CN109100711A - 一种深海环境下单基地主动声纳低运算量三维定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深海环境下单基地主动声纳低运算量三维定位方法，将单个发射换能器和多元接收阵组成的单基地主动声纳布置于临界深度以下，用可靠声路径照射目标并利用多元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，利用回波时延对多条离线计算的水平距离‑深度模糊曲线一维搜索、沿着水平距离‑深度模糊虚线进行条纹频率一维匹配的方式，获得亮点的水平距离和深度信息，利用深度对水下目标和水面干扰进行判断，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。利用本发明所提出的深海环境下利用单基地声纳主动定位的方法可以使用较小的运算量对水下目标进行三维定位。

Description

一种深海环境下单基地主动声纳低运算量三维定位方法

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基地主动声纳低运算量三维定位方法

背景技术

在深海环境中，在海面和海底之间存在一条声传播信道，称为可靠声路径(RAP:reliable acoustic path)。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.A reliable acoustic path:Physical properties and a sourcelocalization 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对水下目标进行被动定位(段睿.深海环境水声传播及声源定位方法研究[D].西北工业大学,2016.)和主动定位(刘雄厚.基于可靠声路径和目标多途回波的主动定位方法:中国,201710387420.3[P].2017-10-20)。目前，在利用RAP进行目标定位时，很多方法需要沿着水平距离-深度二维网格进行扫描和匹配，容易导致目标定位的处理运算量太大，影响对目标的实时定位。

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水平距离-深度二维扫描/匹配所导致运算量较大的缺点，本发明提出一种深海环境下利用单基地主动声纳的低运算量三维定位方法。所提方法采用单个发射换能器和一个多元接收阵(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。多元接收阵采集目标回波，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、干涉条纹频率(频率是指深度、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)提取、根据回波时延对多条离线计算的水平距离-深度模糊曲线一维搜索，沿水平距离-深度模糊曲线进行一维频率匹配等处理，最终判断出水下目标并获得水下目标的三维定位结果。

本发明的技术方案是：一种深海环境下单基地主动声纳低运算量三维定位方法，包括以下步骤：

步骤一：构建单基地主动声纳系统，并对信号进行发射与接收，包括以下子步骤：

子步骤一：由单个发射换能器和一个多元接收阵共同组成单基地主动声纳系统，并置于临界深度之下；其中发射换能器发射信号的俯仰角往海面方向设为正方向，往海底方向设为负方向；发射换能器以垂直开角发射脉冲信号，同时避免俯仰角为负值的声线与海底接触；设多元接收阵上的水听器个数为N，且N≥6，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：单个发射换能器发射脉冲信号，在海面和水下目标之间产生多个回波到达路径，从而产生多途回波信号；

子步骤三：不考虑传播损失、多普勒频移和水体的非线性效应，N元接收阵中第n(n＝1,2,…,N)个水听器上采集的回波x_n(t)为多个到达路径上回波的叠加，回波可表示为：

其中，σ_p为第p(p＝1,2,3,4)个路径所对应的回波系数，r_n,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，z_n(t)为N元圆环阵中第n个水听器上接收的噪声，表示求和；

步骤二：对N元接收阵采集的回波信号进行处理，得到目标亮点关于水平方位-绝对距离的二维图，获得目标亮点的回波时延及水平方位，包括以下子步骤：

子步骤一：用发射信号波形对多元圆环阵采集的目标回波进行匹配滤波，得到匹配滤波输出

y_n(t)＝x_n(t)*s^c(T-t) (2)

其中，y_n(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：对子步骤一中得到的匹配滤波输出在水平方向进行多波束处理，得到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-绝对距离的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；

子步骤三：对目标亮点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τ_e，利用短时傅里叶变换获得亮点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：对亮点所在的干涉条纹图进行处理，根据回波时延对多条水平距离-深度模糊曲线一维搜索，并在取出的水平距离-深度模糊曲线上进行一维条纹频率搜索，筛选获得水下目标的三维定位结果，包括以下子步骤：

子步骤一：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”f_e，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：离线计算获得多个回波时延上的水平距离-深度模糊曲线(目标所有可能出现位置上回波时延对应的水平距离-深度模糊曲线都要离线计算)，在线计算时，根据实际得到的波束输出上的目标回波时延τ_e，对离线计算的所有水平距离-深度模糊曲线进行搜索，取出与目标回波时延τ_e对应的水平距离-深度模糊曲线，即获得水下目标或水面干扰可能位于的水平距离-深度模糊曲线；

子步骤三：使用条纹频率匹配的方法，沿着水平距离-深度模糊曲线进行一维搜索，获得水下目标或水面干扰所在位置处的水平距离和深度；将离线计算得到的该水平距离-深度模糊曲线上不同水平距离、深度对应的干涉条纹频率f_i,j，与实际的波束输出上的干涉条纹图所对应的频率f_e作一维搜索匹配，搜索匹配输出峰值；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，P_i,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结果，f_e为利用波束输出上的干涉条纹图获得的频率；根据匹配处理输出表达式计算的结果，找出水平距离-深度模糊曲线上匹配输出峰值所在点，即得到目标亮点的水平距离和深度；

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，将亮点的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，结合以上步骤的水平距离、深度和水平方位信息，得到水下目标的三维定位结果。

本发明的进一步技术方案是：所述多个到达路径为4个，4个到达路径分别为：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。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明针对利用可靠声路径进行水平距离-深度二维扫描/匹配所导致运算量较大的缺点，提出一种深海环境下利用单基地主动声纳的低运算量三维定位方法。所提方法将单个发射换能器和多元接收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多元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，利用回波时延对多条离线计算的水平距离-深度模糊曲线一维搜索、沿着水平距离-深度模糊虚线进行条纹频率一维匹配的方式，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深海环境下利用单基地声纳主动定位的方法可以使用较小的运算量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为单基地声纳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为单基地声纳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为单基地声纳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为单基地声纳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为实施实例中获得的水下目标或水面干扰可能位于的水平距离-深度模糊曲线，其中箭头所指五星标记处为水下目标或水面干扰的频率匹配峰值位置暨水下目标所在的网格点；

具体实施方式

参见图1—图11，1)将单基地声纳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，多元接收阵采集回波(线性调频脉冲信号是已有技术，但在本发明里必不可少)。发射换能器和多元接收阵组成单基地声纳系统，多元接收阵(如圆环阵、平面阵、五臂阵、柱面阵等)上的水听器数目大于等于6，且在水平方位具有分辨能力。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，多元接收阵对回波进行采集。

2)处理多元接收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、水下目标和水面干扰关于水平方位-绝对距离的二维图以及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，对多元接收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，对峰值附近的波束输出进行短时傅里叶变换，获得时频分析结果，即干涉条纹图。

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)。离线计算获得多个回波时延上的水平距离-深度模糊曲线(水平距离-深度模糊曲线的离线计算方法：根据亮点对应的回波时延，确定亮点可能出现的水平距离和深度，将这些水平距离和深度形成的坐标点连成水平距离-深度模糊曲线)。在线计算时，根据实际波束输出获得亮点的回波时延τ_e，对离线计算的多条水平距离-深度模糊曲线进行一维搜索，取出与之对应的一条水平距离-深度模糊曲线，即获得目标亮点可能位于的水平距离-深度模糊曲线。将该水平距离-深度模糊曲线所有位置上离线计算的干涉条纹图所对应的频率f_i,j，与实际的波束输出上的干涉条纹图所对应的频率f_e作匹配，其中第i个水平距离、第j个深度对应网格点的匹配处理输出用P_i,j表示，匹配输出表达式为P_i,j＝1/(f_i,j-f_e)²，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f_i,j，即为将与对应的水平距离-深度模糊曲线上的位置当做亮点所在的位置，从而得到水下目标或者水面干扰的水平距离和深度。

设定水下目标和水面干扰在深度上的分界线为10m，将亮点的深度信息与分界线进行比较，筛选出水下目标，结合已经获得的水平方位、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使用较小的运算量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一个多元接收阵的布置以及信号的发射与接收，具体内容如下。

单个发射换能器和一个多元接收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接收阵共同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。

设多元接收阵(如圆环阵、平面阵、五臂阵、柱面阵等)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的值大于等于6，且在水平方位具有分辨能力。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(说明：N元水听器就代表N元接收圆环阵，N元水听器组成圆环阵，接收圆环阵中水听器的个数为N元)接收阵中第n(n＝1,2,…,N)个水听器上的回波为x_n(t)，其可以表示为四个多途路径上回波的叠加：

其中，σ_p为第p(p＝1,2,3,4)个路径所对应的回波系数，r_n,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，z_n(t)为N元圆环阵中第n个水听器上接收的噪声，表示求和。

步骤2)主要涉及对多元接收阵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

y_n(t)＝x_n(t)*s^c(T-t) (6)

其中，y_n(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元接收阵上的匹配滤波输出在水平方向进行多波束处理。以窄带信号为例，其波束形成可表示为：

其中B_q(t)代表第q个水平波束的输出，w_n(θ_q)为第n个水听器上的波束形成加权值，θ_q为第q个水平方位角，[·]^*代表求共轭。

对水平方向上所有的波束输出进行处理，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，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)主要涉及利用亮点对应的回波到达时延，对多条水平距离-深度模糊曲线一维搜索，获得水下目标或水面干扰可能位于的水平距离-深度模糊曲线。沿着该水平距离-深度模糊曲线，将曲线所有位置上对应的干涉条纹图频率与亮点回波条纹频率进行一维匹配，搜索匹配输出峰值，获得亮点在水平距离-深度模糊曲线上的位置，筛选出水下目标，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-多元接收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τ_i,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τ_i,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f_i,j。

离线计算目标亮点在不同的回波时延情况下对应的不同水平距离-深度模糊曲线。根据实际的波束输出上的目标回波时延，对离线计算的不同时延对应的水平距离-深度模糊曲线进行一维搜索，获得水下目标或水面干扰可能位于的水平距离-深度模糊曲线。水平距离-深度模糊曲线按下列方式取得：在某个深度上，取出仿真的回波时延与实际的回波到达时延τ_e最接近的网格点，将不同深度上的这些点连成线，得到水下目标或水面干扰的水平距离-深度模糊曲线。

使用条纹频率一维搜索匹配的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。沿着该水平距离-深度模糊曲线，将模糊曲线上所有网格点的干涉条纹图所对应的频率f_i,j，与实际的波束输出上的干涉条纹图所对应的频率f_e作一维匹配，搜索匹配输出峰值。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，P_i,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，f_e为步骤3)中利用波束输出上的干涉条纹图获得的频率。找出水平距离-深度模糊曲线上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，分界线以浅(包含分界线自身深度)的亮点目标为水面干扰，分界线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。单个发射换能器和32元均匀圆环阵共同构成单基地主动声纳系统

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、水平距离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，利用短时傅里叶变换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，固定目标点的距离不变，目标深度在10m:10m:3500m变化时的干涉条纹图如图10所示。针对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，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，获得水下目标或水面干扰所在水平方位为150°。

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-多元接收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τ_i,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τ_i,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f_i,j。

根据离线计算的目标场景内水下目标所有可能位于的位置上对应的时延，离线计算所有不同时延对应的水平距离-深度模糊曲线。(离线计算水平距离-深度模糊曲线的方法为：取出每个深度上离线计算的回波时延与实际的回波到达时延最接近的网格点，将不同深度上的这些点连成线，获得水下目标或水面干扰可能位于的水平距离-深度模糊曲线。)根据实际的波束输出上的目标回波时延τ_e，对所有的水平距离-深度模糊曲线进行一维搜索，取出与目标回波时延τ_e对应的一条水平距离-深度模糊曲线，即获得水下目标或水面干扰可能位于的水平距离-深度模糊曲线。沿着该水平距离-深度模糊曲线，将模糊曲线上所有网格点的干涉条纹图所对应的频率f_i,j，与实际的波束输出上的干涉条纹图所对应的频率f_e＝8.88Hz作一维匹配，搜索匹配输出峰值，找出峰值对应的频率为将与对应的网格点标记出来，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。

设水下目标和水面航船在深度上的分界线为10m，则可以判断，该亮点不是水面航船，而是水下目标，结合该亮点的水平方位信息，最终获得水下目标的三维定位结果。水下目标或水面干扰可能位于的水平距离-深度模糊曲线如图11所示，其中箭头所指五星标记处为水下目标或水面干扰的频率匹配峰值位置暨水下目标所在的网格点。完成本次水下目标的三维定位计算共用时30ms，而同条件下用可靠声路径进行水平距离-深度二维扫描/匹配完成水下目标的三维定位需要用时150ms。

根据实施实例可知，本发明所提出的深海环境下利用单基地声纳主动定位的方法，可以使用较小的运算量完成水下目标的三维定位。

Claims (2)

1.一种深海环境下单基地主动声纳低运算量三维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：构建单基地主动声纳系统，并对信号进行发射与接收，包括以下子步骤：

子步骤一：由单个发射换能器和一个多元接收阵共同组成单基地主动声纳系统，并置于临界深度之下；其中发射换能器发射信号的俯仰角往海面方向设为正方向，往海底方向设为负方向；发射换能器以垂直开角发射脉冲信号，同时避免俯仰角为负值的声线与海底接触；设多元接收阵上的水听器个数为N，且N≥6，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：单个发射换能器发射脉冲信号，在海面和水下目标之间产生多个回波到达路径，从而产生多途回波信号；

子步骤三：不考虑传播损失、多普勒频移和水体的非线性效应，N元接收阵中第n(n＝1,2,…,N)个水听器上采集的回波x_n(t)为多个到达路径上回波的叠加，回波可表示为：

其中，σ_p为第p(p＝1,2,3,4)个路径所对应的回波系数，r_n,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，z_n(t)为N元圆环阵中第n个水听器上接收的噪声，表示求和；

步骤二：对N元接收阵采集的回波信号进行处理，得到目标亮点关于水平方位-绝对距离的二维图，获得目标亮点的回波时延及水平方位，包括以下子步骤：

子步骤一：用发射信号波形对多元圆环阵采集的目标回波进行匹配滤波，得到匹配滤波输出

y_n(t)＝x_n(t)*s^c(T-t) (2)

其中，y_n(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：对子步骤一中得到的匹配滤波输出在水平方向进行多波束处理，得到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-绝对距离的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；

子步骤三：对目标亮点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τ_e，利用短时傅里叶变换获得亮点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：对亮点所在的干涉条纹图进行处理，根据回波时延对多条水平距离-深度模糊曲线一维搜索，并在取出的水平距离-深度模糊曲线上进行一维条纹频率搜索，筛选获得水下目标的三维定位结果，包括以下子步骤：

子步骤一：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”f_e，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：离线计算获得多个回波时延上的水平距离-深度模糊曲线(目标所有可能出现位置上回波时延对应的水平距离-深度模糊曲线都要离线计算)，在线计算时，根据实际得到的波束输出上的目标回波时延τ_e，对离线计算的所有水平距离-深度模糊曲线进行搜索，取出与目标回波时延τ_e对应的水平距离-深度模糊曲线，即获得水下目标或水面干扰可能位于的水平距离-深度模糊曲线；

子步骤三：使用条纹频率匹配的方法，沿着水平距离-深度模糊曲线进行一维搜索，获得水下目标或水面干扰所在位置处的水平距离和深度；将离线计算得到的该水平距离-深度模糊曲线上不同水平距离、深度对应的干涉条纹频率f_i,j，与实际的波束输出上的干涉条纹图所对应的频率f_e作一维搜索匹配，搜索匹配输出峰值；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，P_i,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结果，f_e为利用波束输出上的干涉条纹图获得的频率；根据匹配处理输出表达式计算的结果，找出水平距离-深度模糊曲线上匹配输出峰值所在点，即得到目标亮点的水平距离和深度；

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，将亮点的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，结合以上步骤的水平距离、深度和水平方位信息，得到水下目标的三维定位结果。

2.如权利要求1所述的一种深海环境下单基地主动声纳低运算量三维定位方法，其特征在于，所述多个到达路径为4个，4个到达路径分别为：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。