CN103792512A - 一种基于水平直线阵的近场三维被动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水声定位领域，具体涉及一种基于水平直线阵的近场三维被动定位方法。本发明包括：采用水平直线阵，将阵固定布放在平坦海底，接收水下声场中目标声源的辐射信号，放大滤波，进行数据采集；粗测目标方位；在各扫描区内对各阵元接收的来波信号按扫描点进行时延补偿、叠加运算，得到的聚焦波束形成输出；计算叠加后的声信号的功率，在声图上输出扫描区内各点的功率值；对测量区域精确扫描；确定扫描区域内的两个亮点的坐标；经过后置处理反求出目标声源的三维坐标。本发明以聚焦波束形成原理、方法为基础，不需要任何先验知识，可实现浅海近程目标的高精度三维被动定位，400米范围内定位误差小于0.5m。

Description

一种基于水平直线阵的近场三维被动定位方法

技术领域

本发明属于水声定位领域，具体涉及一种基于水平直线阵的近场三维被动定位方法。

背景技术

水声定位技术是水声技术中的一个重要而且基本的问题，浅海水声被动定位在军事上和海洋研究方面都有重要意义。常见的水下被动定位方法有三子阵定位法、目标运动分析法(TMA)和匹配场处理(MFP)(见文献[1]：毛卫宁.水下被动定位方法回顾与展望.东南大学学报,2001,31(6):129-132)。传播模型的简化使三子阵法在理论和实际应用方面都有很大的局限性；目标运动分析(TMA)方法技术相对成熟，但其定位的关键是利用目标运动的动态信息，且对信噪比有一定要求；匹配场处理技术(MFP)主要用于解决低频、甚远距离的目标定位问题。

常规的波束形成技术(见文献[2]：田坦,刘国枝,孙大军.声呐技术.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2000,63-72)是基于平面波假设的，适用于远场目标测向，无法进行测距。聚焦波束形成技术(见文献[3]：惠娟,胡丹,惠俊英,殷敬伟.聚焦波束形成声图测量原理研究.声学学报,2007,32(4):356-361；文献[4]：MAN K M,YANG I S,CHUN S Y et al.Passive rangeestimation using dual focused beamformers.IEEE Journal of Oceanic Engineering,27(3),2002:638-641，文献[5]：Trucco A.A least-squares approximation for the delays used in focusedbeamforming.J.Acoust.Soc.Amer.,1998,104(1):171-175)是一种高精度的测量技术，其原理与常规波束形成不同的是应用条件为近场，是通过补偿球面波的时延差使各阵元输出信号同相叠加实现聚焦，从而对目标定位。在以往的研究中，聚焦波束形成技术多应用于对舰船辐射噪声源的测量(见文献[3]和文献[6]：梅继丹,惠俊英,惠娟.聚焦波束形成声图近场被动定位技术仿真研究.系统仿真学报,2008,20(5):1328-1333)，在确定出辐射源位置后可以有针对性的采取降噪措施；此方法也应用于近场目标的被动声图定位中(见文献[7]：余赟,梅继丹,翟春萍,惠娟,惠俊英.声图测量及定位海试研究.声学学报,2009,34(2):103-109)，用45m长阵，200m内测量精度可以达到米级。在上述方法中其实现定位都是在深度坐标已知的前提下进行的，而在实际应用中，很难获得准确的目标深度坐标，而且深度误差对定位结果的影响也是不容忽视的。

所以，有必要对聚焦波束形成技术进行扩展，使其在目标深度不准确或者未知的情况下，完成近场目标的三维定位，即不仅能够求解目标源的水平坐标，更能准确地得到其深度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度的、适用于海底固定阵的、基于水平直线阵的近场三维被动定位方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)采用水平直线阵，将阵固定布放在平坦海底，接收水下声场中目标声源的辐射信号，放大滤波，进行数据采集，包括直达声信号和经海面反射的信号：目标S₀深度为z₀，海深为H，水平线列阵沿着x轴方向布放在海底，S₀'为S₀关于海面的虚源，辐射信号为s(t)；声速为c，海面反射系数为-0.9，目标到i号阵元距离为R_ic，虚源S₀'到i号阵元距离为R_ic'，球面波衰减条件下各阵元接收信号为：

$r_i\left(t\right)=\frac{1}{R_{\mathrm{ic}}}s(t-\frac{R_{\mathrm{ic}}}{c})-\frac{0.9}{{R_{\mathrm{ic}}}^{\′}}s(t-\frac{{R_{\mathrm{ic}}}^{\′}}{c});$

(2)粗测目标方位，在水下划定多个深度的扫描平面，对扫描区域打网格，每个网格边长为10m，网格中的交点为扫描点；

(3)在各扫描区内对各阵元接收的来波信号按扫描点进行时延补偿、叠加运算，得到的聚焦波束形成输出，

$y\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i(t+\frac{R_i}{c});$

其中R_i为扫描点到各阵元的距离；

(4)计算叠加后的声信号的功率，在声图上输出扫描区内各点的功率值，目标在扫描区域内，则在目标位置声图上会出现声功率聚焦形成的亮点，聚焦波束形成功率输出为：

$Y=\stackrel{\‾}{y^2\left(t\right)}=\stackrel{\‾}{{\left\{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[\frac{1}{R_{\mathrm{ic}}}s(t-\frac{R_{\mathrm{ic}}}{c}+\frac{R_i}{c})-\frac{0.9}{{R_{\mathrm{ic}}}^{\′}}s(t-\frac{{R_{\mathrm{ic}}}^{\′}}{c}+\frac{R_i}{c})]\}}^2};$

(5)选择一个声图上存在明显亮点的扫描区，在亮点位置附近打网格，重新执行步骤（3）-步骤（4）对测量区域精确扫描；

(6)在精确测量获得的声图上寻找直达声和海面一次反射声形成的聚焦峰亮点，确定扫描区域内的两个亮点的坐标，S′为目标源S₀所在的等时延圆与扫描区域的交点，坐标为(x′,y′,z′)；S″为虚源S₀′所在的等时延圆与扫描区域的交点，坐标为(x″,y″,z′)，当R_i＝R_ic时，各阵元直达声时延补偿后信号同相叠加，输出功率有最大值，声图中出现亮点，当R_i＝R_ic'时，各阵元海面反射声时延补偿后信号同相叠加，输出功率出现峰值，反射声比直达声幅值衰减大，R_ic处的功率输出更大，声图上，S'和S"处存在两个亮点，且S₁处功率输出值大于S₁'，从声图上直接读取两点坐标；

(7)经过后置处理反求出目标声源的三维坐标，

S₀的x轴、y轴和z轴坐标：

$z_0=\frac{{(y^{\″}-y^{\′})}^2+2(y^{\″}-y^{\′})y^{\′}}{4H};$

$y_0=\sqrt{y^{\′2}+{(H-z^{\′})}^2-{(H-z_0)}^2};$

x₀＝x′。

本发明的有益效果在于：本发明以聚焦波束形成原理、方法为基础，不需要任何先验知识，可实现浅海近程目标的高精度三维被动定位，400米范围内定位误差小于0.5m。

附图说明

图1为本发明实现的流程图；

图2为水平直线阵三维定位原理图；

图3为聚焦波束形成技术原理示意图；

图4为扫描区域内某声源的声图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

(1)图1为进行目标定位的流程图。设目标S₀深度为z₀，海深为H，水平线列阵沿着x轴方向布放在海底，如图2中所示。S₀'为S₀关于海面的虚源，辐射信号为s(t)；声速为c，海面反射系数为-0.9。目标到i号阵元距离为R_ic，虚源S₀'到i号阵元距离为R_ic'，只考虑直达声和一次海面反射，则球面波衰减条件下各阵元接收信号为：

$r_i\left(t\right)=\frac{1}{R_{\mathrm{ic}}}s(t-\frac{R_{\mathrm{ic}}}{c})-\frac{0.9}{{R_{\mathrm{ic}}}^{\′}}s(t-\frac{{R_{\mathrm{ic}}}^{\′}}{c})---\left(1\right)$

(2)首先要粗测目标方位。在水下划定多个深度的扫描平面，对扫描区域打网格，每个网格边长设为10m，网格中的交点为扫描点。

(3)应用聚焦波束形成技术，在扫描区内对各阵元接收的来波信号进行时延补偿、叠加运算，得到的聚焦波束形成输出可用(2)式表示：

$y\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i(t+\frac{R_i}{c})---\left(2\right)$

其中R_i为扫描点到各阵元的距离。图3为聚焦波束形成原理图。

(4)计算叠加后的声信号的功率，在声图(这里的声图是指根据目标辐射噪声的空间分布特性而得到的辐射源坐标的图像，而不是成像声呐得到的物体的形象)上输出扫描区内各点的功率值，如果目标在扫描区域内，则在目标位置声图上会出现声功率聚焦形成的亮点。聚焦波束形成功率输出为：

$Y=\stackrel{\‾}{y^2\left(t\right)}=\stackrel{\‾}{{\left\{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[\frac{1}{R_{\mathrm{ic}}}s(t-\frac{R_{\mathrm{ic}}}{c}+\frac{R_i}{c})-\frac{0.9}{{R_{\mathrm{ic}}}^{\′}}s(t-\frac{{R_{\mathrm{ic}}}^{\′}}{c}+\frac{R_i}{c})]\}}^2}---\left(3\right)$

(5)在不同深度的几个扫描区内，选择一个声图上存在明显亮点的区域，并在目标位置附近进行细扫。本例中目标位于(0m,146m,40m)，扫描深度为40m，扫描范围是40m×80m的矩形区域，扫描分辨率为1m。

(6)在声图上寻找直达声和海面一次反射声形成的聚焦峰亮点。在图2中，S′为目标源S₀所在的等时延圆与扫描区域的交点，坐标为(x′,y′,z′)；S″为虚源S₀′所在的等时延圆与扫描区域的交点，坐标为(x″,y″,z′)。由(3)式可以看出，当R_i＝R_ic时，各阵元直达声时延补偿后信号同相叠加，输出功率有最大值，声图中出现亮点。当R_i＝R_ic'时，各阵元海面反射声时延补偿后信号同相叠加，输出功率出现峰值，由于反射声比直达声幅值衰减大，所以R_ic处的功率输出更大。即在声图上，S'和S"处存在两个亮点，且S₁处功率输出值大于S₁'，可以从声图上直接读取两点坐标。

(7)确定扫描区域内的两个亮点的坐标，经过后置处理反求出目标声源的三维坐标。

在图2中，由S₀、S₀'、S'、S″和O′的几何关系可以求得S₀的y轴和z轴坐标：

$z_0=\frac{{(y^{\″}-y^{\′})}^2+2(y^{\″}-y^{\′})y^{\′}}{4H}---\left(4\right)$

$y_0=\sqrt{y^{\′2}+{(H-z^{\′})}^2-{(H-z_0)}^2}---\left(5\right)$

由阵的垂直指向性可知实际扫描深度与目标源所在平面深度之间的误差并不影响x轴方向的定位，易得：

x₀＝x′   (6)

所以从(4)～(6)可以得到目标S₀的真实三维坐标。

当扫描平面与海底距离大于r时，过S₀的等时延圆与扫描平面无公共点，此时声图上就不会出现亮点，这时候需要改变扫描深度。图2中扫描区域深度小于目标深度。当z₁>z₀时，即扫描区域在目标下方，原理与之前相似，得到的S₀坐标表达式与式(4)～(6)相同。

Claims (1)

1.一种基于水平直线阵的近场三维被动定位方法，其特征是：

(1)采用水平直线阵，将阵固定布放在平坦海底，接收水下声场中目标声源的辐射信号，放大滤波，进行数据采集，包括直达声信号和经海面反射的信号：目标S₀深度为z₀，海深为H，水平线列阵沿着x轴方向布放在海底，S₀'为S₀关于海面的虚源，辐射信号为s(t)；声速为c，海面反射系数为-0.9，目标到i号阵元距离为R_ic，虚源S₀'到i号阵元距离为R_ic'，球面波衰减条件下各阵元接收信号为：

$r_i\left(t\right)=\frac{1}{R_{\mathrm{ic}}}s(t-\frac{R_{\mathrm{ic}}}{c})-\frac{0.9}{{R_{\mathrm{ic}}}^{\′}}s(t-\frac{{R_{\mathrm{ic}}}^{\′}}{c});$

(2)粗测目标方位，在水下划定多个深度的扫描平面，对扫描区域打网格，每个网格边长为10m，网格中的交点为扫描点；

(3)在各扫描区内对各阵元接收的来波信号按扫描点进行时延补偿、叠加运算，得到的聚焦波束形成输出，

$y\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i(t+\frac{R_i}{c});$

其中R_i为扫描点到各阵元的距离；

(4)计算叠加后的声信号的功率，在声图上输出扫描区内各点的功率值，目标在扫描区域内，则在目标位置声图上会出现声功率聚焦形成的亮点，聚焦波束形成功率输出为：

$Y=\stackrel{\‾}{y^2\left(t\right)}=\stackrel{\‾}{{\left\{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[\frac{1}{R_{\mathrm{ic}}}s(t-\frac{R_{\mathrm{ic}}}{c}+\frac{R_i}{c})-\frac{0.9}{{R_{\mathrm{ic}}}^{\′}}s(t-\frac{{R_{\mathrm{ic}}}^{\′}}{c}+\frac{R_i}{c})]\}}^2};$

(5)选择一个声图上存在明显亮点的扫描区，在亮点位置附近打网格，重新执行步骤（3）-步骤（4）对测量区域精确扫描；

(6)在精确测量获得的声图上寻找直达声和海面一次反射声形成的聚焦峰亮点，确定扫描区域内的两个亮点的坐标，S′为目标源S₀所在的等时延圆与扫描区域的交点，坐标为(x′,y′,z′)；S″为虚源S₀′所在的等时延圆与扫描区域的交点，坐标为(x″,y″,z′)，当R_i＝R_ic时，各阵元直达声时延补偿后信号同相叠加，输出功率有最大值，声图中出现亮点，当R_i＝R_ic'时，各阵元海面反射声时延补偿后信号同相叠加，输出功率出现峰值，反射声比直达声幅值衰减大，R_ic处的功率输出更大，声图上，S'和S"处存在两个亮点，且S₁处功率输出值大于S₁'，从声图上直接读取两点坐标；

(7)经过后置处理反求出目标声源的三维坐标，S₀的x轴、y轴和z轴坐标：

$z_0=\frac{{(y^{\″}-y^{\′})}^2+2(y^{\″}-y^{\′})y^{\′}}{4H};$

$y_0=\sqrt{y^{\′2}+{(H-z^{\′})}^2-{(H-z_0)}^2};$

x₀＝x′。

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