CN109239652B - 一种水下声源水平方位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用水听器对水下声源方位检测方法，涉及水下声源方位检测(测向)领域，本发明提出一种便于计算机程序实现的检测方法，通过较少点的回波幅度测量，利用水听器波束指向性图与测量点回波幅度进行滑动匹配，逐步得到回波幅度与模型之间的方差曲线，最小方差对应的方位即是声源方位。本发明逻辑性强，易于计算机程序实现、通用性较好可在测试设备中应用；该发明简单易行，同时抗干扰能力强、方位检测准确性高，适用于手持便携式方位检测设备的使用。

Description

一种水下声源水平方位检测方法

技术领域

本发明属于水下声源方位检测(测向)领域，涉及一种通过接收水下声源的声信号实现声源水平方位估计的方法。本发明只需一个水听器和方位罗盘，适用于水下声源水平方位被动侦测。

背景技术

航行器因故障而沉没于水底时，一般会发射声信号以供打捞。如何通过接收其发出的信号，探测和确定航行器的位置是成功打捞的关键，也就是对声源方位的检测。

水下声源方位检测(测向)是水声探测的重要研究方向。水声探测系统需要在复杂干扰或噪声背景中提取声源信号，在通过水声信号处理方法实现水平或垂直方位检测。目前针对水下声源方位检测，主要有互功率谱测向方法、多次测量回波法、模式匹配法等等，或需较多的硬件设备，如互功率谱测向法至少需要两个水听器，同时对水听器的位置有严格要求；或需繁琐的测量步骤，如多次测量回波法；或是工程应用不成熟，如模式匹配法。故需构建一种能够满足方位检测要求，同时仅需少量的硬件设备且测量简单的工程应用方法。

发明内容

要解决的技术问题

为了克服现有技术的不足，实现使用水听器进行水下声源水平方位的简单检测，本发明提出一种便于计算机程序实现的水下声源方位检测方法，通过较少的回波幅度测量，利用水听器波束指向性图与测量方位的回波幅度在方位范围内进行方差计算，逐步得到方位与方差曲线，方差最小的方位即是声源的方位。该方法简单易行，具有抗干扰能力强、方位检测精确的特点。

技术方案

一种水下声源水平方位检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在水下放置一个水听器，其中水听器的水平波束指向性图已知；水听器通过罗盘获取水听器声轴指向的水平方位；

步骤2：利用水听器在N个不同水平方位点测得有效回波，相邻方位点的方位角差在5°～10°，在方位a₁测得回波幅度为k₁，在方位a₂测得回波幅度为k₂，在方位a_N测得回波幅度为k_N，利用(a_x,k_x)描述某方位的回波幅度，即(a₁,k₁),(a₂,k₂)...(a_N,k_N)；

步骤3：对k₁,k₂...k_N进行归一化处理，得到K₁,K₂...K_N，即(a₁,K₁),(a₂,K₂)...(a_N,K_N)；

步骤4：建立以水平方位角为X-归一化幅度为Y的坐标系，将归一化后的(a₁,K₁),(a₂,K₂)...(a_N,K_N),添加至所述坐标系图上；

步骤5：规定某方位回波幅度(a_x,K_x)到波束指向性曲线的垂直距离为d_x，令

即P用于描述所有回波幅度到波束指向性曲线的垂直距离的平方和；

步骤6：在所述坐标系图上，从0°～360°沿水平方位轴上滑动水平波束指向性图，每次滑动间隔为Δα，每次滑动可得到一个P值，经多次计算，则可以得到一条方位-P曲线；

步骤7：曲线中最小P值点对应的方位值即为声源水平方位。

所述的步骤2中的N满足3≤N≤5。

所述的步骤6中的Δα≤1°。

有益效果

本发明的有益效果在于本发明的方法逻辑性强，易于计算机程序实现、通用性较好，可在自动测试设备中应用；本发明仅需一个水听器，同时抗干扰能力强、方位检测准确性高，适用于手持便携式方位检测设备的使用。

附图说明

图1为水听器方位检测示意图

图2为水听器波束指向性示意图

图3为回波幅度与波束指向性图滑动匹配示意图

图4为回波幅度P值示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

利用水听器实现水下声源方位检测的两个先决条件：1.水听器的水平波束指向性图已知；2.由罗盘提供的水听器声轴方位可知。如图1所示，罗盘零位与基阵声轴平行，用于指示水听器声轴的方位；水听器在出厂时，波束指向性已定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的详细步骤如下：

步骤1：已知水听器的水平波束指向性图(如图2所示)和罗盘提供的水听器声轴指向的水平方位；

步骤2：利用水听器在N个(3≤N≤5)不同水平方位点(其相邻方位角差在5°～10°)测得有效回波，在方位a₁测得回波幅度为k₁，在方位a₂测得回波幅度为k₂，在方位a_N测得回波幅度为k_N，利用(a_x,k_x)描述某方位的回波幅度，即(a₁,k₁),(a₂,k₂)...(a_N,k_N)；

步骤3：对k₁,k₂...k_N进行归一化处理，得到K₁,K₂...K_N,即(a₁,K₁),(a₂,K₂)...(a_N,K_N)；

步骤4：建立以水平方位角为X-归一化幅度为Y的坐标系，将归一化后的(a₁,K₁),(a₂,K₂)...(a_N,K_N)，添加至所述坐标系图上，如图3所示(为叙述简便，图3中以3个点举例)；

步骤5：规定某方位回波幅度(a_x,K_x)到波束指向性曲线的垂直距离为d_x，令

即P用于描述所有回波幅度到波束指向性曲线的垂直距离的平方和(参见图3)；

步骤6：在所述坐标系图上，从0°～360°沿X轴上滑动所述水平波束指向性图，每次滑动间隔为Δα(Δα≤1°)，每次滑动可得到一个P值，经多次计算，则可以得到如图4的曲线；

步骤7：曲线中最小P值点对应的方位值即为声源水平方位。

实施例1：

以测量3个点回波幅度举例对本发明进一步说明，具体如下：

步骤1：已知水听器的水平波束指向性图，通过罗盘获取水听器声轴指向的水平方位；

步骤2：利用水听器在3个不同水平方位(水平方位从罗盘获取，相邻水平方位点角度差在5°～10°)测得有效回波，设在方位α₁测得回波幅度为x₁，在方位α₂测得回波幅度为x₂，在方位α₃测得回波幅度为x₃；

步骤3：对三组回波幅度进行归一化处理，得到(α₁，X₁)、(α₂,X₂)、(α₃,X₃)等三个点；

步骤4：α₁、α₂、α₃可能不在波束指向性图离散划分的方位上，按照就近原则将α₁、α₂、α₃近似为波束指向性图离散划分的方位，即A₁、A₂、A₃。三组回波幅度变为(A₁,K₁),(A₂,K₂)，(A₃,K₃)；

步骤5：波束指向性图声轴位于0°方位时，计算(A₁,K₁),(A₂,K₂)，(A₃,K₃)到水平波束指向性图的距离d₁[0],d₂[0],d₃[0]，从而得到P[0]＝d₁[0]²+d₂[0]²+d₃[0]²，记为(0°，P[0])；

步骤6：将水平波束指向性图沿水平向右移动1个Δα的距离，计算(A₁,K₁),(A₂,K₂)，(A₃,K₃)到水平波束指向性图的距离d₁[1],d₂[1],d₃[1]，从而得到P[1]＝d₁[1]²+d₂[1]²+d₃[1]²，记为(1°，P[1])；

步骤7：将水平波束指向性图沿水平向右移动2个Δα的距离，计算(A₁,K₁),(A₂,K₂)，(A₃,K₃)到水平波束指向性图的距离d₁[2],d₂[2],d₃[2]，从而得到P[2]＝d₁[2]²+d₂[2]²+d₃[2]²，记为(2°，P[2])；

步骤8：水平波束指向性图重复向右移动，直到向右移动M(M＝360°/Δα)个Δα的距离时，计算(A₁,K₁),(A₂,K₂)，(A₃,K₃)到水平波束指向性图的距离d₁[M],d₂[M],d₃[M]，从而得到P[M]＝d₁[M]²+d₂[M]²+d₃[M]²，此处M＝360，记为(360°，P[360])；

步骤9：从(0°，P[0])、(1°，P[1])、(2°，P[2])...(360°，P[360])中找出最小的P[m]，则P[m]对应的方位即为所求。

Claims (3)

1.一种水下声源水平方位检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在水下放置一个水听器，其中水听器的水平波束指向性图已知；水听器通过罗盘获取水听器声轴指向的水平方位；

步骤2：利用水听器在N个不同水平方位点测得有效回波，相邻方位点的方位角差在5°～10°，在方位a₁测得回波幅度为k₁，在方位a₂测得回波幅度为k₂，在方位a_N测得回波幅度为k_N，利用(a_x,k_x)描述某方位的回波幅度，即(a₁,k₁),(a₂,k₂)...(a_N,k_N)；

步骤3：对k₁,k₂...k_N进行归一化处理，得到K₁,K₂...K_N，即(a₁,K₁),(a₂,K₂)...(a_N,K_N)；

步骤4：建立以水平方位角为X-归一化幅度为Y的坐标系，将归一化后的(a₁,K₁),(a₂,K₂)...(a_N,K_N),添加至所述坐标系图上；

步骤5：规定某方位回波幅度(a_x,K_x)到波束指向性曲线的垂直距离为d_x，令

即P用于描述所有回波幅度到波束指向性曲线的垂直距离的平方和；

步骤6：在所述坐标系图上，从0°～360°沿水平方位轴上滑动水平波束指向性图，每次滑动间隔为Δα，每次滑动可得到一个P值，经多次计算，则可以得到一条方位-P曲线；

步骤7：曲线中最小P值点对应的方位值即为声源水平方位。

2.根据权利要求1所述的一种水下声源水平方位检测方法，其特征在于所述的步骤2中的N满足3≤N≤5。

3.根据权利要求1所述的一种水下声源水平方位检测方法，其特征在于所述的步骤6中的Δα≤1°。

Images