大入射角声线跟踪定位方法

摘要

本发明涉及一种水下声学定位方法，具体为基于分层等梯度声线跟踪的大入射角声线跟踪定位方法，根据分层等梯度假设中第一层曲率半径的公式用第一层曲率半径R来表示Snell常数p；将声波在水层中水平位移公式中的Snell常数p用曲率半径R表示；对新建立的公式用弦截法对R进行迭代；将迭代结果转换为入射角；用所求得的入射角进行声线跟踪。本发明提供的大入射角声线跟踪定位方法，将传统的分层等梯度声线跟踪进行了改进，分析了大入射角声线情况下定位失败的原因并进行了改进，既达到了扩大初始入射角迭代的最大范围，又提高了定位的效率。

主权项

大入射角声线跟踪定位方法，其特征在于，包括以下步骤：假设声波经历的水柱分为N个等梯度层，声波在每层的传播速度是等梯度的，在水深为z_i的i层，分别用C_i和θ_i表示声波的传播速度和入射角度，第i层内的声速梯度g_i为：g_i＝(C_i+1‑C_i)/Δz_i式中，Δz_i为第i层的水层厚度，C_i+1为第i+1层声速；声波波束在第i层内的实际传播轨迹为一连续的、对应一定曲率半径R_i的弧段，R_i的表达式为：$R_i=\frac{-1}{{\mathrm{pg}}_i};$第i层内声线的水平位移为：$y_i=\frac{{[1-{\left({\mathrm{pC}}_i\right)}^2]}^{1/2}-{[1-{\left(p\right(C_i+g_i{\mathrm{\Delta z}}_i\left)\right)}^2]}^{1/2}}{{\mathrm{pg}}_i},$式中，θ_i为第i层声线的入射角，θ_i+1为第i+1层声线的入射角；波束在该层经历的弧段长度为：S_i＝R_i(θ_i‑θ_i+1)；经历该段的时间为：$t_i=\frac{\arcsin \left[p\left(C_i+g_i{\mathrm{\Delta z}}_i\right)\right]-\arcsin \left({\mathrm{pC}}_i\right)}{{\mathrm{pg}}_i^2{\mathrm{\Delta z}}_i}\ln \left[1+\frac{g_i{\mathrm{\Delta z}}_i}{C_i}\right],$p为Snell常数，转换成曲率半径R进行迭代计算，p与R的关系为：$R_i=-\frac{1}{{\mathrm{pg}}_i};$用第一层的曲率半径R表示p：$p=-\frac{1}{{\mathrm{Rg}}_1};$声线水平位移为：$y=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{{[1-{(-\frac{C_i}{{\mathrm{Rg}}_1})}^2]}^{\frac{1}{2}}-{[1-{(-\frac{C_{i+1}}{{\mathrm{Rg}}_1})}^2]}^{\frac{1}{2}}}{-\frac{g_i}{{\mathrm{Rg}}_1}};$用弦截法迭代求解曲率半径R的方程：$f\left(R\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{{[1-{(-\frac{C_i}{{\mathrm{Rg}}_1})}^2]}^{\frac{1}{2}}-{[1-{(-\frac{C_{i+1}}{{\mathrm{Rg}}_1})}^2]}^{\frac{1}{2}}}{-\frac{g_i}{{\mathrm{Rg}}_1}}-y^0=0;$将迭代计算得到的R换算成初始入射角，计算声波传播时间，与实测传播时间进行对比，列立误差方程并用最小二乘方法进行vcx迭代求解。