一种移动声层析观测反演方法

1.本发明属于海洋、河流及水库水文环境监测技术领域，具体涉及一种移动声层析观测反演方法。


背景技术：

2.利用水下声学层析技术进行水下环境观测在国内有了许多的发展。特别是一些有距离环境变化的区域，固定展位之间的信号互传可以反演获得区域内部的环境信息，对比原有的单点位监测的方式，声信号互传更具有监测面广且简便的优势。
3.现有存在多个形式采集方式，如公开号为cn102622514a的专利申请提供一种海洋温度场数据处理方法，将获得的信号数据转化为具有空间坐标系的栅格数据，并将同一时刻的栅格数据合成多层的栅格数据集；通过查询分析的功能，可以得到实测区域内点温度变化曲线图、温度剖面变化图、区域温度变化图等；此处采用的是二维建模的方式进行数字观测，电视不能实现三维温度场观测。
4.针对小尺度水域的温度观测，公开号为cn114859358a的专利申请提供开一种小尺度三维温度场观测反演方法，利用声学收发系统采集观测水域的原始数据，通过采集的温盐深剖面数据，对环境进行网格切分，进行三维声线模拟；对各个声学站采集的原始数据进行信号相关处理，获取声线传播时间，进行声线多径分辨与提取，对不同路径的到达峰进行处理，剔除各个峰的异常数据，获得不同声线形式的传播时间及传播长度；在三维环境中将获得的多站位数据划分网格计算各个网格内的声线长度及传播时间，获得系数矩阵，构建三维网格温度场；通过拉格朗日最小二乘法进行反问题计算；最近进行三维温度场的可视化处理。该监测方法主要是针对多基地的固定站位，但是，随着技术需求的提升，多基地的固定站位环境监测无法满足要求。
5.因此，需要提出一种利用移动站在多个固定站之间信号互传的模式，通过该方法对观测区域进行更细致的环境反演重建，获得更准确的环境信息结果。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种移动声层析观测反演方法，提出移动层析的组网观测、数据反演处理的方法，为更准确细致的水文环境观测提供思路。
7.一种移动声层析观测反演方法，包括以下步骤：
8.(1)在观测区域内布置声学站位，包括固定站位和移动站位。
9.对于固定站位，利用浮标、浮球、声学换能器、温度记录仪、数据采集系统、gps系统、锚、绳子等设备进行声学站位的固定布置；对于移动站位，利用声学换能器、温度记录仪、数据采集系统、gps系统、移动航行器、重物、绳子等设备进行声学站位的移动布置。
10.(2)利用多基地固定站和移动站之间的声学收发系统进行信号互传，来采集观测水域的原始数据，所述的声学收发系统采用带控制编码的高频伪随机声信号进行信号互返传输。
11.(3)通过采集的实验区域温度剖面数据，对环境进行分层切分，通过gps系统对每个站位对之间进行距离的计算，同时通过仿真城西进行声线传播模拟，获得移动站在不同位置时的参考声线长度、参考传播时间及时间窗信息的声线模拟结果。
12.(4)对各个声学站采集的原始数据进行多普勒频移矫正后，再进行信号匹配相关处理，获取站位对之间的传播时间，结合步骤(3)中的声线模拟结果，进行声线多径分辨与匹配，对不同路径的到达峰进行识别，剔除各个峰的异常数据，获得不同声线形式的传播时间及参考的仿真声线。
13.(5)将获得的多站位传播时间数据按深度分层划分，计算每层内的声线经过的参考长度及传播时间，获得系数矩阵。
14.(6)通过最小二乘法进行反问题计算，添加平滑度惩罚项和拉格朗日乘数。通过设定误差阈值来定义求解精度，若反演误差超过设定值，返回进行迭代计算，直至反演误差满足要求；
15.(8)进行反演结果的可视化后处理。
16.优选地，步骤(1)中，所述的声学收发系统中，每个声学站位可以发送唯一同族信号(相同的信号序列不同的信号模态)，所有站位之间利用gps带有的时钟进行同步，采用同发同收的传输模式，保证在相同间隔时刻都能收到各个其他站位的声信号。
17.进一步地，对于固定站位，声学换能器通过向下锚定和向上浮球用绳子系泊的方式固定于设定水深，保证换能器的位置不变，同时数据采集系统和gps系统放置于水面浮标中通过线缆与换能器连接。
18.进一步地，对于移动站位，声学换能器通过挂着重物用绳子系泊再移动航行器上，数据采集系统和gps系统放置于移动航行器中通过线缆与换能器连接。
19.进一步地，为尽量减少航行器移动时产生的多普勒频移，控制航行器的速度在0～5m/s左右。
20.步骤(3)的具体过程为：
21.通过测深仪等仪器对所观测环境进行地形扫描测绘，获得观测环境的地形。将获得的地形数据结合gps数据及站位深度位置输入声线模拟程序，获得不同移动位置的站位结果，得到不同声线的参考传播时间。
22.步骤(5)中，进行观测区域的分层划分时，在立体区域中划分k层，声线分布在每层上传播，具体参数及公式如下：
23.进一步地，其中多层划分的最优原则是，尽量使得划分后每层内的声线长度相等，同时为了提高结果的精度，尽量不要出现声线长度接近0的声线层。
24.进一步地，对两个站位对之间的传播时间误差和传播时间差的公式如下：
[0025][0026]
[0027]
其中，是每个站位对(站位i和站位j)之间在第k层的距离，δck是在第k层的声速差异，是获得的参考声速，vi是站位i相对于站位j的相对速度，vj是站位j相对于站位i的相对速度，是第k层的平均流速。
[0028]
进一步地，在实验过程中，为了简化模型的计算方法，两个站位的相对移动速度可以看成一个固定和一个移动所产生的速度场，既vi＝0。由此建立计算公式如下：
[0029][0030][0031]
进一步地，将定义为系数矩阵，将和定义为待反演向量，n定义为求解误差，y＝δtn和y＝δtn定义为获得的站位间的传播时间差异和传播时间差，组成矩阵方程y＝ex+n，应用正则化反演方法求解上述矩阵方程。
[0032]
进一步地，实验中由于运动产生的多普勒运动平移需要矫正，计算固定站和移动站之间的相对速度与观测区域的声速之比为对于移动声学站，一个波长(λ)的移动时间为tv≈λ/(c+vj)＝(cf)/(c+vj)，其等效频率为对于固定声学站，一个波长(λ)的移动时间为λv＝λ-vj/f＝(c-vj)/f，其等效频率为：
[0033]
[0034]
进一步地，固定站和移动站通过计算获得的等效频率进行信号的重新匹配采样，该步骤在求解匹配传输时间前(步骤(3))。
[0035]
与现有技术相比，本发明方法具有以下有益效果：
[0036]
1、通过多基地固定站和移动站的声信号互传，提出了一种移动观测的声层析反演方法，观测精度更高。
[0037]
2、通过计算不同站位的等效频率来重采样获得的信号，减少了多普勒频移的影响。
[0038]
3、通过观测区域分层建立移动层析观察的反问题求解。
附图说明
[0039]
图1为本发明方法的流程示意图；
[0040]
图2为本发明方法的多基地布站示意图；
[0041]
图3为本发明一个实施例中三站中移动站轨迹及声线模拟图；图中，(a)为移动站位的运动轨迹；(b)和(d)展示了不同位置的声线模拟结果，(b)为声线的发射角，(d)为声线的传输模式；(c)是有ctd采集的声速剖面结果；
[0042]
图4为本发明一个实施例中的三站位间的移动流场结果图，其中，(a)图中为站位点移动的实时结果，(b-g)图展示的是不用时刻的水平流场结果。
具体实施方式
[0043]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
[0044]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0045]
如图1所示，一种移动声层析观测反演方法，包括以下步骤：
[0046]
步骤1：对需要观测的区域进行地形扫描，确定合适的固定站位的布放位置，并规划移动站位的运动轨迹路线。在布放站位时，为了尽量保证信号的接收质量，一般将固定站位的声学换能器布放在靠近水底区域，将移动站位的声学换能器布放在水下10m左右。固定站位利用手持gps同步记录站位位置，移动站位在实验过程中通过gps记录移动轨迹与位置。
[0047]
信号采用同发同收模式，让每个站位对之间在同一时刻接受到双向的声信号，利用最快到达峰的“直达径”的投影距离作为各站位之间的距离矫正参数。
[0048]
站位布置如图2所示，其中固定站位上，声学换能器的一端用重物锚定，另一端用浮球及浮标连接，浮球-绳-换能器-绳-锚均在水下；数据采集系统、gps系统、电池等放在浮标内部；对于移动站位，将数据采集系统、gps系统、电池等放在运动的航行器上(例如船、auv等)，声学换能器用绳子挂载在航行器侧边，下端连接重物。
[0049]
步骤2：利用采集的温度剖面及地形数据建立站位对之间的移动声线仿真。其次，计算各个站位在实验中的多普勒频移后的等效频率，利用等效频率对原始观测数据信号进
行重采样，获得两站互相关后获取观测声线的传播时间。
[0050]
步骤3：结合步骤2中的模拟声线及参考传播时间，对比观测数据处理后的传播时间结果，分辨模拟声线中的不同路径，选取得到所有可能识别的声线，分辨并提取所有观测数据中的相关峰和对应的传播时间。
[0051]
步骤4：对移动层析观测区域进行分层的网格划分，并求解每个分层区域内的声线长度及对应的参考声速，去除观测数据误差值，作为后续反演的输入量。
[0052]
步骤5：进行观测区域的分层划分时，在立体区域中划分k层，声线分布在每层上传播，计算每层所经过的声线长度和传播时间，构建系数矩阵并代入，利用反演公式y＝ex+n通过最小二乘求解。
[0053]
本技术中，多层划分的最优原则是，尽量使得划分后每层内的声线长度相等，同时为了提高结果的精度，尽量不要出现声线长度接近0的声线层。
[0054]
对两个站位对之间的传播时间误差和传播时间差的公式如下：
[0055][0056][0057]
其中，是每个站位对(站位i和站位j)之间在第k层的距离，δck是在第k层的声速差异，是获得的参考声速，vi是站位i相对于站位j的相对速度，vj是站位j相对于站位i的相对速度，是第k层的平均流速。
[0058]
为了简化模型的计算方法，两个站位的相对移动速度可以看成一个固定和一个移动所产生的速度场，既vi＝0。由此建立计算公式如下：
[0059]
[0060][0061]
将定义为系数矩阵，将和定义为待反演向量，n定义为求解误差，y＝δtn和y＝δtn定义为获得的站位间的传播时间差异和传播时间差，组成矩阵方程y＝ex+n，应用正则化反演方法求解上述矩阵方程。
[0062]
中由于运动产生的多普勒运动平移需要矫正，计算固定站和移动站之间的相对速度与观测区域的声速之比为对于移动声学站，一个波长(λ)的移动时间为tv≈λ/(c+vj)＝(cf)/(c+vj)，其等效频率为对于固定声学站，一个波长(λ)的移动时间为λv＝λ-vj/f＝(c-vj)/f，其等效频率为：
[0063][0064]
步骤6～7：x期望最优解λ为设定的拉格朗日系数惩罚项，由在设定阈值内限定期望误差决定；h正则化矩阵，通过多层的平均来平滑结果。求解得到x＝δck和后，可以得到每层环境中的变化声速和流速。
[0065]
步骤8：最后进行反演结果的可视化处理。
[0066]
图1为该方法的具体步骤细化。
[0067]
图2展示了理想的多基地移动层析模式，一站移动结合四个固定站位。
[0068]
图3中(a)为移动站位的运动轨迹；(b)和(d)展示了不同位置的声线模拟结果，(b)为声线的发射角，(d)为声线的传输模式；(c)是有ctd采集的声速剖面结果。
[0069]
图4为利用移动层析方法求解的流场结果，(a)中为站位点移动的实时结果，(b-g)展示的是不用时刻的水平流场结果。
[0070]
为验证本发明的效果，利用本发明对长沙黄材水库水体区域进行三站移动观测实验(两站固定，一站移动)，利用该方法求解中间层的流场信息，实验具体如下：
[0071]
包含以下装置，三套设备50khz频率换能器、三套声学收发系统、浮球、重物、td、ctd、adcp、船、绳等
[0072]
进一步地，其中一站固定在船尾，水深10m左右，其余两站固定在水域两侧，在移动过程中，尽量控制船保持以同一速度在同一方向上前进。
[0073]
进一步地，实验前利用adcp和ctd对观测区域进行了地形的测量和声速剖面的测量，并在实验期间利用td链进行对比数据记录。利用获得的数据对实时的站位对剖面声线模拟，识别并提取多条有效声线：直达径，表面反射径和底部反射径，并计算得到每条传输路径的声线长度和传播时间，
[0074]
利用获取的参考数据与观测数据，通过matlab编写本方法对应的程序来计算求解观测区域的环境结果。利用站位移动求解的方法可以优化单一固定多基地站位观测的局限性，反演获得更精细的结果。
[0075]
用于环境场移动声层析的结果更加多维的展示了观测区域的整个环境场结果，利用移动传输和固定传输相结合的方式，展示了细致的环境场变化，表明了本方法在小尺度水域观测环境的高效性
[0076]
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种移动声层析观测反演方法，其特征在于，包括步骤：(1)在观测区域内布置声学站位，包括固定站位和移动站位；(2)利用固定站位和移动站位之间的声学收发系统进行信号互传，来采集观测水域的原始数据；(3)在所述原始数据中提取观测区域的温度剖面数据，对环境进行分层切分，并计算每个站位对之间的距离，同时进行声线传播模拟，获得移动站位在不同位置时的参考声线长度、参考传播时间及时间窗信息的声线模拟结果；(4)对各个声学站采集的原始数据进行矫正后，再进行信号匹配相关处理，获取站位对之间的传播时间，结合步骤(3)中的声线模拟结果，进行声线多径分辨与匹配，对不同路径的到达峰进行识别，剔除各个峰的异常数据，获得不同声线形式的传播时间及参考的仿真声线；(5)将获得的多站位传播时间数据按深度分层划分，计算每层内的声线经过的参考长度及传播时间，获得系数矩阵；(6)通过最小二乘法进行反问题计算，并进行反演结果的可视化后处理。2.根据权利要求1所述的移动声层析观测反演方法，其特征在于，步骤(1)中，声学收发系统中，每个声学站位可以发送唯一同族信号，所有站位之间利用gps带有的时钟进行同步，采用同发同收的传输模式，保证在相同间隔时刻都能收到各个其他站位的声信号。3.根据权利要求1所述的移动声层析观测反演方法，其特征在于，对于固定站位，声学换能器通过向下锚定和向上浮球用绳子系泊的方式固定于设定水深，保证换能器的位置不变，同时数据采集系统和gps系统放置于水面浮标中通过线缆与换能器连接。4.根据权利要求1所述的移动声层析观测反演方法，其特征在于，对于移动站位，声学换能器通过挂着重物用绳子系泊再移动航行器上，数据采集系统和gps系统放置于移动航行器中通过线缆与换能器连接。5.根据权利要求4所述的移动声层析观测反演方法，其特征在于，控制航行器的速度在0～5m/s。6.根据权利要求1所述的移动声层析观测反演方法，其特征在于，在步骤(3)中，通过仪器对所观测环境进行地形扫描测绘，获得观测环境的地形；将获得的地形数据结合gps数据及站位深度位置输入声线模拟程序，获得不同移动位置的站位结果，得到不同声线的参考传播时间。7.根据权利要求1所述的移动声层析观测反演方法，其特征在于，步骤(5)中，进行观测区域的分层划分时，在立体区域中划分k层，声线分布在每层上传播，两个站位对之间的传播时间误差和传播时间差的公式如下：播时间误差和传播时间差的公式如下：
其中，是每个站位对之间在第k层的距离，δc
k
是在第k层的声速差异，是获得的参考声速，v
i
是站位i相对于站位j的相对速度，v
j
是站位j相对于站位i的相对速度，是第k层的平均流速。8.根据权利要求7所述的移动声层析观测反演方法，其特征在于，步骤(5)中，两个站位的相对移动速度为一个固定和一个移动所产生的速度场，既v
i
＝0，由此建立计算公式如下：下：将定义为系数矩阵，将和定义为待反演向量，n定义为求解误差，y＝δt
n
和y＝δt
n
定义为获得的站位间的传播时间差异和传播时间差，组成矩阵方程y＝ex+n，应用正则化反演方法求解上述矩阵方程。9.根据权利要求8所述的移动声层析观测反演方法，其特征在于，由于运动产生的多普勒运动平移需要矫正，计算固定站和移动站之间的相对速度与观测区域的声速之比为对于移动声学站，一个波长λ的移动时间为：t
v
≈λ/(c+v
j
)＝(c/f)/(c+v
j
)等效频率为对于固定声学站，一个波长(λ)的移动时间为：
λ
v
＝λ-v
j
/f＝(c-v
j
)/f等效频率为10.根据权利要求9所述的移动声层析观测反演方法，其特征在于，在求解匹配传输时间前，固定站位和移动站位通过计算获得的等效频率进行信号的重新匹配采样。

技术总结
本发明公开一种移动声层析观测反演方法，包括步骤：布置声学站位，并采集观测水域的原始数据；计算每个站位对之间的距离，同时进行声线传播模拟，获得移动站位在不同位置时的参考声线长度、参考传播时间及时间窗信息的声线模拟结果；获得不同声线形式的传播时间及参考的仿真声线；将获得的多站位传播时间数据按深度分层划分，计算每层内的声线经过的参考长度及传播时间，获得系数矩阵；通过最小二乘法进行反问题计算，并进行反演结果的可视化后处理。理。理。


技术研发人员：黄豪彩 许世杰 于丰源 魏丹妮 高怡心 谢心怡
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/10/6