CN111142071A - 一种结合半经验公式的单阵元匹配场爆炸声源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合半经验公式的单阵元匹配场爆炸声源定位方法，所述方法包括：从水听器的接收信号中估计直达声到达时间、海面反射声到达时间、海底反射声到达时间、声弹爆炸的冲击波峰值和一次气泡脉动的周期；以这五个参数的理论值为参数，结合估计值设计代价函数；确定声源深度、声源与接收阵水平距离、海深三个参数的搜索范围，由此确定搜索空间；在搜索空间内，计算不同位置处爆炸声源对应的水听器的直达声到达时间、海面反射声到达时间、海底反射声到达时间的理论值，接收到的冲击波峰值和一次气泡脉动周期的理论值，由此得到对应的代价函数值；搜索代价函数值的最小值，根据其对应的声源深度和声源与接收阵水平距离确定爆炸声源的位置。

Description

一种结合半经验公式的单阵元匹配场爆炸声源定位方法

技术领域

本发明属于水声物理领域，具体涉及一种爆炸声源定位的计算方法。

背景技术

在水声领域，爆炸声弹是一种常用的声源，爆炸声源的声源级获取具有重要意义。要准确获得爆炸声源的声源级，最重要的是获得爆炸声源的位置。现有的适用于水面舰艇抗冲击实验爆源定位方法，包括机械定位方法、冲击波零时法、GPS定位法、水声与GPS联测法，上述方法均需已知声弹爆炸的精确时间，且均适用于近场的情况。最常用的方法是利用水声方法对爆炸声源进行定位。

匹配场声源定位中，拷贝场计算方法的精度和速度对定位效果和定位效率有着直接的影响，拷贝场计算方法往往存在计算效率不够、内存需求大、难以满足实际应用需求等缺点。

发明内容

本发明的目的在于解决常规匹配场定位中全区域搜索速度慢，仅用时延差定位不够准确的缺点，提出了一种准确高效的适用于对爆炸距离接收阵不太远的情况下的单阵元爆炸声源定位方法。该方法首先利用爆炸深度和当量与一次气泡脉动的关系根据实际接收信号对深度的搜索范围进行缩小，接着以声源深度、距接收阵的水平距离以及海深为参数设置合理的代价函数，当代价函数最小时取得最优解，可以得到的实际的爆炸位置。

为实现上述目的，本发明提出了一种结合半经验公式的单阵元匹配场爆炸声源定位方法，该方法基于单船作业，利用船上悬挂的标准水听器实现，所述方法包括：

从水听器的接收信号中分别估计直达声到达时间、海面反射声到达时间、海底反射声到达时间、声弹爆炸的冲击波峰值和一次气泡脉动的周期；

以直达声到达时间、海面反射声到达时间、海底反射声到达时间、声弹爆炸的冲击波峰值和一次气泡脉动的周期的理论值为参数，结合估计值设计代价函数；

确定声源深度、声源与接收阵水平距离、海深三个参数的搜索范围，由此确定搜索空间；

在搜索空间内，计算不同位置处爆炸声源对应的水听器的直达声到达时间、海面反射声到达时间、海底反射声到达时间的理论值，接收到的冲击波峰值和一次气泡脉动周期的理论值，由此得到对应的代价函数值；

在搜索空间内，搜索代价函数值的最小值，根据其对应的声源深度和声源与接收阵水平距离确定爆炸声源的位置。

作为上述方法的一种改进，所述代价函数为：

f(dt₁,dt₂,dt₃,dt'₁,dt'₂,dt'₃,T,T',P,P')

＝|(dt₂-dt₁)-(dt'₂-dt'₁)|+|(dt₃-dt₁)-(dt'₃-dt'₁)|+100×|P-P'|+|T-T'|

其中，dt₁、dt₂、dt₃、P和T为从水听器的接收信号中估计的直达声到达时间、海面反射声到达时间、海底反射声到达时间、声弹爆炸的冲击波峰值和一次气泡脉动的周期；dt'₁,dt'₂,dt'₃分别为dt₁,dt₂,dt₃对应的理论值；P'和T'分别为P和T的理论值，这五个理论值与声源深度D、声源与接收阵的水平距离R和海深H相关。

作为上述方法的一种改进，所述确定声源深度D、声源与接收阵水平距离R、海深H三个参数的搜索范围，由此确定搜索空间；具体包括：

爆炸声源爆炸深度与气泡脉动周期以及当量关系为：

T₁＝K₁w^1/3/(z+10.1)^5/6×1000

其中，w为声弹当量，T₁为第一个气泡脉动的周期，K₁＝2.11，z为爆炸深度；

根据水听器阵元接收到的信号得到的一次气泡脉动周期T，代入上式，计算得到爆炸深度z₀，以z₀为中心，选取[0，2z₀]作为声源深度D的搜索范围；

海深H的搜索范围和声源与接收阵的水平距离R的搜索范围根据经验值确定。

作为上述方法的一种改进，所述dt'₁,dt'₂,dt'₃的计算过程为：

对于不同海深H，声源与接收阵的不同水平距离R和不同声源深度D，使用水声传播模型计算直达声到达水听器的时间dt'₁，海面一次反射声到达水听器的时间dt'₂，海底一次反射声到达水听器的时间dt'₃。

作为上述方法的一种改进，所述T'和P'的计算过程为：

计算一次气泡脉动周期T'：

T'＝K₁w^1/3/(D+10.1)^5/6×1000

其中，w为声弹当量，K₁＝2.11；

根据爆炸点距接收的等效距离与冲击波峰值之间的关系计算冲击波峰值P'：

P'＝53.3(w^1/3/R)^1.13。

本发明的优势在于：

1、本发明的方法可以避免直接利用GPS计算接收水平距离和将定深爆炸声源的标定深度作为实际爆炸深度的定位误差，可以提高全空间搜索的匹配场定位效率，可以通过半经验公式提高定位精度，可以利用单阵元而不是阵列对爆炸声源进行定位；

2、本发明的方法可以提高传统全空间搜索的匹配场计算的速度，并且在代价函数中除直达波、一次海面反射和一次海底反射外引入冲击波峰值和一次气泡脉动周期从而提升定位精度，同时通过爆炸声源的半经验公式引入冲击波峰值和一次气泡脉动周期可以实现利用较少的阵元实现较为准确的声源定位；

3、本发明方法适用于爆炸距离接收不太远且海深未知的情况，具有较高的精确度和较高的计算效率。

附图说明

图1为试验设备布放示意图；

图2为实验海区测量的声速剖面；

图3为本发明的声源深度为变化参数时的代价函数曲线；

图4为本发明的声源距离接收阵元的水平距离为变化参数时的代价函数曲线；

图5为本发明的海深为变化参数时的代价函数曲线；

图6为某厂25m-100g型号声弹爆炸1号阵元接收到的信号形式；

图7为用该发明方法对25m-100g型号声弹定位结果的模糊度图；

图8为不同定位方法深度定位不确定性分析；

图9为不同定位方法距离定位不确定性分析。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明公开了一种结合半经验公式的单阵元匹配场爆炸声源定位方法。基于单船作业，利用船上悬挂的三个标准水听器中的任意一个实现，该方法包括：从水听器的接收信号中分别估计直达声、海面反射声和海底反射声的到达时间和声弹爆炸的冲击波峰值、一次气泡脉动的周期，以声源深度D、声源与接收阵水平距离R、海深H以及爆炸的冲击波峰值和一次气泡脉动的周期为参数设计代价函数。首先根据爆炸声源的半经验公式限定声源深度D的搜索范围，其次使用水声射线模型计算不同位置处爆炸声源对应的水听器的各个声线到达时间，用半经验公式计算不同接收阵元接收到的冲击波峰值和一次气泡脉动周期，将实验与理论计算的直达波与海面反射、海底反射的时延差，冲击波峰值以及一次气泡脉动的周期相加作为代价函数进行匹配，代价函数最小对应的位置即为声弹爆炸的位置。

(1)实验介绍

利用某海域实验数据进行分析，实验设备布放如图1所示，实验采用单船作业，在北调993船投放爆炸声源，利用3个标准水听器接收信号。1号水听器在水下大约20m，2号水听器在水下大约60m，3号水听器大约在水下100m。三个水听器上分别布放深度传感器可以读取三个水听器的实际深度。该实验区域的声速剖面如图2所示。以某厂生产的25m定深100gTNT当量的声弹和1号水听器接收到的信号为例对该方法进行阐述和验证。

(2)获取计算所需的实际测量参数

用1号水听器接收到的数据实现结合半经验公式的单阵元匹配场爆炸声源定位。

从1号水听器接收到的信号中提取直达声、海面反射声和海底反射声的到达时间，爆炸声信号在时间序列上包括这几部分：冲击波、第一次气泡脉冲、第二次气泡脉冲、第三次气泡脉冲、……，以及它们的海面、海底反射结构。

步骤1)根据水听器接收到的信号，获取直达声对应的时间dt₁，海面一次反射声对应的时间dt₂，海底一次反射声对应的时间dt₃；水听器接收到的信号对应的冲击波峰值P，一次气泡脉动的周期T。

步骤2)利用爆炸声源的半经验公式计算爆炸深度。

爆炸声源爆炸深度与气泡脉动周期以及当量关系为：

T_i＝K_iw^1/3/(z+10.1)^5/6×1000 (1)

其中，w为声弹当量，T_i(ms)为第i个气泡脉动的周期，K_i为常数，对前三个气泡脉动，K₁＝2.11,K₂＝1.48,K₃＝1.2，z为爆炸深度。根据水听器阵元接收到的信号得到的一次气泡脉动周期T，计算爆炸深度z₀作为参考深度，以参考深度z₀为中心，上下取一定深度作为深度的匹配场搜索范围，这个范围的选取与z₀的大小有关。z₀较浅时，可选取[0，2z₀]作为深度匹配场搜索范围。

海深H的搜索范围根据实验区域的声速剖面确定，还可以根据测深仪数据确定。

声源与接收阵水平距离R的搜索范围根据经验值确定。

步骤3)使用水声传播模型计算不同海深H，声源与接收阵的不同水平距离R和不同声源深度D时，获取直达声到达水听器的时间dt'₁，海面一次反射声到达水听器的时间dt'₂，海底一次反射声到达水听器的时间dt'₃。

步骤4)利用爆炸声源的半经验公式(1)和(2)计算不同海深H，声源与接收阵的不同水平距离R和不同声源深度D对应的一次气泡脉动周期T’，和冲击波峰值P’。爆炸点距接收的等效距离与冲击波峰值之间的关系：

P_s＝53.3(w^1/3/R_eff)^1.13 (2)

其中，P_s为爆炸声冲击波峰值(MPa)，R_eff为爆炸距离接收阵元的等效距离。

步骤5)对每一个接收到的实际信号，设定代价函数E，以声源深度D、声源与接收阵的水平距离R和海深H为参数；代价函数表达式为：

其中，M为采用的参数个数(i＝1直达波；i＝2为海面反射；i＝3为海底反射)，dt_i为接收信号中获得的第i种波到达接收阵元的时间的测量值，而dt'_i为其理论值。T和P为实际接收信号中得到的一次气泡脉动周期和冲击波峰值，T'和P'为通过半经验公式计算得到的理论值。注意代价函数E中，时间dt和T的单位为毫秒(ms)，冲击波峰值声压P的单位为兆帕(MPa)。D、R、H和z的单位均为m。

步骤6)根据步骤3)获取的时间值和步骤4)获取的冲击波峰值和一次气泡脉动周期，在步骤2)的搜索空间中搜索代价函数的最小值，当取最小值时，对应的参数声源深度D₀和声源与接收阵的水平距离R₀即为爆炸声源的位置。

下面分析代价函数的合理性：

(a)固定海深、爆炸距离接收阵元的水平距离，将声源深度作为代价函数唯一变化参数，分析代价函数随着声源深度偏离真实声源深度的变化情况；

(b)固定海深、爆炸深度，将爆炸距离接收阵元的水平距离作为代价函数唯一变化参数，分析代价函数随着水平距离偏离真实值的变化情况；

(c)固定声源深度、声源距离接收阵元的水平距离，将海深作为代价函数唯一变化参数，分析代价函数随海深变化的情况。

设计海深为640m，声源深度为25m，接收阵水平距离为50m，水听器的深度为20m，声速剖面如图2所示。

(a)保持海深640m不变，声源距离接收阵元的水平距离50m不变，将声源深度作为代价函数唯一变化参数，声源深度变化范围为0-50m，间隔0.5m计算一次代价函数。

如图3中可见，在声源深度取真实声源深度25m时，代价函数为最小值0，随着声源深度偏离真实声源深度，代价函数越来越大。

(b)保持海深640m不变，声源深度25m不变，将爆炸距离接收阵元的水平距离作为代价函数唯一变化参数，水平距离的变化范围为0-100m，间隔1m计算一次代价函数。

如图4中可见，在水平距离取真实值50m时，代价函数为最小值0，随着声源距离接收阵元的水平距离偏离真实水平距离，代价函数越来越大。

(c)保持声源深度25m不变，声源距离接收阵元的水平距离50m不变，将海深作为代价函数唯一变化参数，海深的变化范围为600m-700m，间隔1m计算一次代价函数。

如图5中可见，在海深取真实海水深度640m时，代价函数为最小值0，随着海水深度偏离真实海深，代价函数越来越大。

(a)(b)(c)仿真分析可以说明当三个参数R、D和H分别对应真实值时，得到的代价函数最小，证明代价函数设计的合理性，即利用代价函数E可以估算爆炸位置。

试验设备布放如试验设计方案所述，图6为1号水听器接收到的25m-100g弹型第1枚炸弹接收信号示意图，接收信号包括直达声、海面反射声和海底反射声。根据图中结果确定直达声、海面一次反射声和海底一次反射声的精确到达时间以及冲击波峰值、一次气泡脉动周期可用于估算各枚声弹的爆炸深度以及距离接收阵元的水平距离。

用该发明方法对该声弹进行定位，结果如图7所示，可以说明该方法对爆炸距离接收阵元不太远的情况下声弹定位的可行性和正确性。

图8和图9为三阵元仅仅采用时延差进行定位、三阵元采用时延差并引入半经验公式的匹配场定位和单阵元采用时延差并引入半经验公式的定位的深度和距离的不确定性，结果表明，单阵元定位的结果不如多阵元的好，但是该发明的一种结合半经验公式的单阵元匹配场爆炸声源定位方法比常规利用三元阵仅仅采用时延差进行定位要更加准确，且在对定位精度要求的一定范围内，可以采用单阵元进行定位。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种结合半经验公式的单阵元匹配场爆炸声源定位方法，该方法基于单船作业，利用船上悬挂的标准水听器实现，所述方法包括：

从水听器的接收信号中分别估计直达声到达时间、海面反射声到达时间、海底反射声到达时间、声弹爆炸的冲击波峰值和一次气泡脉动的周期；

以直达声到达时间、海面反射声到达时间、海底反射声到达时间、声弹爆炸的冲击波峰值和一次气泡脉动的周期的理论值为参数，结合估计值设计代价函数；

确定声源深度、声源与接收阵水平距离、海深三个参数的搜索范围，由此确定搜索空间；

在搜索空间内，计算不同位置处爆炸声源对应的水听器的直达声到达时间、海面反射声到达时间、海底反射声到达时间的理论值，接收到的冲击波峰值和一次气泡脉动周期的理论值，由此得到对应的代价函数值；

在搜索空间内，搜索代价函数值的最小值，根据其对应的声源深度和声源与接收阵水平距离确定爆炸声源的位置。

2.根据权利要求1所述的结合半经验公式的单阵元匹配场爆炸声源定位方法，其特征在于，所述代价函数为：

f(dt₁,dt₂,dt₃,dt'₁,dt'₂,dt'₃,T,T',P,P')

＝|(dt₂-dt₁)-(dt'₂-dt'₁)|+|(dt₃-dt₁)-(dt'₃-dt'₁)|+100×|P-P'|+|T-T'|

其中，dt₁、dt₂、dt₃、P和T为从水听器的接收信号中估计的直达声到达时间、海面反射声到达时间、海底反射声到达时间、声弹爆炸的冲击波峰值和一次气泡脉动的周期；dt'₁,dt'₂,dt'₃分别为dt₁,dt₂,dt₃对应的理论值；P'和T'分别为P和T的理论值，这五个理论值与声源深度D、声源与接收阵水平距离R和海深H相关。

3.根据权利要求2所述的结合半经验公式的单阵元匹配场爆炸声源定位方法，其特征在于，所述确定声源深度、声源与接收阵水平距离、海深三个参数的搜索范围，由此确定搜索空间；具体包括：

爆炸声源爆炸深度与气泡脉动周期以及当量关系为：

T₁＝K₁w^1/3/(z+10.1)^5/6×1000

其中，w为声弹当量，T₁为第一个气泡脉动的周期，K₁＝2.11，z为爆炸深度；

根据水听器阵元接收到的信号得到的一次气泡脉动周期T，代入上式，计算得到爆炸深度z₀，以z₀为中心，选取[0，2z₀]作为声源深度D的搜索范围；

海深H的搜索范围和声源与接收阵水平距离R的搜索范围根据经验值确定。

4.根据权利要求3所述的结合半经验公式的单阵元匹配场爆炸声源定位方法，其特征在于，所述dt'₁,dt'₂,dt'₃的计算过程为：

对于不同海深H，声源与接收阵的不同水平距离R和不同声源深度D，使用水声传播模型计算直达声到达水听器的时间dt'₁，海面一次反射声到达水听器的时间dt'₂，海底一次反射声到达水听器的时间dt'₃。

5.根据权利要求4所述的结合半经验公式的单阵元匹配场爆炸声源定位方法，其特征在于，所述T'和P'的计算过程为：

计算一次气泡脉动周期T'：

T'＝K₁w^1/3/(D+10.1)^5/6×1000

其中，w为声弹当量，K₁＝2.11；

根据爆炸点距接收的等效距离与冲击波峰值之间的关系计算冲击波峰值P'：

P'＝53.3(w^1/3/R)^1.13。

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