具体实施方式

本发明实施例针对现有在山区等信号不好区域不能实现准确定位的问题，通过可控震源基站发射地声编码信号，然后由矢量振动传感器接收该地声编码信号，再通过定位终端基于该地声编码信号进行定位，从而在地下地上空间、草原和丛林等局部区域实现精确定位，满足特定条件和环境下的定位和信息传输需求。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明实施例提供了一种基于可控震源的地声定位系统，参见图1，该系统包括：可控震源基站组、矢量振动传感器和定位终端；

所述可控震源基站组包括多个可控震源基站，通过所述可控震源基站产生地声编码信号，并对所述地声编码信号进行放大和合成处理，然后将处理后的所述地声编码信号进行发射；

需要说明的是，本发明实施例中的可控震源基站组内包括有多个可控震源基站，该多个可控震源基站是以满足所述定位终端的定位需要来进行布设。具体本领域技术人员可以根据实际需要进行设置，本发明对此不作具体限定。

具体实施时，本发明实施例中的所述地声通信编码的编码体制依次包括基站码、校正码和信息码；其中，所述基站码用于识别地声信号的来源基站；所述校正码包括地声通信体制中使用的所有载波波形，以为地声编码信号的提取与识别提供参考信号。

并且，本发明实施例中的所述地声通信编码中的基站码、校正码和信息码均采用伪随机m序列编码信号。

所述矢量振动传感器，用于对发射出来的地声编码信号进行接收，并将接收到的所述地声编码信号发送给所述定位终端；

所述定位终端，用于基于所述矢量振动传感器发送来的所述地声编码信号确定其自身所处的位置，以对所述定位终端自身进行定位。

也就是说，本发明实施例是通过可控震源基站来发射地声编码信号，然后由矢量振动传感器接收该地声编码信号，再通过定位终端来基于该地声编码信号对其自身进行定位，从而在地下地上空间、草原和丛林等局部区域实现精确定位，满足特定条件和环境下的定位和信息传输需求。

换句话来说，本发明的地声定位系统是通过可控震源基站组以一定时间间隔向地下激发编码地声波信号，采用矢量振动传感器接收经浅层地表传播过来的直达波信号，利用定位算法解算用户终端的当前位置，从而在地下地上空间、草原和丛林等特定条件和环境下实现定位和信息传输需求，以满足用户的定位需求。

如图2所示，在具体实施时，本发明实施例中每一个所述可控震源基站均包括：信号编码模块、信号发生器模块、功率放大器模块和振动器模块；其中，所述信号编码模块，用于产生地声通信编码；所述信号发生器模块，用于根据所述地声通信编码生成所述地声编码信号；所述功率放大器模块，用于对所生成的地声编码信号进行放大处理；所述振动器模块，与大地相耦合，将放大后的地声编码信号从大地发射出去。

本发明实施例中所述矢量振动传感器进一步包括：MEMS振动传感器、ΣΔAD转换器和微控制器模块；

所述MEMS矢量振动传感器，用于接收所述可控震源基站发射出来的地声编码信号，且所述矢量MEMS振动传感器采用三轴MEMS振动传感器作为信号接收端；

所述ΣΔAD转换器，用于在所述微控制器模块的控制下对所述MEMS振动传感器接收到的地声编码信号进行AD转换。

具体来说，本发明实施例所述系统主要由可控震源基站组、矢量振动传感器和定位终端三部分组成，可控震源中信号编码模块负责地声通信编码，信号发生器模块和功率放大器模块负责编码电平信号生成和放大；振动器模块负责与大地耦合，将编码信号转变为振动信号从地下发射出去。MEMS矢量振动传感器采用三轴MEMS振动传感器作为信号接收端，∑△型AD转换器是高性能新型结构的AD转换器，首先通过过采样、反馈和数字滤波等技术方法增加有效分辨率，然后对A/D转换器输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率，实现A/D转换。定位终端中的地声定位解算模块采用多可控震源的地声定位算法，路径规划指引，而离线地图显示模块则负责位置的实时显示和规划指引提示。

即，本发明实施例所述的可控震源包括信号编码、信号发生器、功率放大器和振动器等模块，可实现地声编码信号的合成、发生、放大与发射；本发明实施例所述的矢量振动传感器包括MEMS振动传感器、ΣΔAD转换器和微控制器模块，可实现地声编码信号的接收；本发明实施例所述的定位终端包括地声定位解算、路径规划指引和离线地图显示等模块，能够实现地下与地上空间、草原和丛林等特定条件和环境下的定位和信息传输以及显示等需求。

本发明实施例中的地声通信采用的编码体制中的码元结构包括基站码、校正码和信息码。基站码用于识别地声信号来源基站，校正码包含了地声通信体制中使用的所有载波波形，它为后面信息的提取与识别提供参考信号，由于地声信号在不同地下传播介质传输极易发生信号衰减或变形，因此可根据最终接收到的校正码完成直达地声信号识别，并降低多途波干扰。

地声通信体制中的基站码、校正码和信息码均采用伪随机m序列编码信号，伪随机编码信号具有良好的自相关和互相关特性，可以分离同步可控震源中的相关干扰信号，提高信号采集识别效率和准确性，在实际中可根据地下声波衰减特性和应用需要优选伪随机编码信号作为通信码元。伪随机编码一般以线性移位寄存器为基础，生成n阶q元序列，其中n为序列阶数，决定序列的长度，q是序列的元数。在获得了一组m序列之后，可选择包括单频和线性扫描信号在内的载波信号对其调制，以便于可控震源基站激励输出。

以q＝3为例，此时寄存器输出的就是3元序列，再经过模3运算，得到由0、1和2组成的三元伪随机序列。在获得了一组m序列之后，可应用线性扫描信号对序列进行调制产生用于可控震源基站激励输出的发射信号，线性扫描信号的数学表达式为：

其中，△f＝f₂-f₁；f₀＝(f₂+f₁)/2，A为信号幅度，T为扫描时间，t为记录时间，f₀为中心频率。然后将m序列，如：001211中的元素“0”可映射为单位周期长度的直流信号，而序列中的元素“1”可映射为单位周期长度正相位的降频扫描信号，而序列中的元素“2”可映射为单位周期长度负相位降频扫描信号正弦信号。

也即，本发明实施例所述系统的通信编码码元结构包括基站码、校正码和信息码。各码元采用伪随机序列编码，采用单频或扫描等信号进行载波调制发射。编码通信体制设计综合考虑了震源基站识别、编码载波方式、编码信号传输衰减或变形校正以及多途波干扰压制等问题。

具体实施时，本发明实施例基于可控震源的地声定位方法具体包括：

通过定位终端根据目标函数f(x,y)＝α||R-R₀||²+β||Φ-Φ₀||²解算，并通过模拟退火算法来求解所述目标函数取极小化来作为所述定位终端自身的位置的；其中，x,y是所述矢量振动传感器的坐标位置，α和β均是加权系数；R₀是测得的所述矢量振动传感器到所述可控震源基站的距离，Φ₀是测得的所述矢量振动传感器到所述可控震源基站的角度，R是所述矢量振动传感器到所述可控震源基站的实际距离，Φ是测得的所述矢量振动传感器到所述可控震源基站的实际角度。

具体地，本发明实施例中所述通过模拟退火算法来求解所述目标函数，包括：模拟退火，进行全局搜索，初步锁定最优解区间范围，退火计划为：

其中，T和T₀分别是当前和初始温度，α_s是衰减系数，j是迭代次数；

相匹配的模型扰动方式为随机的全局扰动方式，公式为：

R＝[r₁ r₂ r₃.....r_n]＝CR₀+B

R₀＝[r_c1 r_c2 r_c3.....r_cn]^T

C＝[(1+k₁) (1+k₂) (1+k₃)......(1+k_n)]

B＝[b₁ b₂ b₃......b_n]

其中，R是当前模型，C是模型全局扰动系数，B是模型局部扰动系数，B初始为零向量，通过随机的全局扰动初步搜索并锁定最优解区间范围，n为可控震源基站个数，r_n为第n个可控震源基站的地声编码信号的覆盖半径，r_cn为根据地声传播时长估计的矢量振动传感器与各个基站的距离，k_n为矢量振动传感器与第n个基站距离的全局扰动系数，b_n为矢量振动传感器与第n个基站距离的局部扰动系数；

回火升温进行局部搜索，在被锁定的范围最优解区间内做进一步局部搜索，退火方式计划为：其中，j₀为过程一的迭代次数，γ为升温升幅因子；

进一步基于进行模型扰动，其中，L(j)为空间搜索范围的限制因子，其大小迭代次数j有关，随着迭代次数不断增加，L值不断增大，控制模型扰动不断缩小解的区间搜索范围，最终寻找到最优解。

下面将结合图3通过一个具体的例子来对本发明的定位方法进行详细的解释和说明：

在地下介质均匀且测量结果无误差的理想情况下，通过距离定位或者方位角定位均可以得到导航对象的精确位置。但在实际情况中，由于地下介质为非均匀介质，因此波速不是固定常量，同时由于噪声的存在，距离和方向测定结果存在误差。在实际应用中，单独使用距离定位或方位角定位方法都无法获得准确的定位结果，为提高定位精度，将两种定位方法结合，采用最优化反演策略，形成联合定位技术。

首先建立目标函数，

f(x,y)＝α||R-R₀||²+β||Φ-Φ₀||² (2)

以三个可控震源基站为例，设用户位置根据地声传播时长估算与各个基站距离分别为r_c1，r_c2，r_c3，构成向量R₀，一般情况下，由于波速无法准确估计，采用三圆定位的方法很难保证其交于一点。为此将三个距离按不同比例的扩大或缩小，实际上相当于在半径或速度值添加扰动值，使得三圆具有交汇区域，得到半径分别r₁，r₂，r₃，构成向量R。φ₁，φ₂，φ₃构成的向量Φ是以r确定的交汇区域几何中心确定的方位角，φ_c1，φ_c2，φ_c3构成的向量Φ₀为实测的方位角。α和β为加权系数，根据测距和测向评估精度确定。将上述目标函数取极小，求解最优化问题，以此时的(x,y)坐标作为最终的定位结果。联合定位法充分利用了矢量振动传感器的采集数据，在定位时同时考虑了距离和方位角对定位精度的影响，可以有效提高定位精度。

该最优化问题的求解思路是首先以距离DW估计参数(r_c1,r_c2,r_c3)，距离全局和局部扰动参数C和B划定最优解搜索区域，然后对目标函数(式2所示)取极小化从而得到定位坐标值，由于不同的距离扰动参数会造成最优解搜索区域的变化，为防止目标函数在局部极值收敛，达不到全局最优，因此采用快速模拟退火算法求解该最优化问题。具体做法如下：

模拟退火算法将被分为两个过程，过程一中采用较高的初始温度，控制距离扰动参数做全局随机扰动，目的是搜索并锁定最优解区间；过程二中采用较低的初始温度，控制求解位置坐标变量做局部随机扰动，扰动在过程一所确定的当前模型周围进行，目的是在锁定最优解区间后，缩小最优搜索空间，以此来提高模型拟合收敛效率。新的退火计划将通过适当的回火升温，可以使模型得以再次跳出局部极小值区间，使最终定位结果更加可靠。

①过程一：模拟退火，进行全局搜索，初步锁定最优解区间范围，退火计划为：

式中，T和T₀分别是当前和初始温度，α_s是衰减系数，j是迭代次数。

相匹配的模型扰动方式为随机的全局扰动方式，公式如下：

式中，R是当前模型，C是模型全局扰动系数，B是模型局部扰动系数，B初始为零向量，随机的全局扰动的物理意义在于较大范围内初步搜索并锁定最优解区间范围。

②过程二：回火升温，进行局部搜索，在被锁定的较大范围最优解区间内做进一步局部搜索。退火方式计划为：

式中，j₀为过程一的迭代次数；γ为升温升幅因子；T与γ大小成反比，γ小时，T较大，否则T较小。退火计划的改变是为了在局部搜索过程开始时回火升温，适当提高温度来保证搜索初期阶段以适当扩大搜索空间，给予模型再一次跳出局部极值机会，同时，也对已寻锁定的最优解空间作进一步检验与验证，这使得过程二所寻找到的最优解更加可靠。

过程二的模型扰动方式具体如下：

式中，L(j)为空间搜索范围的限制因子，其大小与过程二的迭代次数j有关，随着迭代次数不断增加，L值也不断增大，控制模型扰动不断缩小解的区间搜索范围，寻找最优解。过程二实际是一种回火升温下进行退火搜索方式，其初始温度并没有过程一的温度高，模型扰动也是在过程一所初步确定的当前模型周围进行，整个过程受到回火升温再降温的退火计划控制。

也就是说，本发明实施例所述系统采用基于模拟退火的多源地声定位技术，以待定位点与各基站距离估计参数、距离全局扰动和局部扰动参数动态划定最优解搜索区域，通过对目标函数取极小化求解得到定位坐标值，由于不同的扰动参数会造成最优解搜索区域的变化，所以本发明实施例所述模拟退火算法可防止目标函数在局部极值收敛，实现全局最优。

实践表明，本发明实施例基于测距与测角信息的地声定位方法具有以下特点：一是将测距和测角信息引入到最优化反演策略中，采用模拟退火算法求解，通过对测距信息添加全局和局部扰动的同时，对测角信息进行修正，形成联合定位。二是采用退火和回火升温再降温的退火计划对整个搜索过程进行控制，其中前者具有较高的退火温度，通过增大搜索空间范围，对解模型进行全局搜索，将其初步锁定在适当的最优解空间范围；后者则首先采用回火升温策略，检验算法在全局扰动时，是否将解模型落入真正的最优搜索区间，以给予模型再一次跳出局部极值机会，然后继续以较低的退火温度为主，不断缩小模型搜索空间范围，以保证在最优解空间范围内能够不断迭代收敛直至逼近最优解。

总体来说，本发明实施例所述的基于可控震源的地声定位系统具有不受电磁干扰、障碍物屏蔽及无累积误差等优点，可应用于地下地上空间、草原、丛林、山地等局部区域内定位，能够满足上述特定条件和环境下的定位和信息传输需求。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。