CN110471032A - 一种水下目标被动定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下目标被动定位的方法，所述方法包括以下步骤：设定位目标为带宽为B的噪声源，在其带宽内有M个频点，各频点发射功率均为未知；设置Q个位置已知的接收节点，可接收定位目标发射的噪声，计算并建立观测矩阵；利用噪声信号的不同频率分量在多径效应的影响下幅度衰减不同的特点建立模型函数；将观测矩阵中的M×Q个测量值与模型函数进行拟合；通过拟合得到定位目标LOS路径集合，结合已知的接收节点坐标，完成对定位目标的定位。本方法能够在仅获取目标辐射噪声强度的条件下完成对目标的被动定位，且能够有效解决多径效应对定位效果的影响，提升被动定位精度。

Description

一种水下目标被动定位的方法

技术领域

本发明涉及水下目标定位技术领域，尤其涉及一种水下目标被动定位的方法。

背景技术

水下目标被动定位是利用目标本身辐射的信号对目标位置进行估计，定位系统不需要发出任何信号，具有相当强的隐蔽性。现有的水下目标被动定位方法中，传统的三点式测距法是一种纯几何交汇的测量方法，通过测量各基元的相对时延，估计目标的距离和方位。测距误差与基阵长度、时延估计精度、目标距离、方位等因素有关，测距误差还对安装平台的摇晃及各子基阵安装的误差十分敏感。

目标运动分析法是对一个运动的目标连续地测量目标的方位，得到一个方位序列。该方法要求较高的方位测量精度和精确已知的本艇航迹，并要求声纳平台(本艇)作折线航行。该方法利用了检测能力较强的矢量水听器，所以作用距离较远，但给出距离所需的时间太长，尤其是该算法有15％-20％的概率产生发散，得不到目标距离。匹配场被动定位法是将接收基阵处的实际测量声场与理论预测声场进行匹配，对声源参数进行估计。为充分利用声源、信道信息，在匹配场定位中常采用垂直长线阵采集水下声场的垂直分布信息。

利用匹配场进行被动定位时，选定的信道模型能精确地描述声场，选定搜索方法进行快速精确的函数匹配，因此匹配场被动定位的运算量大，对环境参数有很强的依赖性，容易产生声速失配、海底深度失配、基阵位置失配等误差。

发明内容

本发明提供了一种水下目标被动定位的方法，利用本方法能够在仅获取目标辐射噪声强度的条件下完成对目标的被动定位，且能够有效解决多径效应对定位效果的影响，提升被动定位精度，详见下文描述：

一种水下目标被动定位的方法，所述方法包括以下步骤：

设定位目标为带宽为B的噪声源，在其带宽内有M个频点，各频点发射功率均为未知；

设置Q个位置已知的接收节点，可接收定位目标发射的噪声，计算并建立观测矩阵；

利用噪声信号的不同频率分量在多径效应的影响下幅度衰减不同的特点建立模型函数；

将观测矩阵中的M×Q个测量值与模型函数进行拟合；

通过拟合得到定位目标LOS路径集合，结合已知的接收节点坐标，完成对定位目标的定位。

其中，所述利用噪声信号的不同频率分量在多径效应的影响下幅度衰减不同的特点建立模型函数具体为：

其中，设定位目标与每个接收节点之间有N条等效传播路径，第一条路径为LOS路径，其他路径为NLOS路径；

第i个节点的各条路径长度表示为d_i,1，d_i,2，...,d_i,N，

各路径的反射系数表示为：Γ_i,1，Γ_i,2，...,Γ_i,N，LOS路径的Γ_i,1＝1，其他小于1；

对于第i个接收节点，在频点f_j上有：

其中，

式中，[·]代表向下取整，λ_j代表第j个频点的信号波长，d_i,k代表第i个节点第k条多径的长度，为第i个接收节点，在频点f_j上的功率测量值。

其中，

M×Q≥(2N-1)×Q+M。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、利用本方法能够在仅使用标量水听器获取目标辐射噪声强度的条件下完成对目标的被动定位，无需使用矢量水听器，对设备和安装平台要求低，适应性强；

2、本发明能够有效解决多径效应对定位效果的影响，提升被动定位精度。

附图说明

图1为一种水下目标被动定位的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

声波在水中传播时，随着传播距离的增加，声波强度将越来越弱。给定传输信号频率f、传输距离d，信号的衰减公式如下：

TL(d,f)＝A₀d^ka(f)^d (1)

式中，A₀是单位标准化常数，k是扩散因子，a(f)是吸收因子。由公式(1)可知，当节点发射功率和频率确定时，若发送节点和接收节点之间只存在一条直射路径(Line ofSight，LOS)时，接收功率与两点间直线距离应存在唯一映射，但多径效应的存在破坏了这种映射关系。

多径效应是指信号在传播过程中，从发射节点发出后，经过不同的传播路径，最终到达同一个接收节点的现象。水下环境复杂，多径效应常见而显著。究其原因，主要有两个：第一个是声波的反射。声波在水中传播时，到达介质边界时，比如海底、海面或者水中障碍物等，会发生反射而导致声强衰减和声线反弹；第二个是声波的折射。海水是一种不均匀的介质，声波传播过程中会在不同介质的界面上发生折射，从而导致声强衰减和声线弯曲。严格意义上，信号传播路径的总数理论上趋向于无穷大，但是多径信号经过多次反射后，能量损失非常严重，因此实际接收节点检测到的信号主要由直射路径和有限条非直射路径(Non-Line of Sight，NLOS)组成。

图1为本发明实施例提供的一种水下目标被动定位方法的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：设定位目标为带宽为B的噪声源，在其带宽内有M个频点，记为f₁,f₂,...f_M，各频点发射功率为(各频点发射功率均为未知量)；

其中，P_T为发射功率符号，为第M个频点的发射功率。

步骤102：设置Q个位置已知的接收节点，可接收定位目标发射的噪声，计算并建立观测矩阵P_R：

其中，P_R为接收功率符号，为第Q个接收节点在第M个频点的接收功率。

具体的，该计算并建立观测矩阵的方法包括但不限于：时域信号直接计算功率谱密度、频域滤波后再计算功率谱密度等。

步骤103：利用噪声信号的不同频率分量在多径效应的影响下幅度衰减不同的特点建立模型；

其中，设定位目标与每个接收节点之间都有N条等效传播路径，不失一般性，第一条路径为LOS路径，其他路径为NLOS路径。第i个节点的各条路径长度表示为d_i,1，d_i,2，...,d_i,N；

各路径的反射系数表示为Γ_i,1，Γ_i,2，...,Γ_i,N(LOS路径的Γ_i,1＝1，其他小于1，i＝1,2,…Q)；

对于第i个接收节点，在频点f_j上有：

其中，

式中，[·]代表向下取整，λ_j(j＝1,…,M)代表第j个频点的信号波长，d_i,k(i＝1,…,Q；k＝1,…,N)代表第i个节点第k条多径的长度，为第i个接收节点，在频点f_j上的功率测量值。

步骤104：将观测矩阵P_R中的M×Q个测量值与模型函数进行拟合；

其中，由于模型函数包含的未知数个数为(2N-1)×Q+M个，因此只需保证M×Q≥(2N-1)×Q+M。

具体的，该拟合方法包括但不限于：最小二乘法、拉格朗日插值法、牛顿迭代法、雅克比迭代法等。

步骤105：通过拟合得到定位目标LOS路径集合d_i,1(i＝1,2,…Q)，结合已知的接收节点坐标，完成对定位目标的定位。

具体的，在获得定位目标LOS路径集合d_i,1(i＝1,2,…Q)和已知的接收节点坐标后，可通过求解以下方程组得到定位目标的坐标。

其中，x_i,y_i,z_i(i＝1,2,…Q)为第i个接收节点的三维坐标，x,y,z为定位目标的三维坐标。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水下目标被动定位的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

设定位目标为带宽为B的噪声源，在其带宽内有M个频点，各频点发射功率均为未知；

设置Q个位置已知的接收节点，可接收定位目标发射的噪声，计算并建立观测矩阵；

利用噪声信号的不同频率分量在多径效应的影响下幅度衰减不同的特点建立模型函数；

将观测矩阵中的M×Q个测量值与模型函数进行拟合；

通过拟合得到定位目标LOS路径集合，结合已知的接收节点坐标，完成对定位目标的定位。

2.根据权利要求1所述的一种水下目标被动定位的方法，其特征在于，所述利用噪声信号的不同频率分量在多径效应的影响下幅度衰减不同的特点建立模型函数具体为：

其中，设定位目标与每个接收节点之间有N条等效传播路径，第一条路径为LOS路径，其他路径为NLOS路径；

第i个节点的各条路径长度表示为d_i,1，d_i,2，...,d_i,N，

各路径的反射系数表示为：Γ_i,1，Γ_i,2，...,Γ_i,N

LOS路径的Γ_i,1＝1，其他小于1；

对于第i个接收节点，在频点f_j上有：

其中，

式中，[·]代表向下取整，λ_j代表第j个频点的信号波长，d_i,k代表第i个节点第k条多径的长度，为第i个接收节点，在频点f_j上的功率测量值。

3.根据权利要求2所述的一种水下目标被动定位的方法，其特征在于，

M×Q≥(2N-1)×Q+M。