水下目标定位中的声线折射修正方法

　　传统的水下目标定位是利用声学原理进行的.它用处于距海表面一定深度的声源向下以一定角度发射声信号，当发现水下目标时，目标将反射声信号到接收机，然后根据信号传播的时间和声速得到目标到声源的距离，再联合角度信息获得目标的位置.

　　由于不同深度海水的温度、盐度和压力等参数不相同，这就导致了声信号在海水中的传播射线不仅沿曲线传播，而且各层中的声速也不相同，最终使利用声信号对水下目标定位产生折射误差.

　　近年来，许多学者对声线定位问题进行了大量的研究[1-4].例如，张小凤等人研究了基于加权最小二乘估计的双基地声纳定位算法[1]，该方法具有较高的定位精度，很容易扩展到三维目标定位问题中，不过在满足较高精度要求和大的数据处理时需要很大的计算量，因此在实际的应用中有一定的局限性.王燕等人根据声速在水下传播时声线发生弯曲提出的用于长基线水声定位系统声线修正的迭代方法[2]，比传统的运算方法简洁，在复杂的水文条件下仍可有较快的计算速度，但此方法仅适用于长基线水声定位系统，应用到短基线平面阵型时遇到了一定的困难.声速剖面为垂直和水平方向的三维分布，但是在水下目标定位中，水平分量变化较垂直变化要小的多，且地球本身又是一个球体，因此可以将声速分布近似成n层等声速球面分布，这样可以减少误差，提高定位精度.

　　本文根据声线的传播轨迹，基于射线追踪方法原理，在球面分层声速模型[5]的基础上利用snell定律[6]和水下目标定位系统测量设备空间布局的几何关系，提出了一种水下目标精确定位的折射误差修正方法，并通过仿真实验证明该方法可以有效提高水下目标的定位精度.

　　1　声速剖面的选取

　　海水声速的测量一般可以分为直接测量法和间接测量法.直接声速测量法是采用声速测量设备直接测量水体中的声速值，其基本工作原理是测量声波在某一水深处固定距离上传播的时间或相位.具体方法有脉冲时间法、干涉法和脉冲循环法等.目前这方面的研究已有了较好的结果[7-9].间接测量法是通过测量不同深度海水的电导率、温度、深度(CTD)，利用海水的经验公式反算声速.

　　目前的经验公式主要有Dell　Grosso公式、Wilson精确公式、Wilson简化公式、Leroy公式、Mackenzie公式、Chen-Millero-Li公式、EM分层简化公式和《海道测量规范》规定使用的国标公式等.

　　周丰年、陈红霞分别对各种声速剖面经验公式进行了精度比较，得到了不同情况下的较适合经验公式[10-11].这里，选用较适合我国海区的Wilson简化公式[12]来确定声速剖面：