CN111856400B - 一种水下目标声源定位方法及系统 - Google Patents

一种水下目标声源定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下目标声源定位方法及系统。该方法包括：将传感器组内的每一个传感器采集的声源信号作为激励源，采用时域采样方法确定激励源时域采样信号；根据时域采样与空间位置的关联性对激励源时域采样信号进行处理，得到激励源定向采样信号；对所有激励源定向采样信号进行求和运算，得到候选声源位置的空间能量函数；采用空间网格化法对空间能量函数进行求解，得到候选声源位置的空间能量值；比较候选声源位置集合中所有候选声源位置的空间能量值，将最大空间能量值对应的候选声源位置确定为实际声源位置。采用本发明的方法及系统，能够在低信噪比情况下，利用较少的传感器和相对较窄的方位角信号，实现目标声源信号的高精度定位。

Description

一种水下目标声源定位方法及系统
技术领域
本发明涉及声源定位技术领域，特别是涉及一种水下目标声源定位方法及系统。
背景技术
近年来，随着潜艇降噪技术的发展，如何对潜艇等水下目标进行高精度定位，成为一项亟待解决的难题，受到广泛关注。目前对水下目标进行高精度定位有很多方法，其中包括目标声源定位，但存在各种缺陷。例如：可控响应功率(SRP)定位法作为波束形成中常见的一种水下目标声源定位方法，但是它存在空间分辨率很低；采用相位变换的SRP方法能够提高目标空间分辨率，是一种较为有效、稳定的声源定位方法，但是在SRP中引入相位变换可能会放大噪声功率，导致SRP空间中出现许多局部极值，对源定位产生负面影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下目标声源定位方法及系统，基于波的传播互异性进行声源定位，能够提高目标声源信号定位的精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种水下目标声源定位方法，包括：
获取传感器组采集的候选声源位置的声源信号；所述传感器组包括多个传感器；
将所述传感器组内的每一个传感器采集的声源信号作为激励源，采用时域采样方法确定激励源时域采样信号；
根据时域采样与空间位置的关联性对所述激励源时域采样信号进行处理，得到激励源定向采样信号；
对所有激励源定向采样信号进行求和运算，得到候选声源位置的空间能量函数；
采用空间网格化法对所述空间能量函数进行求解，得到候选声源位置的空间能量值；
判断所述传感器组是否采集完成候选声源位置集合中所有候选声源位置的声源信号；若是，则比较所述候选声源位置集合中所有候选声源位置的空间能量值，将最大空间能量值对应的候选声源位置确定为实际声源位置；若否，则更新候选声源位置，并返回步骤“获取传感器组采集的候选声源位置的声源信号”。
可选的，所述根据时域采样与空间位置的关联性对所述激励源时域采样信号进行处理，得到激励源定向采样信号，具体包括：
获取采样时间与候选声源位置的关系；
根据所述采样时间与候选声源位置的关系，将所述激励源时域采样信号转化为激励源定向采样信号；
其中，
所述采样时间与候选声源位置的关系的表达式为ts＝ts(x)；
所述激励源时域采样信号的表达式为
Figure BDA0002607153960000021
所述激励源定向采样信号的表达式为
Figure BDA0002607153960000022
式中，ts表示采样时间，x表示候选声源位置，f(ts)表示激励源时域采样信号，f(t)表示传感器采集的候选声源位置的声源信号，t表示时间变量，δ(·)表示激励信号，g(x)表示激励源定向采样信号。
可选的，所述对所有激励源定向采样信号进行求和运算，得到候选声源位置的空间能量函数，具体包括：
根据如下公式确定候选声源位置的空间能量函数：
Figure BDA0002607153960000023
式中，P(x)表示空间能量函数，gn(x)表示第n个传感器的激励源定向采样信号，Z表示整数集合，fn(t)表示第n个传感器采集的候选声源位置的声源信号，tn(x)表示第n个传感器的采样时间。
可选的，所述采用空间网格化法对所述空间能量函数进行求解，得到候选声源位置的空间能量值，具体包括：
采用传感器与候选声源的位置关系对所述空间能量函数进行更新，得到更新后的空间能量函数；
对所述更新后的空间能量函数进行离散化处理，得到离散化后的空间能量函数；
采用空间网格化法对所述离散化后的空间能量函数进行处理，得到网格化后的空间能量函数；
对所述网格化后的空间能量函数进行插值计算，得到候选声源位置的空间能量值；
其中，
所述更新后的空间能量函数的表达式为
Figure BDA0002607153960000031
所述离散化后的空间能量函数的表达式为
Figure BDA0002607153960000032
所述网格化后的空间能量函数的表达式为P(kΔx)＝∑n∈Z∑m∈zfn(tm)δ(tm-tn(kΔx))；
所述候选声源位置的空间能量值为
Figure BDA0002607153960000033
式中，P(x)'表示更新后的空间能量函数，xn表示第n个传感器的位置，x表示候选声源的位置，v表示速度，
Figure BDA0002607153960000034
P(X)”表示离散化后的空间能量函数，tm表示离散采样时间，m表示离散采样次数，P(kΔx)表示网格化后的空间能量函数，k表示空间网格大小，Δx表示网格的步长，tn(kΔx)表示网格化后的采样时间，P(k)表示候选声源位置的空间能量值，σ表示实常数。
本发明还提供一种水下目标声源定位系统，包括：
声源信号获取模块，用于获取传感器组采集的候选声源位置的声源信号；所述传感器组包括多个传感器；
激励源时域采样信号确定模块，用于将所述传感器组内的每一个传感器采集的声源信号作为激励源，采用时域采样方法确定激励源时域采样信号；
激励源定向采样信号确定模块，用于根据时域采样与空间位置的关联性对所述激励源时域采样信号进行处理，得到激励源定向采样信号；
空间能量函数确定模块，用于对所有激励源定向采样信号进行求和运算，得到候选声源位置的空间能量函数；
空间能量值计算模块，用于采用空间网格化法对所述空间能量函数进行求解，得到候选声源位置的空间能量值；
判断模块，用于判断所述传感器组是否采集完成候选声源位置集合中所有候选声源位置的声源信号；若是，则执行声源定位模块，若否，则执行更新模块进行候选声源位置更新，然后执行所述声源信号获取模块；
声源定位模块，用于比较所述候选声源位置集合中所有候选声源位置的空间能量值，将最大空间能量值对应的候选声源位置确定为实际声源位置。
可选的，所述激励源定向采样信号确定模块，具体包括：
关系获取单元，用于获取采样时间与候选声源位置的关系；
信号转化单元，用于根据所述采样时间与候选声源位置的关系，将所述激励源时域采样信号转化为激励源定向采样信号；
其中，
所述采样时间与候选声源位置的关系的表达式为ts＝ts(x)；
所述激励源时域采样信号的表达式为
Figure BDA0002607153960000041
所述激励源定向采样信号的表达式为
Figure BDA0002607153960000042
式中，ts表示采样时间，x表示候选声源位置，f(ts)表示激励源时域采样信号，f(t)表示传感器采集的候选声源位置的声源信号，t表示时间变量，δ(·)表示激励信号，g(x)表示激励源定向采样信号。
可选的，所述空间能量函数确定模块，具体包括：
空间能量函数确定单元，用于根据如下公式确定候选声源位置的空间能量函数：
Figure BDA0002607153960000043
式中，P(x)表示空间能量函数，gn(x)表示第n个传感器的激励源定向采样信号，Z表示整数集合，fn(t)表示第n个传感器采集的候选声源位置的声源信号，tn(x)表示第n个传感器的采样时间。
可选的，所述空间能量值计算模块，具体包括：
空间能量函数更新单元，用于采用传感器与候选声源的位置关系对所述空间能量函数进行更新，得到更新后的空间能量函数；
离散化处理单元，用于对所述更新后的空间能量函数进行离散化处理，得到离散化后的空间能量函数；
空间网格化处理单元，用于采用空间网格化法对所述离散化后的空间能量函数进行处理，得到网格化后的空间能量函数；
插值计算单元，用于对所述网格化后的空间能量函数进行插值计算，得到候选声源位置的空间能量值；
其中，
所述更新后的空间能量函数的表达式为
Figure BDA0002607153960000051
所述离散化后的空间能量函数的表达式为
Figure BDA0002607153960000052
所述网格化后的空间能量函数的表达式为P(kΔx)＝∑n∈Z∑m∈zfn(tm)δ(tm-tn(kΔx))；
所述候选声源位置的空间能量值为
Figure BDA0002607153960000053
式中，P(x)'表示更新后的空间能量函数，xn表示第n个传感器的位置，x表示候选声源的位置，v表示速度，
Figure BDA0002607153960000054
P(X)”表示离散化后的空间能量函数，tm表示离散采样时间，m表示离散采样次数，P(kΔx)表示网格化后的空间能量函数，k表示空间网格大小，Δx表示网格的步长，tn(kΔx)表示网格化后的采样时间，P(k)表示候选声源位置的空间能量值，σ表示实常数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种水下目标声源定位方法及系统，获取传感器组采集的候选声源位置的声源信号，将传感器组内的每一个传感器采集的声源信号作为激励源，采用时域采样方法确定激励源时域采样信号；根据时域采样与空间位置的关联性对激励源时域采样信号进行处理，得到激励源定向采样信号；对所有激励源定向采样信号进行求和运算，得到候选声源位置的空间能量函数；采用空间网格化法对空间能量函数进行求解，得到候选声源位置的空间能量值；在传感器组采集完成候选声源位置集合中所有候选声源位置的声源信号时，比较候选声源位置集合中所有候选声源位置的空间能量值，将最大空间能量值对应的候选声源位置确定为实际声源位置。本发明基于波的传播互异性进行声源定位，能够在低信噪比情况下，利用较少的传感器和相对较窄的方位角信号，实现目标声源信号的高精度定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中水下目标声源定位方法流程图；
图2为本发明实施例中时域信号转化为空域信号示意图；
图3为本发明实施例中空间能量示意图；
图4为本发明实施例中声源与传感器位置关系图；
图5为本发明实施例中不同宽度参数条件下含噪建模数据的位置能量图；
图6为本发明实施例中水下目标声源定位系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种水下目标声源定位方法及系统，基于波的传播互异性进行声源定位，能够提高目标声源信号定位的精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
图1为本发明实施例中水下目标声源定位方法流程图，如图1所示，一种水下目标声源定位方法，包括：
步骤101：获取传感器组采集的候选声源位置的声源信号；传感器组包括多个传感器。
步骤102：将传感器组内的每一个传感器采集的声源信号作为激励源，采用时域采样方法确定激励源时域采样信号。
步骤103：根据时域采样与空间位置的关联性对激励源时域采样信号进行处理，得到激励源定向采样信号。
步骤103，具体包括：
获取采样时间与候选声源位置的关系；
根据采样时间与候选声源位置的关系，将激励源时域采样信号转化为激励源定向采样信号；
其中，
采样时间与候选声源位置的关系的表达式为ts＝ts(x)；
激励源时域采样信号的表达式为
Figure BDA0002607153960000071
激励源定向采样信号的表达式为
Figure BDA0002607153960000072
式中，ts表示采样时间函数，x表示候选声源位置，f(ts)表示激励源时域采样信号，f(t)表示传感器采集的候选声源位置的声源信号，t表示时间变量，δ(·)表示激励信号，g(x)表示激励源定向采样信号。
步骤104：对所有激励源定向采样信号进行求和运算，得到候选声源位置的空间能量函数。
步骤104，具体包括：
根据如下公式确定候选声源位置的空间能量函数：
Figure BDA0002607153960000073
式中，P(x)表示空间能量函数，gn(x)表示第n个传感器的激励源定向采样信号，Z表示整数集合，fn(t)表示第n个传感器采集的候选声源位置的声源信号，tn(x)表示第n个传感器的采样时间。
步骤105：采用空间网格化法对空间能量函数进行求解，得到候选声源位置的空间能量值。
步骤105，具体包括：
采用传感器与候选声源的位置关系对空间能量函数进行更新，得到更新后的空间能量函数；
对更新后的空间能量函数进行离散化处理，得到离散化后的空间能量函数；
采用空间网格化法对离散化后的空间能量函数进行处理，得到网格化后的空间能量函数；
对网格化后的空间能量函数进行插值计算，得到候选声源位置的空间能量值；
其中，
更新后的空间能量函数的表达式为
Figure BDA0002607153960000081
离散化后的空间能量函数的表达式为
Figure BDA0002607153960000082
网格化后的空间能量函数的表达式为P(kΔx)＝∑n∈Z∑m∈zfn(tm)δ(tm-tn(kΔx))；
候选声源位置的空间能量值为
Figure BDA0002607153960000083
式中，P(x)'表示更新后的空间能量函数，xn表示第n个传感器的位置，x表示候选声源的位置，v表示速度，
Figure BDA0002607153960000084
P(X)”表示离散化后的空间能量函数，tm表示离散采样时间，m表示离散采样次数，P(kΔx)表示网格化后的空间能量函数，k表示空间网格大小，Δx表示网格的步长，tn(kΔx)表示网格化后的采样时间，P(k)表示候选声源位置的空间能量值，σ表示实常数。
步骤106：判断传感器组是否采集完成候选声源位置集合中所有候选声源位置的声源信号；若是，则执行步骤107；若否，则执行步骤108，然后返回步骤101。
步骤107：比较候选声源位置集合中所有候选声源位置的空间能量值，将最大空间能量值对应的候选声源位置确定为实际声源位置。
步骤108：更新候选声源位置。
具体的，
声源定位可以理解为一个线性系统模型，其中输入为声源信号，输出为传感器采集的信号。因此，第n个传感器采集到的信号fn(t)为：
fn(t)＝s(t)*hn(t)+θn(t) (1)
式中，hn(t)为第n通道脉冲响应，θn(t)为非相关加性背景噪声，s(t)为声源信号。该式表示声源信号通过静态介质(线性系统)传播，产生获得的信号(系统输出)。
如果将采集到的信号作为激励源，通过传播互易性，在声源(声源就是实际的目标声源)位置会发生同相叠加，形成能量焦点。因此，可以通过寻找峰值能量来实现声源定位。
如图2所示，当搜索的候选声源位置为实际源，即声源位置时，三种不同信号样本的采样点ta,tb和tc可以同时到达声源位置S，因此输出能量最大。如果所搜索的候选位置不是源位置，则采样点ta,tb和tc有时会分布在不同的位置，输出能量也相对较小。这一过程可以看作是通过改变样本将时域信号转化为空域信号，该过程称为定向采样。
时域采样过程可以描述如下:
Figure BDA0002607153960000091
式中，ts表示采样时间函数，f(ts)表示激励源时域采样信号，f(t)表示传感器采集的候选声源位置的声源信号，t表示时间变量，f(ts)为f(t)激励源的采样信号。通常，时域采样的采样时间是等间隔的，即ts＝kT(k＝1,2,...,K)，其中K为采样个数，T为采样间隔。
将时域采样与空间位置关联，令ts＝ts(x)，则
Figure BDA0002607153960000092
式中，x表示候选声源位置，g(x)表示激励源定向采样信号。
采样时间ts随空间位置的变化而变化。因此，g(x)的公式称为定向采样。将采集到的所有信号的定向样本进行求和，形成空间能量函数：
Figure BDA0002607153960000093
式中，P(x)表示空间能量函数，gn(x)表示第n个传感器的激励源定向采样信号，Z表示整数集合，fn(t)表示第n个传感器采集的候选声源位置的声源信号。
最大值P(x)对应的位置来自声源，如下：
Figure BDA0002607153960000094
式中，
Figure BDA0002607153960000095
表示估计源位置(实际声源位置)，符号R表示实数集合。
这一过程的一个关键步骤是使用定向采样样本确定声源位置，定义tn(x)如下:
Figure BDA0002607153960000096
式中，xn＝[xn,yn,zn]T为第n个传感器位置，x-xn为源到第n个传感器的距离，v为速度。
在确定的采样时间t1，可以很容易地看到采集到的激励源的信号样本fn(t1)分布在以第n个传感器位置为中心，t1v为半径的空间圆周上。整个采集到的信号样本分布在一个以第n个传感器位置为中心，tv为半径的同心圆上，如图3所示，图3(a)为时间与能量示意图，图3(b)为空间与能量示意图。将所有采集到的信号的空间响应叠加在一起，得到一个空间能量图和真实源位置的最大能量。同时，获得噪声的空间响应也具有与获得信号相同的特性，也分布在具有随机半径的同心圆上。因此，在叠加所有空间响应时，噪声分布更加分散，可以更好地抑制噪声。当采集到的信号频率较低时，如图3所示，定向采样样本的空间分辨率会降低。通过对采集到的信号进行白化处理，可以提高信号的空间分辨率。
将公式(6)代入(4)得到：
Figure BDA0002607153960000101
在声源与传感器阵列之间存在特殊几何关系的情况下(见图4)，公式(7)可表示为：
Figure BDA0002607153960000102
式中，f(t,x)为传感器在x处采集到的信号，化简可得：
Figure BDA0002607153960000103
其中，τ＝z/v。v是已知的常数，Z表示候选声源位置的z轴坐标。对于声源与传感器阵列之间的一般几何关系，类似于高维拉东变换。因此，本发明的定位思想类似于重构。
式(7)可离散化如下：
Figure BDA0002607153960000104
其中，tm为离散采样时间。式(10)的数值计算需要空间网格化。假设指定空间网格的大小为nx×my×lz，式(10)可表示为：
P(kΔx)＝∑n∈Z∑m∈zfn(tm)δ(tm-tn(kΔx)) (11)
其中，k＝(nx,my,lz)，Δx＝(Δx,Δy,Δz)为网格的步长。定向采样时间tn(kΔx)并不总是与传感器采样的时间完全一致。因此，定向采样样本的数值计算需要插值。本文对邻域插值和线性插值进行了分析。不同插值方法得到的定向样本所示，线性插值的能量图比邻域插值更平滑、更连续。从而提高了定位精度，说明线性插值可以满足要求。
式(8)只考虑了当前时间样本tm，忽略了当前时间tm、前一个时间tm-1和后一个时间tm+1样本之间的关系。在有噪声的情况下，这将降低定位精度。这个问题可以通过加权来解决。加权的目的是通过考虑当前的矩样本以及之前和之后的矩样本来实现更好的能量聚焦。矩形窗口是一个自然的选择，但是矩形窗口会使能量图平滑，导致能量焦点模糊，降低定位精度。理想加权函数在当前时刻的权值最大，在前一时刻和后一时刻的权值减小。高斯函数就是这样一个加权函数，它满足这些要求。
高斯函数广泛应用于数学、工程等领域。形成一个高斯函数如下：
Figure BDA0002607153960000111
其中，为a,b,σ为任意实常数。参数a是高斯函数峰值的高度，b是峰值的中心，σ控制着高斯函数的宽度。当参数a为1且σ趋于0时，高斯函数趋于δ-函数，如下所示：
Figure BDA0002607153960000112
根据式(10)，公式(8)可以改写为：
Figure BDA0002607153960000113
当σ趋于0时，式(11)与(8)完全相同。积分项可以看作是(6)中的高斯函数与fn(t)的卷积。因此，它具有抑制高频随机噪声的低通滤波功能。
高斯函数的引入避免了定向采样过程中的插值。对公式(14)进行求解得到声源位置；不同宽度参数σ条件下含噪建模数据的位置能量图如图5所示。从图中可以看出，当宽度σ较小(σ＝0.0001)时，能量是分散的，很难确定最大，所以导致定位不准确。随着宽度σ的增加，能量逐渐集中，其中能量最集中的时刻为σ＝0.00025。噪声干扰减小，能量图随宽度σ进一步增大而更加平滑。能量峰值附近能量差异不明显。能量峰值位置难以准确确定，导致定位精度降低。当宽度σ＝0.003时，能量图与线性插值的能量图基本相同。
图6为本发明实施例中水下目标声源定位系统结构图。如图6所示，一种水下目标声源定位系统，包括：
声源信号获取模块201，用于获取传感器组采集的候选声源位置的声源信号；传感器组包括多个传感器。
激励源时域采样信号确定模块202，用于将传感器组内的每一个传感器采集的声源信号作为激励源，采用时域采样方法确定激励源时域采样信号。
激励源定向采样信号确定模块203，用于根据时域采样与空间位置的关联性对激励源时域采样信号进行处理，得到激励源定向采样信号。
激励源定向采样信号确定模块203，具体包括：
关系获取单元，用于获取采样时间与候选声源位置的关系；
信号转化单元，用于根据采样时间与候选声源位置的关系，将激励源时域采样信号转化为激励源定向采样信号；
其中，
采样时间与候选声源位置的关系的表达式为ts＝ts(x)；
激励源时域采样信号的表达式为
Figure BDA0002607153960000121
激励源定向采样信号的表达式为
Figure BDA0002607153960000122
式中，ts表示采样时间函数，x表示候选声源位置，f(ts)表示激励源时域采样信号，f(t)表示传感器采集的候选声源位置的声源信号，t表示时间变量，δ(·)表示激励信号，g(x)表示激励源定向采样信号。
空间能量函数确定模块204，用于对所有激励源定向采样信号进行求和运算，得到候选声源位置的空间能量函数。
空间能量函数确定模块204，具体包括：
空间能量函数确定单元，用于根据如下公式确定候选声源位置的空间能量函数：
Figure BDA0002607153960000123
式中，P(x)表示空间能量函数，gn(x)表示第n个传感器的激励源定向采样信号，Z表示整数集合，fn(t)表示第n个传感器采集的候选声源位置的声源信号，tn(x)表示第n个传感器的采样时间。
空间能量值计算模块205，用于采用空间网格化法对空间能量函数进行求解，得到候选声源位置的空间能量值。
空间能量值计算模块205，具体包括：
空间能量函数更新单元，用于采用传感器与候选声源的位置关系对空间能量函数进行更新，得到更新后的空间能量函数；
离散化处理单元，用于对更新后的空间能量函数进行离散化处理，得到离散化后的空间能量函数；
空间网格化处理单元，用于采用空间网格化法对离散化后的空间能量函数进行处理，得到网格化后的空间能量函数；
插值计算单元，用于对网格化后的空间能量函数进行插值计算，得到候选声源位置的空间能量值；
其中，
更新后的空间能量函数的表达式为
Figure BDA0002607153960000131
离散化后的空间能量函数的表达式为
Figure BDA0002607153960000132
网格化后的空间能量函数的表达式为P(kΔx)＝∑n∈Z∑m∈zfn(tm)δ(tm-tn(kΔx))；
候选声源位置的空间能量值为
Figure BDA0002607153960000133
式中，P(x)'表示更新后的空间能量函数，xn表示第n个传感器的位置，x表示候选声源的位置，v表示速度，
Figure BDA0002607153960000134
P(X)”表示离散化后的空间能量函数，tm表示离散采样时间，m表示离散采样次数，P(kΔx)表示网格化后的空间能量函数，k表示空间网格大小，Δx表示网格的步长，tn(kΔx)表示网格化后的采样时间，P(k)表示候选声源位置的空间能量值，σ表示实常数。
判断模块206，用于判断传感器组是否采集完成候选声源位置集合中所有候选声源位置的声源信号；若是，则执行声源定位模块207，若否，则执行更新模块208，然后执行声源信号获取模块201。
声源定位模块207，用于比较候选声源位置集合中所有候选声源位置的空间能量值，将最大空间能量值对应的候选声源位置确定为实际声源位置。
更新模块208，用于更新候选声源位置。
对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种水下目标声源定位方法，其特征在于，包括：
获取传感器组采集的候选声源位置的声源信号；所述传感器组包括多个传感器；
将所述传感器组内的每一个传感器采集的声源信号作为激励源，采用时域采样方法确定激励源时域采样信号；
根据时域采样与空间位置的关联性对所述激励源时域采样信号进行处理，得到激励源定向采样信号；
对所有激励源定向采样信号进行求和运算，得到候选声源位置的空间能量函数；
采用空间网格化法对所述空间能量函数进行求解，得到候选声源位置的空间能量值；
判断所述传感器组是否采集完成候选声源位置集合中所有候选声源位置的声源信号；若是，则比较所述候选声源位置集合中所有候选声源位置的空间能量值，将最大空间能量值对应的候选声源位置确定为实际声源位置；若否，则更新候选声源位置，并返回步骤“获取传感器组采集的候选声源位置的声源信号”；
所述根据时域采样与空间位置的关联性对所述激励源时域采样信号进行处理，得到激励源定向采样信号，具体包括：
获取采样时间与候选声源位置的关系；
根据所述采样时间与候选声源位置的关系，将所述激励源时域采样信号转化为激励源定向采样信号；
其中，
所述采样时间与候选声源位置的关系的表达式为ts＝ts(x)；
所述激励源时域采样信号的表达式为
Figure FDA0002958066770000011
所述激励源定向采样信号的表达式为
Figure FDA0002958066770000012
式中，ts表示采样时间，x表示候选声源位置，f(ts)表示激励源时域采样信号，f(t)表示传感器采集的候选声源位置的声源信号，t表示时间变量，δ(·)表示激励信号，g(x)表示激励源定向采样信号；
所述对所有激励源定向采样信号进行求和运算，得到候选声源位置的空间能量函数，具体包括：
根据如下公式确定候选声源位置的空间能量函数：
Figure FDA0002958066770000021
式中，P(x)表示空间能量函数，gn(x)表示第n个传感器的激励源定向采样信号，Z表示整数集合，fn(t)表示第n个传感器采集的候选声源位置的声源信号，tn(x)表示第n个传感器的采样时间。
2.根据权利要求1所述的水下目标声源定位方法，其特征在于，所述采用空间网格化法对所述空间能量函数进行求解，得到候选声源位置的空间能量值，具体包括：
采用传感器与候选声源的位置关系对所述空间能量函数进行更新，得到更新后的空间能量函数；
对所述更新后的空间能量函数进行离散化处理，得到离散化后的空间能量函数；
采用空间网格化法对所述离散化后的空间能量函数进行处理，得到网格化后的空间能量函数；
对所述网格化后的空间能量函数进行插值计算，得到候选声源位置的空间能量值；
其中，
所述更新后的空间能量函数的表达式为
Figure FDA0002958066770000022
所述离散化后的空间能量函数的表达式为
Figure FDA0002958066770000023
所述网格化后的空间能量函数的表达式为P(kΔx)＝∑n∈Z∑m∈zfn(tm)δ(tm-tn(kΔx))；
所述候选声源位置的空间能量值为
Figure FDA0002958066770000024
式中，P(x)'表示更新后的空间能量函数，xn表示第n个传感器的位置，x表示候选声源的位置，v表示速度，
Figure FDA0002958066770000025
P(X)”表示离散化后的空间能量函数，tm表示离散采样时间，m表示离散采样次数，P(kΔx)表示网格化后的空间能量函数，k表示空间网格大小，Δx表示网格的步长，tn(kΔx)表示网格化后的采样时间，P(k)表示候选声源位置的空间能量值，σ表示实常数。
3.一种水下目标声源定位系统，其特征在于，包括：
声源信号获取模块，用于获取传感器组采集的候选声源位置的声源信号；所述传感器组包括多个传感器；
激励源时域采样信号确定模块，用于将所述传感器组内的每一个传感器采集的声源信号作为激励源，采用时域采样方法确定激励源时域采样信号；
激励源定向采样信号确定模块，用于根据时域采样与空间位置的关联性对所述激励源时域采样信号进行处理，得到激励源定向采样信号；
空间能量函数确定模块，用于对所有激励源定向采样信号进行求和运算，得到候选声源位置的空间能量函数；
空间能量值计算模块，用于采用空间网格化法对所述空间能量函数进行求解，得到候选声源位置的空间能量值；
判断模块，用于判断所述传感器组是否采集完成候选声源位置集合中所有候选声源位置的声源信号；若是，则执行声源定位模块，若否，则执行更新模块进行候选声源位置更新，在更新候选声源位置后执行所述声源信号获取模块；
声源定位模块，用于比较所述候选声源位置集合中所有候选声源位置的空间能量值，将最大空间能量值对应的候选声源位置确定为实际声源位置；
所述激励源定向采样信号确定模块，具体包括：
关系获取单元，用于获取采样时间与候选声源位置的关系；
信号转化单元，用于根据所述采样时间与候选声源位置的关系，将所述激励源时域采样信号转化为激励源定向采样信号；
其中，
所述采样时间与候选声源位置的关系的表达式为ts＝ts(x)；
所述激励源时域采样信号的表达式为
Figure FDA0002958066770000031
所述激励源定向采样信号的表达式为
Figure FDA0002958066770000032
式中，ts表示采样时间，x表示候选声源位置，f(ts)表示激励源时域采样信号，f(t)表示传感器采集的候选声源位置的声源信号，t表示时间变量，δ(·)表示激励信号，g(x)表示激励源定向采样信号；
所述空间能量函数确定模块，具体包括：
空间能量函数确定单元，用于根据如下公式确定候选声源位置的空间能量函数：
Figure FDA0002958066770000033
式中，P(x)表示空间能量函数，gn(x)表示第n个传感器的激励源定向采样信号，Z表示整数集合，fn(t)表示第n个传感器采集的候选声源位置的声源信号，tn(x)表示第n个传感器的采样时间。
4.根据权利要求3所述的水下目标声源定位系统，其特征在于，所述空间能量值计算模块，具体包括：
空间能量函数更新单元，用于采用传感器与候选声源的位置关系对所述空间能量函数进行更新，得到更新后的空间能量函数；
离散化处理单元，用于对所述更新后的空间能量函数进行离散化处理，得到离散化后的空间能量函数；
空间网格化处理单元，用于采用空间网格化法对所述离散化后的空间能量函数进行处理，得到网格化后的空间能量函数；
插值计算单元，用于对所述网格化后的空间能量函数进行插值计算，得到候选声源位置的空间能量值；
其中，
所述更新后的空间能量函数的表达式为
Figure FDA0002958066770000041
所述离散化后的空间能量函数的表达式为
Figure FDA0002958066770000042
所述网格化后的空间能量函数的表达式为P(kΔx)＝∑n∈Z∑m∈zfn(tm)δ(tm-tn(kΔx))；
所述候选声源位置的空间能量值为
Figure FDA0002958066770000043
式中，P(x)'表示更新后的空间能量函数，xn表示第n个传感器的位置，x表示候选声源的位置，v表示速度，
Figure FDA0002958066770000044
P(X)”表示离散化后的空间能量函数，tm表示离散采样时间，m表示离散采样次数，P(kΔx)表示网格化后的空间能量函数，k表示空间网格大小，Δx表示网格的步长，tn(kΔx)表示网格化后的采样时间，P(k)表示候选声源位置的空间能量值，σ表示实常数。
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