一种水下多缆声学网络定位方法技术

本发明专利技术提出一种水下多缆声学网络定位方法，提供一种新的多频实时数据获取方式和全局解算方法，首先根据水下多缆声学网络定位系统的组网方式确定轮询方案；其次采用多频实时数据获取模型获取指定接收水鸟与发射水鸟的时域信号，若直达信号与多途信号能分开，则提取直达信号，若直达信号与多途信号重叠，则采用另一种抗多途方案去掉多途信号；最后采用全局解算算法定位各水鸟位置。本发明专利技术所述多频实时数据获取技术的优点是：所有发射水鸟和接收水鸟可以同时进行工作，大大提高了拖缆系统的效率，缩短了定位解算的时间，提高了声学网络定位系统的抗多途干扰效果，采用全局解算算法减小了定位误差。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水下多缆声学网络定位方法，属于海洋地震拖缆系统中的多缆声学网络定位领域。
技术介绍
水下多缆定位技术是海上地震勘探技术中的一项关键技术。精确的拖缆定位可以保证较高的三维地震成像精度，为后续开发方案的制定提供可靠的依据。但由于在海上地震数据采集时，拖缆长度达到数千米，受海流影响，其位置时时都在变化，且拖缆布放的深度较浅，声传播过程中海面反射声的影响明显。现有技术对海上石油勘探中的水下多缆定位原理、特点及关键技术进行了分析，并建立了海上地震勘探多缆定位模型，但对于如何有效抗多途干扰和实时数据获取方面较少涉及，文献中采用逐步解算方法定位水鸟位置，会间接影响声学网络定位的精度，降低系统的探测效果。长基线水声定位技术要求精确获取每个接收水鸟和发射水鸟的相对距离，而由于每条拖缆上间隔布放发射水鸟和接收水鸟，在拖缆的数目多、长度长的情况下，水鸟的数目庞大，且拖缆布放的深度较浅，声传播过程中海面反射声的影响明显，这就导致当发射水鸟同时工作时，每个接收水鸟都会接收到一长串具有数个峰值的脉冲信号，无法从这一长串脉冲信号中准确提取需要的直达峰值，导致无法准确的确定接收水鸟相对发射水鸟的位置，无法准确对接收水鸟定位。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题为：克服现有水下多缆声学网络定位系统抗多途干扰效果差且定位精度不高的缺点，采用一种新的多频实时数据获取方式来提高声学网络定位系统的抗多途干扰效果，提高拖缆系统的工作效率，缩短定位解算的时间，并使用全局解算算法取代常用的逐步解算算法来减小定位误差。本专利技术解决的技术方案为：一种水下多缆声学网络定位方法，包括：确定水下多缆声学网络定位系统的组网方式阶段、多频实时数据获取阶段、抗多途干扰阶段和全局解算求解接收水鸟的位置信息阶段；所述确定海上拖缆系统的组网方式阶段步骤如下：(1)确定海上拖缆系统中拖缆数量和每条拖缆上的发射水鸟和接收水鸟的数量，确定每条拖缆的长度；所述发射水鸟能够发射声信号，接收水鸟能够接收声信号；同一条拖缆上的发射水鸟设置相同的发射频率，不同拖缆上的发射水鸟设置不同的声信号发射频率；(2)在接收到指令后，得到某个接收水鸟收到的某发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号；所述多频实时数据获取阶段步骤如下：(3)判断步骤(2)该接收水鸟收到的该发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号能否在时域上分开；若能够在时域上分开，进行步骤(4)；若在时域上分不开即产生重叠，进行步骤(5)；所述抗多途干扰阶段步骤如下：(4)获取步骤(3)该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间ti；(5)采用抗多途干扰方法，获取步骤(3)该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间ti；所述全局解算求解接收水鸟的位置信息阶段步骤如下：(6)根据步骤(5)得到的直达时间ti，和声速c，进行全局结算，确定某接收水鸟与某发射水鸟的相对距离。所述步骤(2)中在接收到指令后，得到某接收水鸟收到的某发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号，步骤如下：在接收到指令后，向每条拖缆的发射水鸟和接收水鸟发出统一的启动脉冲，使每条拖缆的各个发射水鸟和接收水鸟启动，在接收到启动脉冲信号后，发射水鸟和接收水鸟开始工作，每条拖缆的发射水鸟同时工作，发出不同频率的声信号，接收水鸟接收声信号；将该接收水鸟收到的声信号脉冲以该发射水鸟发射的声信号的发射频率为中心频率，进行窄带滤波后再放大，得到该发射频率的时域脉冲信号，该时域脉冲信号包括该发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号；遍历所有接收水鸟和发射水鸟，得到拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号。所述步骤(2)中在接收到指令后，得到某个接收水鸟收到的某发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号，步骤如下：在接收到指令后，将每根拖缆分成N阶，每阶拖缆的第一个水鸟为发射水鸟，每阶其余水鸟为接收水鸟；对某一阶拖缆进行定位时，除这一阶的发射水鸟、接收水鸟开始工作外，拖缆的其它阶所有发射水鸟和接收水鸟关闭，即所有拖缆的第一阶中的发射水鸟先发射声信号，所有拖缆的第一阶中的接收水鸟接收声信号，然后所有拖缆的第二阶中的发射水鸟再发射声信号，所有拖缆的第二阶中的接收水鸟接收声信号，以此类推，直至所有拖缆的第N个阶中的发射水鸟发射声信号，所有拖缆的第N阶中的接收水鸟接收声信号；将该接收水鸟收到的声信号脉冲以该发射水鸟发射的声信号的发射频率为中心频率，进行窄带滤波后再放大，得到该发射频率的时域脉冲信号，这些发射频率的时域脉冲信号包括该发射水鸟直接到达该接收水鸟的直达信号和发射水鸟未直接到达该接收水鸟的多途信号；遍历所有接收水鸟，得到每一阶拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号。所述步骤(3)判断步骤(2)各个接收水鸟收到的每个发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号能否在时域上分开，步骤如下；若某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号能够在时域上分开，进行步骤(4)；若某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号在时域上重叠进行步骤(5)；若接收水鸟在距离海平面6.5米以内(发射的时域脉冲信号脉宽为0.5ms时)或者接收水鸟在距离海平面9米(发射的时域脉冲信号脉宽为1ms时)以内，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上重叠；接收水鸟在距离海平面6.5米之上(发射的时域脉冲信号脉宽为0.5ms时)或者接收水鸟在距离海平面9米之上(发射的时域脉冲信号脉宽为1ms时)，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上能分开。所述步骤(4)中，获取步骤(3)该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间ti，步骤如下：设定搜索窗的时间宽度，搜索窗的宽度小于该接收水鸟收到的某频率发射信号的脉冲宽度，对该接收水鸟收到的时域脉冲信号进行采样，将该接收水鸟收到的时域脉冲信号的所有采样点的信号幅度进行统计平均，得到平均幅度，将每个采样点的信号幅度与该平均幅度做比，得到每个采样点的幅度比；以该搜索窗的时间宽度为单位宽度在滤波放大后的时域脉冲信号上进行循环搜索，在每个搜索窗的时间宽度内找到幅度比最大的采样点，然后将每个搜索窗的时间宽度内找到幅度比最大的采样点按照幅度比的值从大到小进行排列，取幅度比最大的采样点作为直达信号，则该幅度比最大的采样点的采样时间即为该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间ti；遍历所有接收水鸟和发射水鸟，能够得到各个接收水鸟接收到的各个发射水鸟发射的声信号的直达时间ti。所述步骤(5)采用抗多途干扰方法，获取接收水鸟接收到的某发射水鸟发射的声信号的直达时间ti，步骤如下：设定搜索窗的时间宽度为步骤(4)的搜索窗的时间宽度的一半，设置幅度上限和幅度下限，对该接收水鸟收到的时域脉冲信号进行采样，以该搜索窗的时间宽度为单位宽度在滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下多缆声学网络定位方法，其特征在于包括：确定水下多缆声学网络定位系统的组网方式阶段、多频实时数据获取阶段、抗多途干扰阶段和全局解算求解接收水鸟的位置信息阶段；所述确定海上拖缆系统的组网方式阶段步骤如下：(1)确定海上拖缆系统中拖缆数量和每条拖缆上的发射水鸟和接收水鸟的数量，确定每条拖缆的长度；所述发射水鸟能够发射声信号，接收水鸟能够接收声信号；同一条拖缆上的发射水鸟设置相同的发射频率，不同拖缆上的发射水鸟设置不同的声信号发射频率；(2)在接收到指令后，得到某个接收水鸟收到的某发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号；所述多频实时数据获取阶段步骤如下：(3)判断步骤(2)该接收水鸟收到的该发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号能否在时域上分开；若能够在时域上分开，进行步骤(4)；若在时域上分不开即产生重叠，进行步骤(5)；所述抗多途干扰阶段步骤如下：(4)获取步骤(3)该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间ti；(5)采用抗多途干扰方法，获取步骤(3)该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间ti；所述全局解算求解接收水鸟的位置信息阶段步骤如下：(6)根据步骤(5)得到的直达时间ti，和声速c，进行全局结算，确定某接收水鸟与某发射水鸟的相对距离。...

【技术特征摘要】
1.一种水下多缆声学网络定位方法，其特征在于包括：确定水下多缆声学网络定位系统的组网方式阶段、多频实时数据获取阶段、抗多途干扰阶段和全局解算求解接收水鸟的位置信息阶段；所述确定海上拖缆系统的组网方式阶段步骤如下：(1)确定海上拖缆系统中拖缆数量和每条拖缆上的发射水鸟和接收水鸟的数量，确定每条拖缆的长度；所述发射水鸟能够发射声信号，接收水鸟能够接收声信号；同一条拖缆上的发射水鸟设置相同的发射频率，不同拖缆上的发射水鸟设置不同的声信号发射频率；(2)在接收到指令后，得到某个接收水鸟收到的某发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号；所述多频实时数据获取阶段步骤如下：(3)判断步骤(2)该接收水鸟收到的该发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号能否在时域上分开；若能够在时域上分开，进行步骤(4)；若在时域上分不开即产生重叠，进行步骤(5)；所述抗多途干扰阶段步骤如下：(4)获取步骤(3)该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间ti；(5)采用抗多途干扰方法，获取步骤(3)该接收水鸟接收到的该发射水鸟发射的声信号的直达时间ti；所述全局解算求解接收水鸟的位置信息阶段步骤如下：(6)根据步骤(5)得到的直达时间ti，和声速c，进行全局结算，确定某接收水鸟与某发射水鸟的相对距离。2.根据权利要求1所述的一种水下多缆声学网络定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中在接收到指令后，得到某接收水鸟收到的某发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号，步骤如下：在接收到指令后，向每条拖缆的发射水鸟和接收水鸟发出统一的启动脉冲，使每条拖缆的各个发射水鸟和接收水鸟启动，在接收到启动脉冲信号后，发射水鸟和接收水鸟开始工作，每条拖缆的发射水鸟同时工作，发出不同频率的声信号，接收水鸟接收声信号；将该接收水鸟收到的声信号脉冲以该发射水鸟发射的声信号的发射频率为中心频率，进行窄带滤波后再放大，得到该发射频率的时域脉冲信号，该时域脉冲信号包括该发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号；遍历所有接收水鸟和发射水鸟，得到拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号。3.根据权利要求1所述的一种水下多缆声学网络定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中在接收到指令后，得到某个接收水鸟收到的某发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号，步骤如下：在接收到指令后，将每根拖缆分成N阶，每阶拖缆的第一个水鸟为发射水鸟，每阶其余水鸟为接收水鸟；对某一阶拖缆进行定位时，除这一阶的发射水鸟、接收水鸟开始工作外，拖缆的其它阶所有发射水鸟和接收水鸟关闭，即所有拖缆的第一阶中的发射水鸟先发射声信号，所有拖缆的第一阶中的接收水鸟接收声信号，然后所有拖缆的第二阶中的发射水鸟再发射声信号，所有拖缆的第二阶中的接收水鸟接收声信号，以此类推，直至所有拖缆的第N个阶中的发射水鸟发射声信号，所有拖缆的第N阶中的接收水鸟接收声信号；将该接收水鸟收到的声信号脉冲以该发射水鸟发射的声信号的发射频率为中心频率，进行窄带滤波后再放大，得到该发射频率的时域脉冲信号，这些发射频率的时域脉冲信号包括该发射水鸟直接到达该接收水鸟的直达信号和发射水鸟未直接到达该接收水鸟的多途信号；遍历所有接收水鸟，得到每一阶拖缆上各个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号。4.根据权利要求1所述的一种水下多缆声学网络定位方法，其特征在于：所述步骤(3)判断步骤(2)各个接收水鸟收到的每个发射频率的发射水鸟发射的直接到达该接收水鸟的直达信号和经海面反射到达该接收水鸟的多途信号能否在时域上分开，步骤如下；若某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号能够在时域上分开，进行步骤(4)；若某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号在时域上重叠进行步骤(5)；若发射的时域脉冲信号的脉宽为0.5ms，接收水鸟在距离海平面6.5米以内，或者发射的时域脉冲信号的脉宽为1ms，接收水鸟在距离海平面9米以内，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上重叠；若发射的时域脉冲信号的脉宽为0.5ms，接收水鸟在距离海平面6.5米之上，或者发射的时域脉冲信号的脉宽为1ms，接收水鸟在距离海平面9米之上，判定某个接收水鸟收到的各发射水鸟发射的时域脉冲信号中的直达信号与多途信号时域上能分开。5.根据权利要求1所述的一种水下多缆声学网络定位方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜晗，华波，宋明玉，陈国才，李遥，高菲，韦佳利，
申请(专利权)人：中国船舶工业系统工程研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11