CN109061654A - 一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法 - Google Patents

一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法，将单个发射换能器和多元圆环阵组成的单基地主动声纳布置于临界深度以下，利用可靠声路径照射目标并利用圆环阵水平波束输出获得水下目标或干扰的回波到达时延、水平方位‑绝对距离二维图和干涉条纹图，利用水平距离‑深度二维匹配的方式获得亮点的水平距离和深度信息，并利用深度对水下目标和水面干扰进行判断，最终筛选出水下目标并给出三维定位结果，即给出水下目标的水平角度、水平距离和深度信息。

Description

一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法
技术领域
本发明属于阵列信号处理领域，特别涉及一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法。
背景技术
深海环境中，可靠声路径(RAP:reliable acoustic path)是一种有效的声传播信道。RAP出现条件是换能器位于深海临界深度以下，此时会形成从海面到换能器的稳定而又可靠的声传播路径，称之为可靠声路径(Rui D,Kun-De Y,Yuan-Liang M,et al.Areliable acoustic path:Physical properties and a source localization method[J].Chinese Physics B,2012,21(12):124301.)。
由于RAP的稳定传播和临界深度下低噪声等优点，研究人员提出利用RAP对目标进行定位。目前，研究热点主要集中在深海放置接收水听器，利用RAP来被动探测位于海面或较浅处的目标。但是，很多情况下目标辐射噪声级很低，利用RAP进行被动探测的方法面临着接收信号级较弱的问题，导致探测性能下降。使用大孔径阵列和长时间累积处理可以一定程度上克服这一问题，但这又带来了系统成本和信号处理上的困难。此外，利用RAP被动探测时，主要集中在低频段处理，所能够获得的角度分辨率和时间分辨率有限，容易导致目标参数(到达角、到达时延等)的估计效果较差，影响对目标的有效定位。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对利用可靠声路径进行被动探测时的缺点，本发明提出一种在深海环境下利用单个圆环阵沿可靠声路径进行主动三维定位的方法。所提方法采用单个发射换能器和一个多元圆环阵(两者组成单基地声纳并位于临界深度以下)，单个发射换能器发射脉冲信号并向上照射目标。多元圆环阵采集目标回波，对回波进行匹配滤波处理、水平多波束处理、回波时延估计、波束输出时频分析、干涉条纹信息提取与二维匹配等处理，最终判断出水下目标并获得水下目标三维定位结果。
本发明的技术方案是：一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法，包括以下步骤：
步骤一：建立单基地主动声纳系统，定义回波到达路径，包括以下子步骤：
子步骤一：单个发射换能器和多元圆环阵构成单基地主动声纳系统，且单基地主动声纳系统置于临界深度之下；发射换能器发射信号的俯仰角往上为正方向，往下为负方向；发射换能器以垂直开角发射脉冲信号，确保垂直开角下边界处的声线不与海底接触；设多元圆环阵上的水听器个数为N，且N取值为[8，128]，相邻水听器的弧长间距为发射信号中心频率所对应的半波长；
子步骤二：定义海面和水下目标之间存在多个回波到达路径，从而产生多途信号；
子步骤三：设定不考虑传播损失、多普勒频移和水体的非线性效应，N元圆环阵中第n(n＝1,2,…,N)个水听器上的回波为xn(t)，表示为多途路径上回波的叠加，回波可表示为：
其中，σp为第p(p＝1,2,3,4)个路径所对应的回波系数，rn,p为声波从发射换能器沿着第p个多途传播路径到第n个水听器的距离，c为声速，zn(t)为N元圆环阵中第n个水听器上接收的噪声。；
步骤二：对目标回波信号进行处理，对目标亮点所在波束输出进行时频分析，包括以下子步骤：
子步骤一：多元圆环阵采集目标回波信号，通过发射信号波形对目标回波进行匹配滤波，得到匹配滤波输出
yn(t)＝xn(t)*sc(T-t) (2)
其中，yn(t)为第n个水听器上回波的匹配滤波输出，*表示求卷积，[]c表示对中括号中的变量求共轭；
子步骤二：对N元圆环阵上的匹配滤波输出在水平方向进行多波束处理，获得水下目标和水面干扰关于水平方位-绝对距离的二维图；根据水平方位-绝对距离二维图中亮点出现的位置，沿着水平方位和绝对距离对亮点峰值进行二维搜索，得到亮点峰值所在的水平方位和绝对距离，并将该水平方位作为水下目标或者水面干扰的水平方位。对于水下目标或者水面干扰所在方位对应的波束输出，利用波束输出上的峰值确定回波到达时延τe，利用短时傅里叶变换获得水下目标或者水面干扰所在波束对应的干涉条纹图；干涉条纹图分为频率轴和时间轴，频率轴表示回波的带内功率谱信息，时间轴表示回波的到达时延信息。
步骤三：对亮点所在波束输出上的干涉条纹图进行处理，获得三维定位结果，包括以下子步骤：
子步骤一：对亮点所在波束输出上的干涉条纹图进行处理，对回波亮点所对应的干涉条纹图，利用傅里叶变换计算干涉条纹图强弱变化所产生的“频率”，其中频率是指距离、频率二维条纹图上，与频率轴平行的条纹强度周期性变化所形成的频率；
子步骤二：采用水平距离-深度二维匹配的方式获得目标亮点所对应的水平距离和深度。将波束输出获得的亮点回波到达时延τe、回波亮点附近计算得到的干涉条纹图“频率”fe与离线计算得到的不同水平距离、深度上的时延信息τi,j、干涉条纹“频率”fi,j相匹配，第i个水平距离、第j个深度处的对应网格点的匹配处理输出用Pi,j表示，匹配处理输出表达式为
其中，Pi,j为第i个水平距离、第j个深度处的对应网格点的匹配处理输出，τe为利用步骤二中波束输出上的峰值确定的回波到达时延，fe为利用波束输出上的干涉条纹图获得的频率；
子步骤三：根据匹配处理输出表达式计算的结果，找出匹配输出峰值所对应的fi,j，即为将与离线计算中对应的水平距离和深度作为亮点的水平距离和深度，从而获得水下目标或者水面干扰的水平距离和深度信息；
子步骤四：设定水下目标和水面干扰在深度上的分界线为10m，将深度信息与分界线进行比较，判断该亮点是水下目标还是水面干扰，当判断该亮点为水下目标时，结合水平方位、水平距离、深度，得到水下目标的三维定位结果。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤一中的到达路径和公式(2)中的回波公式均指代为前四个回波能量较大的路径，这四个路径分别为：发射换能器-目标-接收水听器、发射换能器-目标-海面-接收水听器、发射换能器-海面-目标-接收水听器和发射换能器-海面-目标-海面-接收水听器。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中的频率指距离、频率二维条纹图上，与频率轴平行的条纹强度周期性变化所形成的频率。
本发明的进一步技术方案是：所述发射换能器发射的信号为具有平坦频谱的线性调频脉冲，发射信号用s(t)表示，其表达式为：
其中，f为中心频率，k为调频斜率，τ0为脉宽，T为发射周期。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明针对基于可靠声路径的被动探测方法的不足，提出利用单圆环阵的主动三维定位方法。所提方法将单个发射换能器和多元圆环阵组成的单基地主动声纳布置于临界深度以下，利用可靠声路径照射目标并利用圆环阵水平波束输出获得水下目标或干扰的回波到达时延、水平方位-绝对距离二维图和干涉条纹图，利用水平距离-深度二维匹配的方式获得亮点的水平距离和深度信息，并利用深度对水下目标和水面干扰进行判断，最终筛选出水下目标并给出三维定位结果，即给出水下目标的水平角度、水平距离和深度信息。
本发明的基本原理和实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明：利用本发明所提出的利用可靠声路径的主动定位方法可以在深海环境对水下目标进行三维定位。
附图说明
图1为深海环境下所提主动定位方法的坐标系统示意图；
图2为单基地声呐系统和水下目标或水下干扰之间多个回波到达路径的第一示意图；
图3为单基地声呐系统和水下目标或水下干扰之间多个回波到达路径的第二示意图；
图4为单基地声呐系统和水下目标或水下干扰之间多个回波到达路径的第三示意图；
图5为单基地声呐系统和水下目标或水下干扰之间多个回波到达路径的第四示意图；
图6为本发明的主要步骤流程；
图7为对回波进行处理以获得水下目标三维定位结果的流程；
图8为实施实例中获得的水下目标或水面干扰关于水平方位-绝对距离二维图；
图9为实施实例中获得的波束输出上回波的到达时延图；
图10为实施实例中水下目标或水面干扰所在方位对应波束输出上关于深度维度回波的干涉条纹图；
图11为是实施实例中获得的水下目标或水面干扰关于水平距离-深度二维匹配结果图，其中箭头指向处为水下目标所在的网格点；
具体实施方式
参见图1—图11，本发明的主要内容有：
1)将单个发射换能器和多元圆环阵放置在深海临界深度之下，发射换能器发射线性调频脉冲信号，多元圆环阵采集回波。单个发射换能器和多元圆环阵组成单基地声纳系统，多元圆环阵上的水听器数目为8到128之间，包括8和128。发射换能器发射线性调频脉冲信号，沿着可靠声路径照射到水下目标。目标回波同样通过可靠声路径返回，多元圆环阵对回波进行采集。
2)处理多元圆环阵上采集的目标回波，利用匹配滤波、水平多波束处理、回波时延估计、对波束输出进行时频分析获得回波的干涉条纹图。对回波进行匹配滤波处理，使用圆环阵波束形成方法对多元圆环阵上的匹配滤波输出进行多波束处理，波束扫描在水平方向上进行，获得多个水平波束输出，根据匹配滤波和多波束输出的结果，获得水下目标和水面干扰(主要指水面船只)的水平方位-绝对距离二维图，根据二维图上亮点(亮点表示水下目标或水面干扰)位置判断水下目标或水面干扰的水平方位。对亮点所在水平方位上的波束输出，利用波束输出上的峰值确定回波到达时延，按照时间先后顺序进行短时傅里叶变换，获得时频分析结果，即随时间变化的干涉条纹图。
3)根据干涉条纹图的“频率”和亮点的回波时延筛选出水下目标并获得水下目标的三维定位结果。对亮点所在波束输出上的干涉条纹图进行处理，在回波亮点处用傅里叶变换计算干涉条纹图的“频率”(频率是指距离、频率二维条纹图上，与频率轴平行的条纹强度周期性变化所形成的频率)。采用水平距离-深度二维匹配的方式获得亮点干涉条纹所对应的水平距离和深度。将波束输出获得的亮点回波到达时延τe、回波亮点处计算得到的干涉条纹图“频率”fe与离线计算得到的不同水平距离、深度上的时延信息τi,j、干涉条纹“频率”fi,j相匹配，第i个水平距离、第j个深度处的对应网格点的匹配处理输出用Pi,j表示，匹配输出表达式为根据匹配处理输出表达式计算的结果，找出匹配输出峰值，匹配输出峰值所对应的fi,j，即为将与对应的位置当做亮点的位置，从而获得水下目标或者水面干扰的水平距离和深度信息。
设定水下目标和水面干扰在深度上的分界线为10m，将深度信息与分界线进行比较，判断该亮点是水下目标还是水面干扰，当判断该亮点为水下目标时，结合水平方位、水平距离、深度给出其三维定位结果。
4)通过计算机数值仿真给出了本发明提出方法的定位结果，从定位结果证明了本发明提出的方法可以对水下目标进行三维定位。
本发明的技术方案
步骤1)主要涉及单个发射换能器和多元圆环阵的布置以及信号的发射与接收，具体内容如下。
单个发射换能器和多元圆环阵放置于临界深度之下，由于所探测目标较远(目标水平距离大于3千米)，单个发射换能器和多元圆环阵构成单基地主动声纳系统，其示意图和坐标系统如图1所示，其中发射换能器发射信号的俯仰角往上设为正方向，往下设为负方向。发射换能器以垂直开角发射脉冲信号，确保垂直开角下边界处的声线不与海底接触。
发射信号为具有平坦频谱的线性调频脉冲，发射信号用s(t)表示，其表达式为：
其中，f为中心频率，k为调频斜率，τ0为脉宽，T为发射周期。
设多元圆环阵上的水听器个数为N。为了保证足够的阵增益和角度分辨率，N的值限制在8至128之间，包括8和128。相邻水听器的弧长间距为发射信号中心频率所对应的半波长。
一般而言，我们感兴趣的水下目标位于海表面以下几十米到几百米不等。在海面和水下目标之间存在多个回波到达路径，从而产生多途信号。几个多途路径的示意图如图1至图5所示。由图1至图5可知，目标的回波多途主要包括以下4个路径：图2中的发射换能器-目标-接收水听器、图3中的发射换能器-目标-海面-接收水听器、图4中的发射换能器-海面-目标-接收水听器、图5中的发射换能器-海面-目标-海面-接收水听器等。本发明主要利用以上4个路径的多途回波及其相关信息进行定位。
为简化分析，不考虑传播损失、多普勒频移和水体的非线性效应等，设N元圆环阵中第n(n＝1,2,…,N)个水听器上的回波为xn(t)，其可以表示为四个多途路径上回波的叠加：
其中，σp为第p(p＝1,2,3,4)个路径所对应的回波系数，rn,p为声波从发射换能器沿着第p个多途传播路径到第n个水听器的距离,c为声速，zn(t)为N元圆环阵中第n个水听器上接收的噪声，其中需要说明的是，N元水听器就代表N元圆环阵，N元水听器组成圆环阵，圆环阵中水听器的个数为N元。
步骤2)主要涉及对多元圆环阵上采集的目标回波信号进行匹配滤波、多波束处理，获得回波时延估计，水下目标和水面干扰关于水平方位-绝对距离的二维图，对目标亮点所在波束输出进行时频分析，获得回波的干涉条纹图，具体内容如下。
用发射信号波形对目标回波进行匹配滤波，得到匹配滤波输出
yn(t)＝xn(t)*sc(T-t) (6)
其中，yn(t)为第n个水听器上回波的匹配滤波输出，*表示求卷积，[]c表示对中括号中的变量求共轭。
对N元圆环阵上的匹配滤波输出在水平方向进行多波束处理，获得水下目标和水面干扰关于水平方位-绝对距离的二维图。以窄带信号为例，其波束形成可表示为：
其中Bq(t)代表第q个水平波束的输出，wn(θq)为第n个水听器上的波束形成加权值，θq为第q个水平方位角，[·]*代表求共轭。
根据水平方位-绝对距离二维图中亮点出现的位置，确定水下目标或者水面干扰的所在方位。对于水下目标或者水面干扰所在方位对应的波束输出，利用波束输出上的峰值确定回波到达时延，利用短时傅里叶变换获得水下目标或者水面干扰所在波束对应的干涉条纹图。干涉条纹图分为频率轴和时间轴，频率轴表示回波的带内功率谱信息，时间轴表示回波的到达时延信息。
步骤3)主要涉及对所有水下目标或者水面干扰所在波束输出上的干涉条纹图进行处理，获得水下目标或者水面干扰的干涉条纹所对应的水平距离和深度，并据此获得水下目标或者水面干扰的水平距离和深度。根据深度结果排除水面船只的干扰信息，筛选出水下目标，结合水下目标的水平距离、深度和水平方位信息，得到水下目标的三维定位结果，具体内容如下。
在离线计算中将目标场景划分网格。将水下目标或水面干扰可能位于的水平距离(3千米到40千米)、深度(10米到400米)进行网格离散化。水平方向的网格点间距设为100米，垂直方向的网格点间隔为10米。假设每个网格点上都有一个目标，利用声场软件等离线计算经发射换能器-网格点-接收圆环阵几何中心的路径时延，设第i个水平距离、第j个深度上网格点的时延为τi,j。同时，利用声场软件计算目标位于第i个水平距离、第j个深度上网格点上所获得的干涉条纹图，在干涉条纹图中取出时延为τi,j上的回波功率谱，对该功率谱做傅里叶变换得到一频率值fi,j。
使用水平距离-深度二维匹配方法获得水下目标或水面干扰所在位置处的水平距离和深度。第i个水平距离、第j个深度对应网格点的匹配输出表达式为：
其中，Pi,j为第i个水平距离、第j个深度处的对应网格点的匹配处理输出，τe为利用步骤2)中波束输出上的峰值确定的回波到达时延，fe为步骤3)中利用波束输出上的干涉条纹图获得的频率。找出匹配输出峰值所在点，即得到亮点的水平距离和深度。
设定水下目标和水面干扰在深度上的分界线为10m，10m以浅(包含深度分界线自身深度)的亮点目标为水面干扰，10m以深的亮点目标为水下目标。结合亮点位置对应的深度结果，排除水面船只的干扰信息，筛选出水下目标。根据前面计算的水平距离、深度和水平方位信息，得到水下目标的三维定位结果。
本发明的主要步骤流程如图6所示，对回波进行处理以获得水下目标三维定位结果的流程如图7所示。
以典型的深海环境为例，给出本发明的实施实例。实施实例利用计算机进行数值仿真，来检验本发明所提方法的效果。
1)RAP环境
假设海深5000米，声速剖面为MUNK剖面，其临界深度为3600米。
2)换能器参数
单基地声纳系统位于临界深度以下，为4000米深。发射声源发射如式(1)所示的线性调频信号，其中f＝3000Hz，k＝25s-2，τ0＝4s，T＝60s。发射波束的垂直开角范围为60°至-5°，此时声波不与海底接触。接收阵为32元均匀圆环阵。
3)仿真实际接收信号并对其匹配滤波、多波束处理
假设目标位于水深100米、距水平离10000米处。使用Bellhop射线模型求解，发射换能器-目标-接收水听器路径回波到达时延τ1、回波系数σ1；发射换能器-目标-海面-接收水听器路径回波到达时延τ2、回波系数σ2；发射换能器-海面-目标-接收水听器路径回波到达时延τ3、回波系数σ3以及发射换能器-海面-目标-海面-接收水听器路径回波到达时延τ4、回波系数σ4。对应于四个路径，分别将发射的线性调频信号进行相应的时延与相移。设发射换能器的声源级为205dB、接收点噪声级50dB、目标强度15dB，不考虑传播损失、多普勒频移和水体的非线性效应等，根据四个路径的时延和回波系数仿真出接收水听器阵上所采集的水下目标的回波。将接收水听器阵上接收的回波按技术方案中步骤2)依次进行匹配滤波和多波束处理，获得水下目标或水面干扰关于水平方位-绝对距离的二维图和波束输出上回波的到达时延。对目标亮点所在波束输出进行时频分析，获得回波的干涉条纹图。其中，水下目标或水面干扰关于水平方位-绝对距离的二维图如图8所示；针对水下目标或水面干扰方向进行匹配滤波得到的回波到达时延如图9所示；在水下目标或水面干扰所在的水平方位上，固定目标点的距离10km不变，目标深度在10m:10m:3500m变化时的干涉条纹图如图10所示。根据水下目标或水面干扰的水平方位-绝对距离二维图中亮点的出现位置，获得水下目标或水面干扰所在水平方位为150°。
对水下目标或水面干扰方向上的干涉条纹图通过时延和条纹频率进行水平距离-深度二维匹配处理，获得水下目标或水面干扰的干涉条纹所对应的深度与水平距离，并经过筛选获得水下目标的三维定位结果。
在离线计算中将目标场景划分网格。将水下目标可能位于的水平距离(5千米到15千米)、深度(10米到3500米)进行网格离散化。水平方向的网格点间距设为100米，垂直方向的网格点间隔为10米。假设每个网格点上都有一个目标，利用声场软件等离线计算经发射换能器-网格点-接收圆环阵几何中心的路径时延，设第i个水平距离、第j个深度上网格点的时延为τi,j。同时，利用声场软件计算目标位于第i个水平距离、第j个深度上网格点上所获得的干涉条纹图，在干涉条纹图中取出时延为τi,j上的回波功率谱，对该功率谱做傅里叶变换得到一频率值fi,j。
将实际的波束输出上的回波时延τe＝14.18s、干涉条纹“频率”fe＝8.88Hz与仿真的网格点对应的回波时延τi,j、干涉条纹“频率”fi,j作水平距离-深度二维匹配，获得水下目标或水面干扰的水平距离-深度匹配结果如图11所示。找出匹配输出峰值所在点，即当做水下目标或水面干扰所在的网格点，该网格点的水平距离为10km,深度为水下100m，则水下目标或水面干扰的水平距离为10km，深度为100m。
设定水下目标和水面干扰在深度上的分界线为10m，则可以判断，该网格点不是水面航船的干扰信息，而是水下目标所在位置，结合该目标的水平距离，深度和水平方位信息，最终获得水下目标的三维定位结果。
根据实施实例可知，本发明所提出的利用可靠声路径的水下目标主动分类与定位方法，可以在深海环境对水下目标进行三维定位。

Claims (4)

1.一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立单基地主动声纳系统，定义回波到达路径，包括以下子步骤：
子步骤一：单个发射换能器和多元圆环阵构成单基地主动声纳系统，且单基地主动声纳系统置于临界深度之下；发射换能器发射信号的俯仰角往上为正方向，往下为负方向；发射换能器以垂直开角发射脉冲信号，确保垂直开角下边界处的声线不与海底接触；设多元圆环阵上的水听器个数为N，且N取值为[8，128]，相邻水听器的弧长间距为发射信号中心频率所对应的半波长；
子步骤二：定义海面和水下目标之间存在多个回波到达路径，从而产生多途信号；
子步骤三：设定不考虑传播损失、多普勒频移和水体的非线性效应，N元圆环阵中第n(n＝1,2,…,N)个水听器上的回波为xn(t)，表示为多途路径上回波的叠加，回波可表示为：
其中，σp为第p(p＝1,2,3,4)个路径所对应的回波系数，rn,p为声波从发射换能器沿着第p个多途传播路径到第n个水听器的距离，c为声速，zn(t)为N元圆环阵中第n个水听器上接收的噪声。；
步骤二：对目标回波信号进行处理，对目标亮点所在波束输出进行时频分析，包括以下子步骤：
子步骤一：多元圆环阵采集目标回波信号，通过发射信号波形对目标回波进行匹配滤波，得到匹配滤波输出
yn(t)＝xn(t)*sc(T-t) (2)
其中，yn(t)为第n个水听器上回波的匹配滤波输出，*表示求卷积，[]c表示对中括号中的变量求共轭；
子步骤二：对N元圆环阵上的匹配滤波输出在水平方向进行多波束处理，获得水下目标和水面干扰关于水平方位-绝对距离的二维图；根据水平方位-绝对距离二维图中亮点出现的位置，沿着水平方位和绝对距离对亮点峰值进行二维搜索，得到亮点峰值所在的水平方位和绝对距离，并将该水平方位作为水下目标或者水面干扰的水平方位。对于水下目标或者水面干扰所在方位对应的波束输出，利用波束输出上的峰值确定回波到达时延τe，利用短时傅里叶变换获得水下目标或者水面干扰所在波束对应的干涉条纹图；干涉条纹图分为频率轴和时间轴，频率轴表示回波的带内功率谱信息，时间轴表示回波的到达时延信息。
步骤三：对亮点所在波束输出上的干涉条纹图进行处理，获得三维定位结果，包括以下子步骤：
子步骤一：对亮点所在波束输出上的干涉条纹图进行处理，对回波亮点所对应的干涉条纹图，利用傅里叶变换计算干涉条纹图强弱变化所产生的“频率”，其中频率是指距离、频率二维条纹图上，与频率轴平行的条纹强度周期性变化所形成的频率；
子步骤二：采用水平距离-深度二维匹配的方式获得目标亮点所对应的水平距离和深度。将波束输出获得的亮点回波到达时延τe、回波亮点附近计算得到的干涉条纹图“频率”fe与离线计算得到的不同水平距离、深度上的时延信息τi,j、干涉条纹“频率”fi,j相匹配，第i个水平距离、第j个深度处的对应网格点的匹配处理输出用Pi,j表示，匹配处理输出表达式为
其中，Pi,j为第i个水平距离、第j个深度处的对应网格点的匹配处理输出，τe为利用步骤二中波束输出上的峰值确定的回波到达时延，fe为利用波束输出上的干涉条纹图获得的频率；
子步骤三：根据匹配处理输出表达式计算的结果，找出匹配输出峰值所对应的fi,j，即为将与离线计算中对应的水平距离和深度作为亮点的水平距离和深度，从而获得水下目标或者水面干扰的水平距离和深度信息；
子步骤四：设定水下目标和水面干扰在深度上的分界线为10m，将深度信息与分界线进行比较，判断该亮点是水下目标还是水面干扰，当判断该亮点为水下目标时，结合水平方位、水平距离、深度，得到水下目标的三维定位结果。
2.如权利要求1所述的一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法，其特征在于，所述步骤一中的到达路径和公式(2)中的回波公式均指代为前四个回波能量较大的路径，这四个路径分别为：发射换能器-目标-接收水听器、发射换能器-目标-海面-接收水听器、发射换能器-海面-目标-接收水听器和发射换能器-海面-目标-海面-接收水听器。
3.如权利要求1所述的一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法，其特征在于，所述步骤三中的频率指距离、频率二维条纹图上，与频率轴平行的条纹强度周期性变化所形成的频率。
4.如权利要求1所述的一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法，其特征在于，所述发射换能器发射的信号为具有平坦频谱的线性调频脉冲，发射信号用s(t)表示，其表达式为：
其中，f为中心频率，k为调频斜率，τ0为脉宽，T为发射周期。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112649787A (zh) * 2020-11-30 2021-04-13 海鹰企业集团有限责任公司 一种基于低频圆环阵的目标方位估计方法
CN113359138A (zh) * 2021-05-06 2021-09-07 上海交通大学 水中目标回波调控装置及声标识方法
CN115015839A (zh) * 2022-08-10 2022-09-06 中国海洋大学 一种浅海水下目标被动定位系统
CN117805834A (zh) * 2024-02-29 2024-04-02 广东海洋大学 基于频谱共振峰的多目标空间位置关系预报方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0247375A2 (de) * 1986-05-28 1987-12-02 Atlas Elektronik Gmbh Verfahren zum Orten eines Unterwasserziels
CN105005026A (zh) * 2015-06-08 2015-10-28 中国船舶重工集团公司第七二六研究所 一种近场目标声源三维被动定位方法
CN105629220A (zh) * 2016-02-18 2016-06-01 国家海洋局第三海洋研究所 一种基于单水听器的深海水声被动测距方法
US20160341827A1 (en) * 2015-05-20 2016-11-24 Navico Holding As Sonar systems and methods using interferometry and/or beamforming for 3d imaging
CN107272005A (zh) * 2017-05-27 2017-10-20 西北工业大学 基于可靠声路径下目标回波到达时延和到达角度的主动定位方法
CN107272003A (zh) * 2017-05-27 2017-10-20 西北工业大学 基于可靠声路径和目标多途回波的主动定位方法
CN108107436A (zh) * 2017-12-25 2018-06-01 西北工业大学 一种基于可靠声路径的水下目标主动分类与定位方法
CN108181651A (zh) * 2017-12-25 2018-06-19 西北工业大学 一种基于可靠声路径的深海地声参数反演方法
CN108226933A (zh) * 2017-12-28 2018-06-29 西北工业大学 一种基于条纹干涉结构的深海宽带目标深度估计方法
CN108318876A (zh) * 2017-12-28 2018-07-24 中国船舶重工集团公司第七0研究所 一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0247375A2 (de) * 1986-05-28 1987-12-02 Atlas Elektronik Gmbh Verfahren zum Orten eines Unterwasserziels
US20160341827A1 (en) * 2015-05-20 2016-11-24 Navico Holding As Sonar systems and methods using interferometry and/or beamforming for 3d imaging
CN105005026A (zh) * 2015-06-08 2015-10-28 中国船舶重工集团公司第七二六研究所 一种近场目标声源三维被动定位方法
CN105629220A (zh) * 2016-02-18 2016-06-01 国家海洋局第三海洋研究所 一种基于单水听器的深海水声被动测距方法
CN107272005A (zh) * 2017-05-27 2017-10-20 西北工业大学 基于可靠声路径下目标回波到达时延和到达角度的主动定位方法
CN107272003A (zh) * 2017-05-27 2017-10-20 西北工业大学 基于可靠声路径和目标多途回波的主动定位方法
CN108107436A (zh) * 2017-12-25 2018-06-01 西北工业大学 一种基于可靠声路径的水下目标主动分类与定位方法
CN108181651A (zh) * 2017-12-25 2018-06-19 西北工业大学 一种基于可靠声路径的深海地声参数反演方法
CN108226933A (zh) * 2017-12-28 2018-06-29 西北工业大学 一种基于条纹干涉结构的深海宽带目标深度估计方法
CN108318876A (zh) * 2017-12-28 2018-07-24 中国船舶重工集团公司第七0研究所 一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HE SHAOYIN等: "Matched Multipath Source Localization In Deep Ocean", 《1998 FOURTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON SIGNAL PROCESSING》 *
JOHN GEBBIE等: "Localization of a noisy broadband surface target using time differences of multipath arrivals", 《THE JOURNAL OF THE ACOUSTICAL SOCIETY OF AMERICA》 *
M. WAZENSKI等: "Active, wideband detection and localization in an uncertain multipath environment", 《THE JOURNAL OF THE ACOUSTICAL SOCIETY OF AMERICA》 *
PENG XIAO等: "Seasonal Effects of Sound Speed Profile on Mid-Range Acoustic Propagations Modes: Reliable Acoustic Path and Bottom Bounce", 《THEORY, METHODOLOGY, TOOLS AND APPLICATIONS FOR MODELING AND SIMULATION OF COMPLEX SYSTEMS》 *
段睿: "深海环境水声传播及声源定位方法研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅱ辑(月刊)》 *
陈励军: "一种多途环境下水下运动目标被动定位方法", 《声学技术》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112649787A (zh) * 2020-11-30 2021-04-13 海鹰企业集团有限责任公司 一种基于低频圆环阵的目标方位估计方法
CN112649787B (zh) * 2020-11-30 2022-04-12 海鹰企业集团有限责任公司 一种基于低频圆环阵的目标方位估计方法
CN113359138A (zh) * 2021-05-06 2021-09-07 上海交通大学 水中目标回波调控装置及声标识方法
CN113359138B (zh) * 2021-05-06 2022-05-17 上海交通大学 水中目标回波调控装置及声标识方法
CN115015839A (zh) * 2022-08-10 2022-09-06 中国海洋大学 一种浅海水下目标被动定位系统
CN117805834A (zh) * 2024-02-29 2024-04-02 广东海洋大学 基于频谱共振峰的多目标空间位置关系预报方法
CN117805834B (zh) * 2024-02-29 2024-05-07 广东海洋大学 基于频谱共振峰的多目标空间位置关系预报方法

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