阅读说明：本技术 一种基于接收信号强度的水声测距方法 (Underwater acoustic ranging method based on received signal strength ) 是由 付晓梅 陶全 曹宇 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于接收信号强度的水声测距方法,所述方法包括：根据声源节点与接收节点之间的距离建立水声信道模型,获取不同距离下、不同频点下的接收信号功率理论值；发射端在同一位置分时连续发射不同频率的单频信号,通过水声信道后,接收端采集接收信号波形,分析信号频率,并计算出各个频率下接收信号功率实测值；根据接收信号功率实测值与功率理论值,构造目标误差函数,并优化目标误差函数,求解出使目标误差函数取得最小值时对应的水平间距和接收节点深度。本发明基于水下信号衰减与频率有关的特性以及RSS与信号的传输距离之间的关系,在水下环境中,实现了水下节点间的精准测距。(The invention discloses an underwater acoustic ranging method based on received signal strength, which comprises the following steps: establishing an underwater acoustic channel model according to the distance between the sound source node and the receiving node, and acquiring theoretical values of received signal power under different distances and different frequency points; the transmitting end continuously transmits single-frequency signals with different frequencies at the same position in a time-sharing manner, and after the single-frequency signals pass through an underwater acoustic channel, the receiving end collects the waveform of the received signals, analyzes the signal frequency and calculates the measured value of the power of the received signals under each frequency; and constructing a target error function according to the measured power value and the theoretical power value of the received signal, optimizing the target error function, and solving the corresponding horizontal distance and the depth of the receiving node when the target error function obtains the minimum value. The invention realizes accurate distance measurement between underwater nodes in an underwater environment based on the characteristics of underwater signal attenuation and frequency correlation and the relation between the RSS and the transmission distance of the signal.)

一种基于接收信号强度的水声测距方法

技术领域

本发明涉及水声单点测距领域，尤其涉及将基于接收信号强度的测距方法和水声信道模型应用到水声单点测距中，提出了一种基于接收信号强度的新型单点测距方法，目的是利用频点间接收信号强度的差异性，利用水声传播模型，得到声源与接收点间的距离。

背景技术

由于无线电波在水中的快速衰减，GPS无法顺利应用于水下目标定位领域。水声学理论研究表明，声波是目前水下远距离通信的唯一有效信息载体，利用声信号进行水下目标定位成为主流手段。

基于测距的定位技术可以分为：信号到达角度(Angle of Arrival，AOA)、信号到达时间(Time of Arrival，TOA)、信号到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)，接收信号强度(Received Signal Strength，RSS)等四类。基于AOA的方法需要在接收端布设水听器阵列，这在现实中难以实现且过于昂贵；基于TOA的方法需要参考节点与目标之间有着精确的时间同步，该要求在某些应用场景下难以满足；基于TDOA的方法需要参考节点之间的时间同步，使得节点能耗过高，不适合应用于水下传感器网络。

RSS是指在一段时间内接收信号的平均功率。有别于上述三种方法，基于RSS的定位方法不需要配置额外的硬件，因为大多数传感器节点都内置了RSS电路来获取RSS信息。因此该方法成本低、功耗小、硬件要求低，被广泛应用于水下传感器网络中节点的定位。

将RSS信息映射到节点间距离的常用方法是指纹匹配方法，该方法在离线阶段需要预先采集已知距离下的RSS数据，建立数据库；然后将其与实测数据配对，因此该方法需要时空覆盖率高的位置指纹样本，同时环境改变时需要更新指纹数据库，且映射分类算法计算量大，实时性较差。

发明内容

为了利用接收信号强度(RSS)实现水下单点测距，本发明考虑不同频率下RSS的差异性，结合水声信道模型，本发明提供了一种基于接收信号强度的水声测距方法，详见下文描述：

一种基于接收信号强度的水声测距方法，所述方法包括：

根据声源节点与接收节点之间的距离建立水声信道模型，获取不同距离下、不同频点下的接收信号功率理论值；

发射端在同一位置分时连续发射不同频率的单频信号，通过水声信道后，接收端采集接收信号波形，分析信号频率，并计算出各个频率下接收信号功率实测值；

根据接收信号功率实测值与功率理论值，构造目标误差函数，并优化目标误差函数，求解出使目标误差函数取得最小值时对应的水平间距和接收节点深度。

其中，所述水声信道模型为：

式中，是以直射路径到达时刻为参考的各路径的到达时间，

是两节点间的各条路径传输函数。

进一步地，所述目标误差函数为：

其中，TL(j)为第j个频点实测出的传播损耗，TL(f_j,x)为水声信道模型给出的第j个频点理论上的传播损耗，x为由d,h_r构成的二维向量，m为频点总个数。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明基于水下信号衰减与频率有关的特性以及RSS与信号的传输距离之间的关系，在水下环境中，实现了水下节点间的精准测距；

2、本发明无需其他任何额外硬件，仅利用声源节点与接收节点之间的RSS信息，即可实现水下单点精准测距。

附图说明

图1为一种基于接收信号强度的水声测距方法的流程图；

图2为发射节点与接收节点间的多径传播示意图；

图3为测距结果(水平间距和接收点深度)与拟合误差的三维示意图；

图4为图3的x-y视图；

图5为仿真场景示意图；

图6为测距结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例1提供了一种基于接收信号强度的水声测距方法，理论基础是水声信道模型，即建立与真实环境相似的信道模型，将模型输出值与实测值匹配，该方法复杂度小可实现实时测距与定位，最适合于水下传感器网络的场景，参见图1-图3，该方法包括以下步骤：

101：根据声源节点与接收节点之间的距离建立水声信道模型，获取不同距离下、不同频点下的接收信号功率理论值；

102：发射端在同一位置分时连续发射不同频率的单频信号，通过水声信道后，接收端采集接收信号波形，分析信号频率，并计算出各个频率下接收信号功率实测值；

103：根据接收信号功率实测值与功率理论值，构造目标误差函数，并优化目标误差函数，求解出使目标误差函数取得最小值时对应的水平间距和接收节点深度，即为该方法给出的水声测距结果。

综上所述，本发明基于水下声信号的传播特性，充分考虑RSS与信号传输的距离、信号频率之间的关系，在不增加其他任何硬件和通信协议的条件下，仅利用得到的RSS信息，实现了水声单点精准测距。

实施例2

下面结合计算公式、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

一、根据声源节点与接收节点之间的距离建立多径条件下的水声信道模型：

对于实测信号，信号传播损失TL可以定义为：

TL＝10logP_R/P_S#(1)

其中，P_S是声源辐射的信号功率，P_R是传播一定距离后接收端的信号功率。

当不考虑多径效应时，若给定信号频率为f，传播距离为l，则接收端的信号功率可由下

式给出：

A(l,f)＝A₀l^ka(f)^l#(2)

式中，A₀是一常量，k称为扩散因子，它用于描述传播的几何形状，其常用值：k＝0对应平面波传播；k＝1对应柱面波波传播；k＝2对应球面波传播；在实际场景下k的经验值为k＝1.5。a(f)称为吸收因子，可由Thorp经验公式给出：

在声线理论中，对声场的描述是通过声线进行的。从声源出发经过一定路径到达接收点的声线称为本征声线，接收点处的声场是所有本征声线叠加的结果。由于海洋边界的存在，声线每次发生反射时，能量都会衰减。因此，水声信道模型中只需考虑能量较大的主要本征声线即可。

假设水体环境符合以下三个条件：声速不随水平方向、海水深度而变化；海面、海底界面平整；声源和接收点的位置静止不变。参见图2，图中包含2个虚拟源和3条本征声线，其中有一条直达路径、一条海面反射路径、一条海底反射路径。假设海面反射次数为n_s，海底反射系数为n_b；由几何关系可知，当至少存在一条海底反射路径时，n_s可能的取值为：n_b-1，n_b，n_b，n_b+1。第一个n_b(R₂)是指先发生海面反射再发生海底反射的虚源；第二个n_b(R₃)是指先发生海底反射再发生海面反射的虚源。一般地，只需考虑n_b≤5的虚拟源路径即可，下式给出基于虚拟源法的子路径长度R及其掠射角θ的公式：

式中，h_t为发射节点的深度，h_r为接收节点的深度，h为总深度，d为两节点间的水平距离。

记上述方法求解出的子路径总条数为P，第p条子路径长度为

p＝1，2…P，第p条子路径掠射角为θ_p，默认

为直达路径。

声线反射时会有能量损耗，反射系数分为海面反射系数和海底反射系数。一般认为理想海面的反射系数为γ_s＝-1,而海底反射系数与路径掠射角有关，可由下式给出：

式中，ρ是水的密度，一般取ρ＝1000kg/m³；c是水中声传播速度，一般取c＝1500m/s；同理，ρ_b是海底物质的密度，c_b是声在海底的传播速度。对于软地质海底，c_b<c。本次实验环境中水底地质取c_b＝1480m/s，ρ_b＝1400kg/m³。

因此基于公式(4)与公式(5)给出的该场景下的子路径长度和每次反射的反射因子。两节点间的各条路径传输函数可以描述为：

式中，Γ_p是第p条路径的累计反射系数，是γ_b(θ_p)与γ_s的函数。

以发射时刻为零时刻，各路径的到达时刻为：

因此，基于线性叠加原理，考虑到达声线的相位，多径效应下最终的水声信道模型为：

式中，

是以直射路径到达时刻为参考的各路径的到达时间，

因此对于传输频率为f，水平距离为d，深度为h_r的接收端处的水声信道模型的传播损耗为：

传统方法仅对单个频点进行处理，本发明方法拟获取多个不同频点的信息进行测距：

二、构造目标误差函数，求解出使误差函数取得最小值时对应的单点距离。

对于发射频率为f_j的单频信号，接收端处实测出的传播损耗为TL(j)，其中j∈[1,m]，m为频点个数。TL(f_j,x)为水声信道模型给出的第j个频点理论上的传播损耗，x为由d,h_r构成的二维向量。因此最小二乘准则下的目标函数表达式为：

图2是以接收节点的深度为x轴，节点间的水平距离为y轴，目标函数为z轴：

可见，当目标函数取最小值时，两节点水平间距为122.5米。

实施例3

下面结合图5与图6，对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

BELLHOP是Machel Porter基于射线声学理论建立的水声信道工具箱，通过高斯波束跟踪方法，可计算水平非均匀环境中的声场。通过编写入口参数文件，定义海区的声速梯度、海底及海面边界参数、声源和目标的位置等条件，来获取信道冲激响应、声线传播轨迹和传播损失等。如图5所示，目标区域深度为3m，发射节点深度为1m，接收节点深度为1m，两者的水平距离为100m；浅水域声速无明显垂直分层、水平分层现象，水体各向同性，水中声速取c＝1500m/s。选取频带20kHz-25kHz，各频点间距0.25kHz，共计21个频点。由于BELLHOP不是静态模型，它还考虑了收、发端相对运动及海洋环境的动态(如海面波浪运动和海中湍流等)。基于上述环境参数，将BELLHOP给出的100组、每组21个频点的传播损耗作为测量结果输入目标函数中，解算出的100组测距结果，如图6所示，测距误差因子HDOP＝11.14。

综上所述，本发明基于水下声信号的传播特性，充分考虑RSS与信号传输的距离、信号频率之间的关系，在不增加其他任何硬件和通信协议的条件下，仅利用得到的RSS信息，实现了水声单点精准测距。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。