CN108414984B - 一种基于二阶干涉的水下目标定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于二阶干涉的水下目标定位方法，将光学测量的二阶干涉理论应用到水声场探测、进行水下目标定位；本发明通过计算任意两个阵元输出信号的二阶相关函数，搜索声源信号相对阵元的位相(时间)延迟，得到声源到这两个阵元之间的绝对直线距离之差。对于一个多阵元的阵列，计算多个二阶相关函数的乘积，即可快速准确地搜索到声源的位置。本发明的定位方法不受限于“传感器阵列的阵元间距需要满足1/2波长的要求”，大大降低阵列设计和加工的要求；并且本发明在单个传感器阵元输出信噪比远小于1时仍然表现出良好的定位能力，有利于对远距离目标的探测定位。因此，本发明对水声传感器阵列的水下目标定位探测有着重要的应用价值。

Description

一种基于二阶干涉的水下目标定位方法
技术领域
本发明属于水下探测技术领域，涉及一种水下目标定位技术，具体涉及一种基于水声场二阶(Hanbry Brown-Twiss)干涉原理的水下目标定位方法。
背景技术
众所周知，光波和电磁波在水中的衰减都非常大，它们的传播距离较短，远不能满足人们在海洋活动中的需要。然而，声波却能传播很远。因此，人们主要利用声波来进行水下目标探测。随着人类对海洋开发利用的加强，特别是在军事上各类新型潜艇的出现，世界各国都对水下目标(潜艇、UUV、鱼雷等)的声呐探测技术进行了广泛的研究。潜艇隐身技术的发展，大大降低潜艇的噪声水平，给被动声呐的探测带来了很大的困难。
目前各国的声呐装备都是采用水声传感器阵列来实现目标探测的。但是目标声信号在海水中进行远距离的传输时，能量衰减和波形的变化都很大，相对于进入水声传感器的噪声来说，信号十分微弱，这对于水下目标探测十分不利。但目前有关水声传感器阵列信号处理的研究主要集中于各类算法的理论与仿真上，实用性的验证较少，物理原理上更是少有突破。
基于声压水听器及其基阵组成的水下探测系统，现有的定位方法存在“远距离探测时阵元输出信噪比太低”和“阵列的拓扑结构必须满足1/2波长的要求”等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于水声场二阶干涉的水下目标定位方法，将光学测量的二阶干涉原理应用到水声场探测，进行水下目标定位。
本发明所采用的技术方案是：一种基于二阶干涉的水下目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：划定水下目标可能出现的二维区域，并对该二维区域进行扫描搜索；
步骤2：计算传感器每两个阵元Mi和Mj之间的声场二阶相关函数：
Figure GDA0002635343450000011
其中，<·>表示对测量时间求平均；
Figure GDA0002635343450000012
是声学信号从搜索坐标点到阵元Mi和Mj的延时之差，ri是阵元Mi到搜索坐标点的距离，v表示声速；Pi(t)为水声传感器阵元Mi输出声信号；Pj(t+Tij)表示水声传感器阵元Mj输出信号经过延时Tij后的结果，t表示时间。
步骤3：计算相关函数的乘积；
C＝C(T01)×C(T02)×…×C(Tij)
使用单个相关函数得到的亮条纹在搜索区域构成某个双曲线的一支，多个相关函数对应多条双曲线，它们的交点即为声源位置。
本发明针对水声传感器阵列的水下目标定位，突破了现有的原理和方法，降低了阵列的结构设计和加工要求，提高了远距离水下目标的定位能力，具有良好应用前景。本发明也适用于其它介质中的声定位。
附图说明
图1为本发明实施例的二阶干涉定位示意图；
图2为本发明实施例的两个三角阵位置示意图；
图3为本发明实施例的传感器阵元输出时域模拟信号；
图4为本发明实施例的两个三角阵单个声源情况下声场二阶干涉原理对水下目标定位的仿真结果(I)；
图5为本发明实施例的两个三角阵单个声源情况下声场二阶干涉原理对水下目标定位的仿真结果(II)。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在声场二阶干涉中，不同水声传感器阵元接受来自同一声源的信号，这些信号具有内禀相干性，通过二阶干涉表现出来。换句话说，如果忽略噪声的影响，这些传感器阵元输出信号之间具有固定的位相(时间)延迟，位相的延迟取决于各阵元与声源之间的绝对直线距离。而各个阵元输出的噪声之间没有内禀相干性，不存在固定的位相延迟。这样，通过计算任意两个阵元输出信号的二阶相关函数，就能够搜索到声源信号固定的位相延迟；这个位相(时间)延迟之差对应的就是声源到这两个阵元之间的绝对直线距离之差。对于一个多阵元的阵列，计算多个二阶相关函数的乘积，就能够准确地快速搜索到声源的位置。
以简单三角阵为例对声场二阶干涉原理进行说明。如图1所示，以某个传感器阵元M0为坐标原点(0，0)建立坐标系，其他阵元Mi坐标为(xi，yi)。假设一个水下声源发射幅值为A的信号并投射到传感器阵列，水声传感器阵元Mi输出声信号表示为Pi，如式(1)所示，
Figure GDA0002635343450000031
其中，水声传感器阵元输出声信号Pi(t)由其输出的噪声信号Ni(自身噪声+环境噪声)和有效信号(上式中右边第二项)组成，ri是水声传感器Mi与声源间的距离，v为声速，ω为角速度，
Figure GDA0002635343450000032
为初始相位。
以传感器阵元M0为坐标原点划定水下目标可能出现的区域，并在该区域内分别对X方向和Y方向以L为步长进行扫描搜索。将光场二阶干涉原理应用到声场，搜索坐标点为(x，y)时，声场二阶相关函数为：
Figure GDA0002635343450000033
其中，
Figure GDA0002635343450000034
它的物理意义是声信号从搜索坐标点到阵元Mi和Mj的时间延迟之差；<·>表示对测量时间求平均。当搜索到声源所在的位置时，两个延时之差刚好被Tij补偿，相关函数达到最大值，出现明亮干涉条纹。使用单个相关函数得到的亮条纹在搜索区域构成某个双曲线的一支，多个相关函数对应多条双曲线，它们的交点即为声源位置。计算多个相关函数的乘积，如下式所示，能够快速准确地搜索到水下目标的位置。
C＝C(T01)×C(T02)×C(T12) (3)
本实施例的具体仿真过程如下：
仿真模型中预设水下目标位置为(5000，300)(单位：m)，声源频率为500Hz和322Hz组合而成，声压级均为124dB(振幅分别为0.48nm和0.75nm)，噪声采用随机白噪声。阵列的拓扑结构，如图2所示，是两个相距1000m的三角阵组合，两个三角阵的坐标为[(0，10)(0，0)(2，-5)]，[(0，-990)(0，-1000)(2，-1005)]，不需要满足1/2波长的要求。传感器阵元输出时域模拟信号采用公式(1)，如图3所示。图3的图(a)中信号曲线信噪比为1，图(b)中信号曲线信噪比为0.04。图4显示的是，对水下目标进行定位的模拟仿真结果，两种信噪比情况下的仿真结果分别为图(a)(5000，300)和图(b)(5050，300)，与模型中预设水下目标位置(5000，300)吻合，验证了该定位原理。并且该结果显示，即使单个阵元输出信噪比远小于1时，阵列仍然具备比较理想的定位能力(传统阵列采用相同数目的阵元是难以实现的)，提高了远距离水下目标的定位能力。
为了验证“阵列的拓扑结构不受传统方法中‘阵元间距等于1/2波长’的限制”，降低了阵列的结构设计和加工要求，本实施例模拟仿真了另一个不同拓扑结构阵列的定位，两个三角阵相距900m，三角阵的坐标(单位：m)为[(0，10)(0，0)(2，-5)]，[(0，-888)(0，-900)(2，-910)]。在信噪比为0.04时，水下目标定位模拟仿真结果如图5所示。两种不同拓扑结构的阵列，分别给出(4990，300)和(5050，300)的定位结果；这两个结果相互一致，验证了本发明中的定位方法不受“传感器阵列的阵元间距需要满足1/2波长的要求”的限制。
本发明针对水声传感器阵列的水下目标定位，突破了现有的原理和方法，降低了阵列的结构设计和加工要求，提高了远距离水下目标的定位能力，具有良好应用前景。本发明也适用于其它介质中的声定位。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于二阶干涉的水下目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：划定水下目标可能出现的二维区域，并对该二维区域进行扫描搜索；
步骤2：计算传感器每两个阵元Mi和Mj之间的声场二阶相关函数：
Figure FDA0002635343440000011
其中，<·>表示对测量时间求平均；
Figure FDA0002635343440000012
是声学信号从搜索坐标点到阵元Mi和Mj的延时之差，ri是阵元Mi到搜索坐标点的距离，v表示声速；Pi(t)为水声传感器阵元Mi输出声信号；Pj(t+Tij)表示水声传感器阵元Mj输出信号经过延时Tij后的结果，t表示时间；
步骤3：计算相关函数的乘积；
C＝C(T01)×C(T02)×…×C(Tij)
使用单个相关函数得到的亮条纹在搜索区域构成某个双曲线的一支，多个相关函数对应多条双曲线，它们的交点即为声源位置。
2.根据权利要求1所述的基于二阶干涉的水下目标定位方法，其特征在于：步骤1中，以某个阵元为坐标原点(0，0)划定区域，并在该区域内分别在X方向和Y方向以等步长L进行扫描搜索。
3.根据权利要求1所述的基于二阶干涉的水下目标定位方法，其特征在于：步骤2中，假设一个水下声源发射幅值为A的信号并投射到传感器阵列，水声传感器阵元Mi输出声信号Pi(t)为：
Figure FDA0002635343440000013
其中，水声传感器阵元Mi输出声信号Pi(t)由其输出的噪声信号Ni和有效信号组成，噪声信号Ni包括自身噪声和环境噪声；有效信号为
Figure FDA0002635343440000014
ω为角速度，
Figure FDA0002635343440000015
为初始相位。
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