CN105629220A - 一种基于单水听器的深海水声被动测距方法 - Google Patents

Abstract

一种基于单水听器的深海水声被动测距方法，属于声纳定位技术领域。布放目标噪声记录设备进行长时间观测，记录接收水听器所在深度，测量布放海域的海深和声速剖面；选取记录设备中单水听器的时域信号做时频分析，观察接收信号在0～1kHz频段内是否具有等频域间隔的条纹存在，若存在，则判断存在目标，从低频到高频提取可明显辨别的第一条和最后一条条纹，获得每个时间片段的条纹的频域间隔；根据接收水听器深度、现场测量的海深和声速剖面计算第一影区内不同距离的目标对应的声场频域干涉周期，将接收水听器得到的每个时间片段条纹的频域间隔与不同距离的声场频域干涉周期进行匹配，得到每个时间片段内目标与接收水听器的水平距离。

Description

一种基于单水听器的深海水声被动测距方法

技术领域

本发明属于声纳定位技术领域，尤其是涉及一种基于单水听器的深海水声被动测距方法。

背景技术

由于无线电波和光波在海水中传播时都要受到严重的衰减，不能有效地传递信息，因此工作于水面以下的潜艇无法通过雷达等设备获得水面舰艇的信息，需要通过声学手段进行水面目标定位。因此水面目标声学定位方法对于潜艇对抗水面舰艇具有重要意义。传统的水下被动定位系统一般需要多个基元对目标实现定位，例如三子阵法和球面内插法，这种方法利用声信号到达时间或相位进行测距，对基阵布阵精度要求高，工作频率高，测距距离近，精度低。近年来，定位技术的发展方向主要有两大类，匹配场定位和目标运动分析。匹配场定位利用已知的海洋环境参数，采用适当的声场模型计算模拟的接收信号，然后与实际测量得到的声信号进行相关“匹配”，实现对目标声源定位，这种方法需要解决的主要是环境、声场模型和基阵系统失配等问题，在复杂海洋环境中往往受限。目标运动分析方法要求基阵或声源机动，通过声源方位变化来对声源距离进行递归解算，不仅收敛时间长，而且测距精度较低。因此，开发目标声学定位新方法是十分重要的。

中国专利CN103487796A公开一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，基于双阵元对目标进行被动探测，每一个阵元分别对接收的目标宽带噪声信号进行LOFAR分析，对接收信号的LOFAR图使用HOUGH变换等边缘提取技术提取条纹，得到波导不变量以及抛物线参数的估计值，进而得到目标的CPA点的距离和目标速度信息。该方法基于波导不变量进行被动探测，对海洋环境不确定因素具有较强的适应能力；而采用双阵元模型，装置简便，计算量小，仅使用两个阵元数据就能解算出目标运动参数信息，实现目标被动探测。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的技术问题，提供能用于深海环境下的目标被动测距的一种基于单水听器的深海水声被动测距方法。

本发明包括以下步骤：

1)布放目标噪声记录设备进行长时间观测，记录接收水听器所在深度，测量布放海域的海深和声速剖面；

2)选取目标噪声记录设备中单水听器的时域信号做时频分析，观察接收信号在0～1kHz频段内是否具有等频域间隔的条纹存在，若存在等频域间隔的条纹，则判断在接收水听器的第一影区内存在目标，从低频到高频提取可明显辨别的第一条和最后一条条纹，从而获得每个时间片段的条纹的频域间隔；

3)根据接收水听器深度、现场测量的海深和声速剖面计算第一影区内不同距离的目标对应的声场频域干涉周期，将接收水听器得到的每个时间片段条纹的频域间隔与不同距离的声场频域干涉周期进行匹配，得到每个时间片段内目标与接收水听器的水平距离。

为实现目标的单水听器被动测距，本发明提供了目标噪声记录设备、深度仪、海深测量设备、声速剖面测量设备。其中，目标噪声记录设备的接收水听器布放深度范围为100～500m。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)可以仅使用单水听器实现深海声场影区目标测距，不需要大规模水听器阵列；

2)不需要已知海底声学参数；

3)不需要大规模的拷贝场计算。

4)适用于深海海洋环境、仅使用单个水听器、可以被动估计声源目标的距离信息。

附图说明

图1是本发明实施例的原理示意图；

图2是本发明实施例中布放海域的声速剖面；

图3是本发明实施例中单水听器时域信号的时频分析；

图4是本发明实施例中单水听器提取的干涉条纹；

图5是本发明实施例中单水听器提取的频域干涉周期；

图6是本发明实施例中根据实测海洋环境计算的频域干涉周期；

图7是本发明实施例中布放海域船舶分布与海面目标距离估计的对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明的单水听器深海被动测距方法，其基本原理是：

如图1所示，当声源位于海面(或者海水表层)，接收水听器位于声场第一影区内的海水表层，多次海底反射声线由于能量衰减大而对声场的贡献可以忽略不计，第一影区的声场仅考虑一次海底反射声线的贡献，则在接收水听器端由声源-海底-接收器、声源-海底-海面-接收器两条声线(若声源位于海水表层，则有声源-海底-接收器、声源-海面-海底-接收器、声源-海底-海面-接收器、声源-海面-海底-海面-接收器四条声线)形成声场干涉结构，声强在频域的干涉周期随着收发距离的增加而增大，因此由单水听器记录的声场干涉结构即可实现被动声源距离估计。在图1中，标记A为水面目标，B为浮球，C为水面目标噪声记录设备，D为沉块。

本发明的单水听器深海被动测距方法，基于上述的原理，具体按照以下步骤实施：

步骤一：如图1所示，布放目标噪声记录设备进行长时间观测，同时记录布放点GPS信息和接收水听器所在深度；

步骤二：如图2所示，测量布放海域的海深和声速剖面；

步骤三：利用船舶信息系统(AIS)记录布放点附近航行船只GPS信息；

步骤四：如图3所示，选取目标噪声记录设备中单水听器的时域信号做时频分析，观察接收信号在0～1kHz频段内是否具有等频域间隔的条纹的存在，若存在等频域间隔的条纹，则判断在接收水听器的第一影区内存在水面目标；

步骤五：如图4和图5所示，若存在等频域间隔的条纹，从低频到高频提取可明显辨别的第一条和最后一条条纹，从而获得每个时间片段的条纹的频域间隔；

步骤六：如图6所示，根据接收水听器深度、现场测量的海深和声速剖面计算第一影区内不同距离的水面目标对应的声场频域干涉周期；

步骤七：将每个时间片段条纹的频域间隔与步骤六中的不同距离的声场频域干涉周期进行匹配，得到每个时间片段内水面目标与接收水听器的水平距离；

步骤八：如图7所示，根据布放点GPS信息和附近航行船只GPS信息计算两者水平距离，与之前估计的水面目标水平距离进行比对，验证测距结果。

本实施例通过单水听器，在已知海深和声速剖面的基础上，匹配声场频域干涉周期获得水面目标与接收水听器的水平距离。与传统被动测距方法相比，不需要已知海底声学参数和大规模的拷贝场计算。

本发明适用于深海海洋环境、仅利用单个水听器的目标距离被动估计方法。根据声源在深海情况下产生的第一影区声场的频率-距离干涉结构，通过提取接收信号中由目标引起的干涉条纹的频域干涉周期，与根据实测海洋环境仿真得到的随距离增大的频域干涉周期进行匹配，从而得到目标与接收点的水平距离。

Claims (1)

1.一种基于单水听器的深海水声被动测距方法，其特征在于包括以下步骤：

1)布放目标噪声记录设备进行长时间观测，记录接收水听器所在深度，测量布放海域的海深和声速剖面；

2)选取目标噪声记录设备中单水听器的时域信号做时频分析，观察接收信号在0～1kHz频段内是否具有等频域间隔的条纹存在，若存在等频域间隔的条纹，则判断在接收水听器的第一影区内存在目标，从低频到高频提取可明显辨别的第一条和最后一条条纹，从而获得每个时间片段的条纹的频域间隔；

3)根据接收水听器深度、现场测量的海深和声速剖面计算第一影区内不同距离的目标对应的声场频域干涉周期，将接收水听器得到的每个时间片段条纹的频域间隔与不同距离的声场频域干涉周期进行匹配，得到每个时间片段内目标与接收水听器的水平距离。