控制总线405分别与DSP处理机404和多路同步数据采集板403连接；干端400还包括声纳接口控制板407，分别与多路接收机402、发射机401、DSP处理机404和计算机406连接；AC/DC电源408分别与声纳接口控制板407、多路接收机402、发射机401、数据/控制总线405、温度传感器303、漏水传感器304和姿态传感器305连接；干端400还包括与计算机406连接的GPS409和电罗经410。
终端500包括通过网络501与计算机406连接的远程计算机502。
该系统的专用测速程序装载在计算机406的存储器中，该程序包括初始化模块、发射编码模块、发射/接收模块、解调滤波模块、第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块、参数模块、第四计算模块和速度模块，并按照图3所示流程图中的步骤执行。
步骤601是开始步骤，由终端计算机502发出指令，经网络501传输到计算机406，启动计算机406存储器中的程序，使声纳系统处于工作状态。在步骤602和603中，程序中的初始化模块对软件和系统硬件进行初始化。在步骤605中，发射编码模块根据流体介质的分层厚度和流速范围选择发射编码，该发射编码在相关延时非零时具有峰值。在步骤606中，发射/接收模块将计算机406的指令经数据/控制总线405使DSP处理机404产生发射信号驱动发射机401，再经收发转换器301驱动收发换能器201和发射换能器202，发出声脉冲到流体介质中。在步骤607中，发射/接收模块控制接收换能器203和收发换能器201接收从流体介质中反向散射的回波信号，经前置放大器302馈送给多路接收机402，再经多路同步数据采集板403馈送到DSP处理机404。在步骤608中，解调滤波模块控制DSP处理机404对其接收到的回波信号进行解调滤波。
在步骤609中，由第一、二和三计算模块控制DSP处理机404通过回波信号计算流层局域化的时空相关函数绝对值矩阵，其具体流程如图4所示。在图4中，第一计算模块首先根据解调滤波后的流层回波信号计算流层的数据时空相关函数矩阵，然后第二计算模块将将数据时空相关函数矩阵作绝对值运算获得流层的数据时空相关函数绝对值矩阵，最后第三计算模块将流层的数据时空相关函数绝对值矩阵进行局域化操作。其中，这里的局域化是指在流层的数据时空相关函数绝对值矩阵中择取出其最大值EMax，并设定一门限值x，其中0＜x≤1，然后将绝对值矩阵中数值小于xEMax的元素置零，数值大于或等于xEMax的元素保持不变，对所有元素进行此操作后即可获得流层局域化的时空相关函数绝对值矩阵。在这里，进行的局域化操作只取大于和等于xEMax的元素，即只取信噪比大的区域，舍掉信噪比小的区域，进一步简化了计算，提高了测量精度。在实际应用时，门限x优选在0.7到1之间。
在申请号为“03119666.7”的中国专利申请中提供了一种如公式(1)描述的底介质声纳阵时空相关函数。在本发明中，理论的流体介质声纳阵时空相关函数形式为 C(exp{if(Vz)}){exp(γβθ)-ζ22[θe22πF11(2;1;βθ)-cos2(α3-α2)β22θe48π2F11(3;3;βθ)]}---(2)]]>其中C是f(Vz)的函数，f是某函数，Vz是z方向各流层的相对速度，τ是延时，d是相邻声纳阵基元间的间距，1F1(·)是库默尔函数，βθ=-β22θe/4π,]]>以及β2=ω0c((τV‾x+dx)2+(τV‾y+dy)2)1/2,]]>ζ2=ω0τc(σvx2+σvy2)1/2,]]>α2=tg-1τV‾y+dyτV‾x+dx,]]>α3=tg-1σvyσvx,]]>θe2=12θb2θc2θb2+θc2;]]>其中ω0是发射信号的中心频率，c是声速，dx和dy是d在x和y方向的分量，θb和θc分别是发射波束宽度和接收波束宽度。
由公式(2)可见 与Vx、Vy和Vz有关，如果同时估计此三个速度，则计算复杂，精度也不会高。将公式(2)所描述的理论的流体介质声纳阵时空相关函数取绝对值后，得到 此时，C是常数。将公式(3)描述的理论流体介质时空相关函数绝对值构成矩阵，该矩阵称为理论的流体介质时空相关函数绝对值矩阵，它只与Vx和Vy有关。这样计算简化，精度提高。在实际情况下，往往只需要Vx和Vy已是足够了。公式(1)与公式(3)虽然形式相同，但获得的方法不同。公式(1)是人为设C为常数，而公式(3)是由正确的时空相关函数公式(2)取绝对值得到，物理意义明确，显然比公式(1)好。
在步骤610中，由参数模块设置并存储公式(3)中未知系综 在各个流层的非线性最小二乘法的搜索范围，其中，在首次测量时，可以将未知系综 的搜索范围设置的尽可能的大，从而将真实的流层速度值包含在该范围内。在以后的测量中优选采用前一次或多次的测量结果的均值作为搜索范围的初始值，这样可提高运算速度、减少硬件开销。
在步骤611中，第四计算模块控制DSP处理机404将步骤609中的各流层局域化的时空相关函数绝对值矩阵与本发明的理论的流体介质时空相关函数绝对值矩阵进行拟合运算，从而得到各流层的速度，即各流层相对于载体100的相对速度均值。该拟合算法基于非线性最小二乘原理，可以采用单纯形方法或序列二次规划方法，优选为序列二次规划方法。
在步骤612中，速度模块将步骤611得到的拟合结果经数据/控制总线405馈送给计算机406，并存储在存储器中。步骤612之后，可返回步骤605进行下一次测量。将步骤611得到的各流层相对于载体100的相对速度均值，结合载体100的对底速度，即可得到各流层的绝对速度。
最后还可以将温度传感器303、漏水传感器304和姿态传感器305的数据经声纳接口控制器407馈送给计算机406。计算机406再融合GPS409和电罗经410的数据，最终结果经网络501馈送给终端计算机502。
图5是使用本发明的相关测速声纳系统在中心频率23.5kHz，带宽4.4kHz时与声多普勒海流剖面仪分别测得的海面下350m处流层的速度图。其中，图5a表示的是两设备在不同时间分别测得的流层速度幅值701和703，横坐标是时间，纵坐标是速度幅值；图5b表示的是两设备在不同时间分别测得的流层速度的方向702和704，横坐标是时间，纵坐标是角度。两者相当符合。
权利要求
1.一种相关测速声纳测量流层速度的方法，包括以下步骤(1)选择发射编码；(2)根据发射编码发射声脉冲到流体介质中，并接收流层反向散射的回波信号；(3)对流层回波信号进行解调滤波，并计算流层的数据时空相关函数矩阵；(4)将所述数据时空相关函数矩阵中的所有元素作绝对值运算，获得流层的数据时空相关函数绝对值矩阵，所述数据时空相关函数绝对值矩阵中的元素具有一最大值EMax；(5)设定一门限值x，其中0＜x≤1；在所述数据时空相关函数绝对值矩阵中，将数值小于xEMax的元素置零，数值大于或等于xEMax的元素保持不变，对所有元素进行此操作后获得流层局域化的时空相关函数绝对值矩阵；(6)设置未知参数系综 的搜索范围，其中Vx、Vy分别是x、y方向流层的相对速度均值，σvx、σvy分别是x和y方向流层速度的方差，γ是宽度因子；(7)在未知参数系综 的搜索范围内，基于非线性最小二乘原理，将步骤(5)中的流层局域化的时空相关函数绝对值矩阵与理论流体介质时空相关函数的绝对值矩阵进行拟合运算；所述的理论流体介质时空相关函数的绝对值为 其中C是常数，τ是延时，d是相邻声纳阵基元间的间距，1F1(·)是库默尔函数，βθ=-β22θe/4π,]]>以及β2=ω0c((τV‾x+dx)2+(τV‾y+dy)2)1/2,ζ2=ω0τc(σvx2+σvy2)1/2,]]>α2=tg-1τV‾y+dyτV‾x+dx,α3=tg-1σvyσvx,θe2=12θb2θc2θb2+θc2;]]>其中ω0是发射信号的中心频率，c是声速，cx和dy是d在x和y方向的分量，θb和θc分别是发射波束宽度和接收波束宽度；(8)由步骤(7)的拟合结果得到流层对于载体的相对速度均值{Vx，Vy)；再结合载体对底的速度，即得到流层的绝对速度。
2.根据权利要求1所述的相关测速声纳测量流层速度的方法，其特征在于，所述门限值0.7＜x≤1。
3.根据权利要求1所述的相关测速声纳测量流层速度的方法，其特征在于，重复步骤(1)～(8)，进行下一次流层速度的测量。
4.根据权利要求1所述的相关测速声纳测量流层速度的方法，其特征在于，步骤(7)中的拟合算法为序列二次规划方法。
5.根据权利要求3所述的相关测速声纳测量流层速度的方法，其特征在于，在重复步骤(6)时，将上一次或多次测量得到的流层相对速度均值的平均作为未知参数系综 的搜索范围的初始值。
6.根据权利要求1所述的相关测速声纳测量流层速度的方法，其特征在于，步骤(1)中的发射编码在相关延时非零时具有峰值。
7.一种实施权利要求1所述方法的相关测速声纳系统，包括声纳阵(200)和电子分机，电子分机内包括计算机(406)，其特征在于，所述计算机(406)内包括初始化模块，用于软件和硬件的初始化；发射编码模块，用于选择发射编码；发射/接收模块，用于根据发射编码向流体介质内发射声脉冲，并接收流层反向散射的回波信号；解调滤波模块，用于对流层回波信号进行解调滤波；第一计算模块，用于根据解调滤波后的流层回波信号计算流层的数据时空相关函数矩阵；第二计算模块，用于将数据时空相关函数矩阵作绝对值运算获得流层的数据时空相关函数绝对值矩阵；第三计算模块，用于在数据时空相关函数绝对值矩阵中择取出其最大值EMax并设定一门限值x，其中0＜x≤1；该模块还用于在所述数据时空相关函数绝对值矩阵中，将数值小于xEMax的元素置零，数值大于或等于xEMax的元素保持不变，对所有元素进行此操作后获得流层局域化的时空相关函数绝对值矩阵；参数模块，用于存储未知参数系综 的搜索范围，其中Vx、Vy分别是x、y方向流层的相对速度均值，σvx、σvy分别是x和y方向流层速度的方差，γ是宽度因子；第四计算模块，用于在参数模块中的未知参数系综 的搜索范围内，基于非线性最小二乘原理，将第三计算模块中计算得到的流层局域化的时空相关函数绝对值矩阵与理论流体介质时空相关函数的绝对值矩阵进行拟合运算；所述理论流体介质时空相关函数的绝对值矩阵为 其中C是常数，τ是延时，d是相邻声纳阵基元间的间距，1F1(·)是库默尔函数，βθ=-β22θe/4π,]]>以及β2=ω0c((τV‾x+dx)2+(τV‾y+dy)2)1/2,ζ2=ω0τc(σvx2+σvy2)1/2,]]>α2=tg-1τV‾y+dyτV‾x+dx,α3=tg-1σvyσvx,θe2=12θb2θc2θb2+θc2;]]>其中ω0是发射信号的中心频率，c是声速，dx和dy是d在x和y方向的分量，θb和θc分别是发射波束宽度和接收波束宽度；速度模块，用于存储由第四计算模块的拟合结果得到的流层对于载体的相对速度均值{Vx，Vy}。
8.根据权利要求7所述的相关测速声纳系统，其特征在于，第四计算模块是采用序列二次规划方法进行拟合运算的计算模块。
9.根据权利要求7所述的相关测速声纳系统，其特征在于，参数模块所存储的未知参数系综 搜索范围的初始值是上一次或多次测得的流层相对速度均值的平均。
10.根据权利要求7所述的相关测速声纳系统，其特征在于，发射编码模块产生的发射编码在相关延时非零时具有峰值。
全文摘要
本发明公开了一种相关测速声纳测量流层速度的方法和系统。本发明采用局域化的方法，用流层的数据时空相关函数绝对值矩阵中幅值大的区域来计算速度，去除了信噪比低的区域。本发明基于非线性最小二乘原理，采用序列二次规划方法将流层局域化的数据时空相关函数绝对值矩阵与理论的流体介质时空相关函数绝对值矩阵进行拟合运算来估计速度。采用本发明的方法测量流层速度时，鲁棒性好，计算量小，测量精度高。
文档编号G01S15/00GK1621858SQ20031011515
公开日2005年6月1日 申请日期2003年11月24日 优先权日2003年11月24日
发明者朱维庆, 王长红 申请人:中国科学院声学研究所