CN105182347B - 一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法，包括海底测量阵和岸基综合处理机，定位方法包括如下步骤：S1、在海区布放海底测量阵，S2、目标进入海底测量阵的有效声学作用距离时，相应基阵接收到目标的辐射噪声并回传至岸基综合处理机；S3、岸基综合处理机对单个基阵回传的数据进行处理，S4、最终定位，基阵孔径小，大幅降低了系统成本和工程实践难度；综合利用了标量水听器阵常规波束形成的稳健性和矢量水听器测向精度高的优点，既保证了定位精度，又不失稳健性；通过基阵两两组合进行“举手表决”剔除伪解的方法，可分辨多个目标，可以大幅提高水下目标的被动定位能力。

Description

一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法

技术领域

本发明涉及水下目标定位技术领域，具体地说是一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法。

背景技术

随着水声技术的不断进步与发展，人类开展的水下活动日益频繁。在海洋资源勘探、海洋生物动态监测、水下航行器定位导航等领域，水下目标的高精度定位显得尤为重要。目前常用的高精度水下目标被动定位方法主要采用大孔径基阵和特定的高分辨阵处理算法。增大基阵孔径会增加工程实现难度，且基阵孔径过大，信号的空间相关性会下降，反而会降低探测精度；高分辨的阵处理算法稳健性较差，先验条件的不匹配会导致处理性能急剧下降。

发明内容

针对以上存在的问题，本发明提出了一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法，基阵孔径小，大幅降低了系统成本和工程实践难度；综合利用了标量水听器阵常规波束形成的稳健性和矢量水听器测向精度高的优点，既保证了定位精度，又不失稳健性；通过基阵两两组合进行“举手表决”剔除伪解的方法，可分辨多个目标。因此，本发明区别于以往的水下目标高精度被动定位系统，具有很大的创新性，可以大幅提高水下目标的被动定位能力。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法，包括海底测量阵和岸基综合处理机，其定位方法包括如下步骤：

S1、在海区布放海底测量阵，海底测量阵由四个圆形基阵构成一个边长为5km的正方形目标定位区域，单个圆形基阵的直径2.4m，每个圆形基阵都由50个标量水听器均匀分布于圆周上，矢量水听器置于基阵的圆心处；

S2、目标进入海底测量阵的有效声学作用距离时，相应基阵接收到目标的辐射噪声并回传至岸基综合处理机；

S3、岸基综合处理机对单个基阵回传的数据进行处理，处理流程为：对圆形基阵的标量水听器进行波束形成处理，波束形成后的输出信号与矢量水听器接收到的两路正交信号分别进行相关处理，并利用处理后两路信号的正交性，解算出目标的方位；

S4、最终定位：通过步骤S3四个圆形基阵都完成对目标的方位解算后，根据基阵之间的几何关系解算出目标的距离，从而实现一个或者多个目标的被动定位。

所述的步骤S3的处理与解算过程为：

每个标量水听器接收到的声压信号可表示为：

p₀(t)＝s(t)+n(t) (1)

其中s(t)为目标辐射信号，n(t)为海洋背景噪声信号；

矢量水听器接收到的两路正交的振速信号可表示为：

式中θ为目标相对于基阵的方位角，ρ为海水密度，c为声波在海水中的传播速度；

根据波束形成的基本原理，圆形基阵的标量水听器经过波束形成后输出信号为：

式中N为标量圆形阵中水听器的个数；

将输出信号与矢量水听器的两路振速信号进行相关处理，利用这两路信号的正交性可对目标方位进行解算：

所述的步骤S4定位过程为：

利用任意两个圆形基阵进行方位交汇即可对目标进行二维定位，

其中两个基阵F1、F2测得的目标方位分别为θ₁、θ₂，目标与基阵圆心距离分别为r₁、r₂，根据几何关系有以下关系式：

式中L为两个基阵间的距离，在单个基阵完成方位解算的基础上，由式(6)的方程组可解算出距离值：

所述的步骤S4的多目标定位过程如下：

当存在M个目标时，目标编号1，2…M，每个基阵将解算出M个方位值，此时距离解算公式为：

式中r_1ij表示第i号目标与基阵F1之间的距离，r_2ij表示第i个目标与基阵F2之间的距离，L为基阵F1与基阵F2之间的距离，θ_2i表示2号基阵F2对第i号目标的方位解算结果，θ_1j表示基阵F1对第j号目标的方位解算结果，此时基阵两两交汇可解算出M²个距离值，其中有M个为真值，其余为伪解；

当i＝j时，两个基阵对准同一目标，解算结果为真值；

再通过基阵两两组合的方式进行“举手表决”选出真值，四个基阵两两组合共有6种组合方式，每两个基阵组合均可解算出M²个结果，则对每个结果投1票，6种组合均解算完毕后，每组结果中必有M个结果是重合的，即这M个结果可得6票，而其余结果均低于6票，则得票最高的这M个解算结果为目标的最终位置。

有益效果

本申请具有如下技术效果或优点：

基阵孔径小，大幅降低了系统成本和工程实践难度；综合利用了标量水听器阵常规波束形成的稳健性和矢量水听器测向精度高的优点，既保证了定位精度，又不失稳健性；通过基阵两两组合进行“举手表决”剔除伪解的方法，可分辨多个目标。因此，本发明区别于以往的水下目标高精度被动定位系统，具有很大的创新性，可以大幅提高水下目标的被动定位能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本申请实施例的工作示意图；

图2为申请实施例的标量圆形阵与矢量水听器X方向相关处理结果图；

图3为申请实施例的标量圆形阵与矢量水听器Y方向相关处理结果图；

图4为申请实施例的双基阵对目标进行距离解算示意图；

图5为申请实施例的四个基阵和三个目标分布平面示意图；

图6为申请实施例的目标定位精度结果图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明提供了一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法，基阵孔径小，大幅降低了系统成本和工程实践难度；综合利用了标量水听器阵常规波束形成的稳健性和矢量水听器测向精度高的优点，既保证了定位精度，又不失稳健性；通过基阵两两组合进行“举手表决”剔除伪解的方法，可分辨多个目标。因此，本发明区别于以往的水下目标高精度被动定位系统，具有很大的创新性，可以大幅提高水下目标的被动定位能力。

如图1所示，本发明所述的一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法，包括海底测量阵和岸基综合处理机，其定位方法包括如下步骤：

S1、在海区布放海底测量阵，海底测量阵由四个圆形基阵构成一个边长为5km的正方形目标定位区域，单个圆形基阵的直径2.4m，每个圆形基阵都由50个标量水听器均匀分布于圆周上，矢量水听器置于基阵的圆心处；

S2、目标进入海底测量阵的有效声学作用距离时，相应基阵接收到目标的辐射噪声并回传至岸基综合处理机；

S3、岸基综合处理机对单个基阵回传的数据进行处理，处理流程为：对圆形基阵的标量水听器进行波束形成处理，波束形成后的输出信号与矢量水听器接收到的两路正交信号分别进行相关处理，并利用处理后两路信号的正交性，解算出目标的方位；

S4、最终定位：通过步骤S3四个圆形基阵都完成对目标的方位解算后，根据基阵之间的几何关系解算出目标的距离，从而实现一个或者多个目标的被动定位。

其中，在本实施例中，所述的步骤S3的处理与解算过程为：

每个标量水听器接收到的声压信号可表示为：

p₀(t)＝s(t)+n(t) (1)

其中s(t)为目标辐射信号，n(t)为海洋背景噪声信号；

矢量水听器接收到的两路正交的振速信号可表示为：

式中θ为目标相对于基阵的方位角，ρ为海水密度，c为声波在海水中的传播速度；

根据波束形成的基本原理，圆形基阵的标量水听器经过波束形成后输出信号为：

式中N为标量圆形阵中水听器的个数；

将输出信号与矢量水听器的两路振速信号进行相关处理，利用这两路信号的正交性可对目标方位进行解算，结果如图2和图3所示。

其中，在本实施例中，所述的步骤S4定位过程为：

利用任意两个圆形基阵进行方位交汇即可对目标进行二维定位，

其中两个基阵F1、F2测得的目标方位分别为θ₁、θ₂，目标与基阵圆心距离分别为r₁、r₂，如图4所示，根据几何关系有以下关系式：

式中L为两个基阵间的距离，在单个基阵完成方位解算的基础上，由式(6)的方程组可解算出距离值：

其中，在本实施例中，所述的步骤S4的多目标定位过程如下：

当存在M个目标时，目标编号1，2…M，每个基阵将解算出M个方位值，此时距离解算公式为：

式中r_1ij表示第i号目标与基阵F1之间的距离，r_2ij表示第i个目标与基阵F2之间的距离，L为基阵F1与基阵F2之间的距离，θ_2i表示2号基阵F2对第i号目标的方位解算结果，θ_1j表示基阵F1对第j号目标的方位解算结果，此时基阵两两交汇可解算出M²个距离值，其中有M个为真值，其余为伪解；

当i＝j时，两个基阵对准同一目标，解算结果为真值；

再通过基阵两两组合的方式进行“举手表决”选出真值，四个基阵两两组合共有6种组合方式，每两个基阵组合均可解算出M²个结果，则对每个结果投1票，6种组合均解算完毕后，每组结果中必有M个结果是重合的，即这M个结果可得6票，而其余结果均低于6票，则得票最高的这M个解算结果为目标的最终位置。

方法验证

下面给出用本发明所述方法对水下目标进行被动定位的验证结果。验证中，布放如图1所示的5km×5km海底测量阵，海区水深100米，基阵坐标分别为F1(0，0，100)、F2(5000，0，100)、F3(0，5000，100)、F4(5000，5000，100)；预设目标声源S1、S2、S3的坐标分别为S1(1250，2500，5)，S2(1679，1679，5)，S3(2500，2500，10)，(单位：米)。基阵和目标声源的平面示意图如图5所示。

图6为三个目标声源的定位精度情况，从图中可以看出，S1的测向精度为0.8°，测距精度为71m，测距相对误差2.5％；S2测向精度为1.0°，测距精度为84m，测距相对误差3.5％；目标声源位于阵中心时，S3测向精度为0.5°，测距精度为34m，测距相对误差1％；总的来看，测向误差均在1°以内，测距相对误差也低于5％，本发明利用小孔径基阵实现了水下多目标的高精度定位。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例演示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法，其特征在于，包括海底测量阵和岸基综合处理机，其定位方法包括如下步骤：

S1、在海区布放海底测量阵，海底测量阵由四个圆形基阵构成一个边长为5km的正方形目标定位区域，单个圆形基阵的直径2.4m，每个圆形基阵都由50个标量水听器均匀分布于圆周上，矢量水听器置于基阵的圆心处；

S2、目标进入海底测量阵的有效声学作用距离时，相应基阵接收到目标的辐射噪声并回传至岸基综合处理机；

S3、岸基综合处理机对单个基阵回传的数据进行处理，处理流程为：对圆形基阵的标量水听器进行波束形成处理，波束形成后的输出信号与矢量水听器接收到的两路正交信号分别进行相关处理，并利用处理后两路信号的正交性，解算出目标的方位；

S4、最终定位：通过步骤S3四个圆形基阵都完成对目标的方位解算后，根据基阵之间的几何关系解算出目标的距离，从而实现一个或者多个目标的被动定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法，其特征在于：所述的步骤S3的处理与解算过程为：

每个标量水听器接收到的声压信号可表示为：

p₀(t)＝s(t)+n(t) (1)

其中s(t)为目标辐射信号，n(t)为海洋背景噪声信号；

矢量水听器接收到的两路正交的振速信号可表示为：

$v_x=\frac{s\left(t\right)cos\mathrm{\θ}+n\left(t\right)}{\mathrm{\ρ}c}---\left(2\right)$

$v_y=\frac{s\left(t\right)sin\mathrm{\θ}+n\left(t\right)}{\mathrm{\ρ}c}---\left(3\right)$

式中θ为目标相对于基阵的方位角，ρ为海水密度，c为声波在海水中的传播速度；

根据波束形成的基本原理，圆形基阵的标量水听器经过波束形成后输出信号为：

$p\left(t\right)=Ns\left(t\right)+\sqrt{N}n\left(t\right)---\left(4\right)$

式中N为标量圆形阵中水听器的个数；

将输出信号与矢量水听器的两路振速信号进行相关处理，利用这两路信号的正交性可对目标方位进行解算：

$\widehat{\mathrm{\θ}}={\tan }^{-1}\left(\frac{\∫p\left(t\right)v_y}{\∫p\left(t\right)v_x}\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{\∫\[Ns\left(t\right)+\sqrt{N}n\left(t\right)\]\[s\left(t\right)sin\mathrm{\θ}+n\left(t\right)\]}{\∫\[Ns\left(t\right)+\sqrt{N}n\left(t\right)\]\[s\left(t\right)cos\mathrm{\θ}+n\left(t\right)\]}\right)---\left(5\right).$

3.根据权利要求1所述的一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法，其特征在于：所述的步骤S4定位过程为：

利用任意两个圆形基阵进行方位交汇即可对目标进行二维定位，

其中两个基阵F1、F2测得的目标方位分别为θ₁、θ₂，目标与基阵圆心距离分别为r₁、r₂，根据几何关系有以下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1{\mathrm{cos\θ}}_1-r_2{\mathrm{cos\θ}}_2=L\\ r_1{\mathrm{sin\θ}}_1-r_2{\mathrm{sin\θ}}_2=0\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中L为两个基阵间的距离，在单个基阵完成方位解算的基础上，由式(6)的方程组可解算出距离值：

$r_1=\left|\frac{L{\mathrm{sin\θ}}_2}{sin({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)}\right|---\left(7\right)$

$r_2=\left|\frac{L{\mathrm{sin\θ}}_1}{sin({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)}\right|---\left(8\right).$

4.根据权利要求1所述的一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法，其特征在于：所述的步骤S4的多目标定位过程如下：

当存在M个目标时，目标编号1，2…M，每个基阵将解算出M个方位值，此时距离解算公式为：

$r_{1ij}=\left|\frac{L{\mathrm{sin\θ}}_{2i}}{sin({\mathrm{\θ}}_{2i}-{\mathrm{\θ}}_{1j})}\right|,i,j=1,2...M---\left(9\right)$

$r_{2ij}=\left|\frac{L{\mathrm{sin\θ}}_{1j}}{sin({\mathrm{\θ}}_{2i}-{\mathrm{\θ}}_{1j})}\right|,i,j=1,2...M---\left(10\right)$

式中r_1ij表示第i号目标与基阵F1之间的距离，r_2ij表示第i个目标与基阵F2之间的距离，L为基阵F1与基阵F2之间的距离，θ_2i表示2号基阵F2对第i号目标的方位解算结果，θ_1j表示基阵F1对第j号目标的方位解算结果，此时基阵两两交汇可解算出M²个距离值，其中有M个为真值，其余为伪解；

当i＝j时，两个基阵对准同一目标，解算结果为真值；

再通过基阵两两组合的方式进行“举手表决”选出真值，四个基阵两两组合共有6种组合方式，每两个基阵组合均可解算出M²个结果，则对每个结果投1票，6种组合均解算完毕后，每组结果中必有M个结果是重合的，即这M个结果可得6票，而其余结果均低于6票，则得票最高的这M个解算结果为目标的最终位置。