CN106680824B - 一种基于垂直机动的水下航行器自主目标被动定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于垂直机动的水下航行器自主目标被动定位方法，步骤是：先设定坐标系，声源深度为Ds，己方航行器在观测到目标稳定辐射噪声的情况下，在五个机动深度上对目标噪声进行采样，采样时间都为T；将采样得到的T时间段的五个机动深度的噪声数据看成一个虚拟的五元垂直阵列接收到的数据；计算线谱频率相对应的测量场采样协方差矩阵估计；利用KRAKEN模型结合环境参数计算拷贝数据；通过求取采样协方差矩阵估计与拷贝数据相关的方法获取各线谱对应的模糊度函数；按照线谱能量相对大小加权模糊度函数，提高定位精度；本发明利用水下航行器垂直机动的方法对目标定位，不需要垂直基阵，可以在航行器机动过程中完成定位且定位准确。

Description

一种基于垂直机动的水下航行器自主目标被动定位方法
技术领域
本发明涉及的是水声目标被动定位技术领域，具体的说是一种基于垂直机动的水下航行器自主目标被动定位方法。
背景技术
目标被动定位技术是水声学研究的难点之一，当前的目标被动定位技术主要有三元被动定位方法、目标运动分析被动定位方法、匹配场被动定位方法。上述定位方法中传统的三元被动定位方法要求采用三点式声纳基阵，不能够测定目标深度，且难以实现远程定位；匹配场被动定位方法虽然可以获取目标的深度信息，但要求采用直线基阵；目标运动分析被动定位方法虽然使用单声纳基阵，但定位时间长且不能获取目标深度。
针对现有航行器的单声纳基阵，目前还没有同时测定水下目标距离以及深度的被动定位方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供了一种基于垂直机动的水下航行器自主目标被动定位方法，利用水下航行器垂直机动的方法对目标定位，不需要垂直基阵，可以在航行器机动过程中完成定位且定位准确。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于垂直机动的水下航行器自主目标被动定位方法，步骤如下：
1、设定坐标系，声源深度为Ds，己方航行器在观测到目标稳定辐射噪声的情况下，在五个机动深度上对目标噪声进行采样，采样时间都为T；
2、将采样得到的T时间段的五个机动深度的噪声数据看成一个虚拟的五元垂直阵列接收到的数据，每一段T噪声数据等分为M小段，分别转化到频域；
3、计算线谱频率相对应的测量场采样协方差矩阵估计；
4、利用KRAKEN模型结合环境参数计算拷贝数据；
5、通过求取采样协方差矩阵估计与拷贝数据相关的方法得到各线谱对应的模糊度函数，获取初步定位结果；
6、利用声场测量信号中的多线谱资源，按照线谱能量的相对大小加权各线谱的模糊度函数，提高定位精度。
本发明的有益效果为：利用水下航行器垂直机动的方法对目标定位，不需要垂直基阵，可以在航行器机动过程中完成定位且定位准确。
附图说明
图1是本发明的目标噪声信号及其频谱图；
图2是本发明的坐标系设定图；
图3是本发明的基于垂直机动的测量场估计原理图；
图4是本发明的佐证试验设计图；
图5是本发明的验证试验中垂直阵接收到的部分数据图；
图6是本发明的验证试验中垂直阵接收到的部分数据的频谱图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，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方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
以海深5000m、MUNK声速剖面、目标辐射噪声包含两根线谱f1(20Hz)、f2(30Hz)为例(如图1中所示)，将方法步骤描述如下：
1、设定坐标系，如图2所示，声源深度为300m，己方航行器在观测到目标稳定辐射噪声的情况下，在五个机动深度上对目标噪声进行采样，采样时间段都为T，机动深度以及与声源的水平距离为(140m，64000m)、(150m，63500m)、(160m，63000m)、(170m，62500m)、(180m，62000m)。
2、将采样得到的五个机动深度(D1-D5)、采样时间段为T的噪声数据看作成一个虚拟的五元垂直阵列接收到的数据，每一段T噪声数据等分为M小段，并分别转化到频域，假定信号的能量集中在两个线谱f1(20Hz)、f2(30Hz)上，可以得到图3中右侧M组的频域数据其中m＝1:M，令 分别对应频率为f1(20Hz)、f2(30Hz)的两线谱。
3、频率f1对应的测量场采样协方差矩阵估计为：其中同理可以得到频率f2对应的测量场采样协方差矩阵估计为其中
4、利用KRAKEN模型结合环境参数计算拷贝数据并将其归一化得到
5、垂直机动定位频率为f1的模糊度函数可以表示为：f2的模糊度函数可以表示为：
6、我们对每根线谱的定位结果进行加权处理，可以有效利用声场测量信号中的多线谱资源提高定位精度，利用两线谱获得的定位模糊度函数的一种非相干表示方法为：其中β1、β2为加权系数，其确定原则为线谱能量的相对大小：其中k为2(线谱个数)。
对该方法进行试验设计验证：
1、试验选取浅海，测定选取海域的海深、声速剖面以及海底底质等环境参数。
2、如图4中S点，声源为一稳定的宽带声源，固定于深度为79m，距离垂直阵水平距离5.9km的位置，持续不断发射声信号，模拟舰船辐射噪声。
3、距离声源一定距离处布设垂直阵，将垂直阵各水听器不同时间段接收到的声信号(图5)看作水下航行器垂直机动时在不同深度接收到的不同时间段的声信号来估计采样协方差矩阵，进行目标被动定位。
各水听器接收到的部分实验数据以及相应频谱如图5、图6所示。
利用本发明的自主目标被动定位方法，结合不同时间段不同深度的目标稳定辐射噪声数据可以获得较为准确的定位结果，说明该方法的有效性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种基于垂直机动的水下航行器自主目标被动定位方法，其特征在于：
(1)、设定坐标系，声源深度为Ds，己方航行器在观测到目标稳定辐射噪声的情况下，在五个机动深度上对目标噪声进行采样，采样时间都为T,获得目标噪声的多个线谱频率；
(2)、将采样得到的T时间段的五个机动深度的噪声数据看成一个虚拟的五元垂直阵列接收到的数据，每一T时间段的噪声数据等分为M小段，分别转化到频域；
(3)、计算线谱频率相对应的测量场采样协方差矩阵估计；
(4)、利用KRAKEN模型结合环境参数计算拷贝数据；
(5)、通过求取采样协方差矩阵估计与拷贝数据相关的方法得到各线谱对应的模糊度函数，获取初步定位结果；
垂直机动定位频率为f1的模糊度函数表示为：f2的模糊度函数可以表示为：
为的复共轭；
频率为f1时的采样协方差矩阵；
为的复共轭；
频率为f2时的采样协方差矩阵；
(6)、利用声场测量信号中的多线谱资源，按照线谱能量的相对大小加权各线谱的模糊度函数，提高定位精度。
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一种深海垂直阵目标深度估计方法;杨刚等;《声学技术》;20150831;第34卷(第4期);34-36

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