CN112098938A - 一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，属于水声目标定位技术领域。本发明利用六元锥矢量阵，可获得关于声源的方位角、俯仰角、深度以及水平距离的完备信息，且利用逐次获得的估计信息对最终的水平距离估计进行降维处理，通过空间扫描降维有效提高了估计效率。本发明利用最小规模立体阵—六元锥矢量阵，既具有全空域定位能力，又具有优于线列阵和平面阵的定位精度，同时还保留立体阵的空域分维特性优势，具有良好的对称性和平稳性。

Description

一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，属于水声定位技术领域。

背景技术

目前对水下目标声源的定位方法越来越丰富。按照应答器基阵基线的长度来分类，可以分为长基线定位、短基线定位、超短基线定位以及前三种方式的组合定位等；按照工作方式来分类，可分为主动声呐定位和被动声呐定位；按照基阵的类型定位，可分为水平阵定位、垂直阵定位、三元阵定位、平面阵定位、立体阵定位等；同时还有一些应用广泛的定位方法，如波束形成、匹配场处理声源定位、水下GPS技术等。但总体上说，利用大型阵列以获得更好的定位效果是目前的主流发展思想，但由此带来的系统庞大，维护困难，算法复杂度高，定位精度的环境适应性差等是亟待解决的问题。

对水下目标进行匹配场被动定位是最为先进的水声定位方法，其通过对海洋声信道特性声场建立数学模型，将实际测量得到的声场与海洋声学模型建立的声场通过匹配场处理算法匹配进行，找出最大相关的点对应的水平距离和深度，即估计的真实声源的深度及水平距离。但该方法的缺点是对信道的建模方法复杂，对垂直阵列的数量需求较大，同时仅能获得深度和方位二维空间的扫描匹配结果，无法获得方位角信息。此外，长基线方法通过空间布放距离较远的大基阵，各个阵元的时延差进行定位解算，虽可以获得方位信息的估计结果，但无法获得深度信息，且在海洋多途信道条件下的时延估计误差较大，定位性能下降严重。水下三维矢量水听器可共点同步测量得到声场中的声压和质点振速信息，为声场信息的全面感知和获取创造了更有利的条件，且声压振速联合处理可将隐含在信号中的角度信息提取出来，但在自由场条件下的方位估计方法无法直接应用于水下多途环境。

基于以上分析可知，利用最小规模立体矢量阵，同时解决方位角、俯仰角、深度和水平距离的估计，是解决目前定位方法存在问题的一种有效方法。

发明内容

本发明的目的是一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，以解决现有的水下目标声源定位方法存在的问题。

一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，所述定位方法包括以下步骤：

步骤一、利用六元锥矢量阵接收水中目标发出的声信号，生成声压和振速数据；

步骤二、由六元锥矢量阵各阵元的x和y方向的平均复声强得到6×1维方位角矢量

步骤三、利用方位角矢量

得到六元锥矢量阵合成水平振速V_i ^r(r_s,t)；

步骤四、由六元锥矢量阵各阵元的垂直z方向平均复声强与合成水平平均复声强获得6×1维俯仰角矢量

步骤五、对声压平均复声强进行高分辨谱估计获得调制频率

并利用调制关系获得 6×1维声源深度矢量

步骤六、由平均俯仰角，确定声源距离该阵列的参考距离为r_c；

步骤七、在r_c附近感兴趣的声源水平距离范围内进行扫描，利用已得到的俯仰角矢量、方位角矢量和深度矢量，对匹配声场进行降维，在一维空间不同扫描距离r_j处生成联合导向矢量D_j；

步骤八、在r_j处利用联合导向矢量D_j，对声压协方差矩阵利用最小方差无畸变响应处理器获得稳健空间谱估计值P(r_j)；

步骤九、对全部扫描距离进行空间谱估计，由空间谱矢量P_J的最大值所在距离来确定声源距离。

进一步的，在步骤一中，具体的，海水深度为H，六元锥矢量阵中心阵元的布放深度为z_r≈H，阵元间距为d，设置六元锥矢量阵中心阵元为参考阵元，忽略海水声速分层带来的声线弯曲，并由于矢量水听器布放于海底附近而忽略海底反射声的影响，在深度为z_s(z_r＞＞z_s)的水下声源产生的水下声场是直达声和海表面反射声的干涉声场。

将声源位置表示为矢量r_s＝[r_s,z_s,θ_s,φ_s]，r_s为声源与参考阵元之间的水平距离，z_s为声源深度，θ_s为声源入射俯仰角，φ_s为声源入射方位角，六元锥矢量阵的坐标矢量为 x_r＝[0,0,0,d,-d,0]，y_r＝[0,-d,d,0,0,0]和z_r＝[z_r,z_r,z_r,z_r,z_r,z_r-d]，六元锥矢量阵第i(i＝1，2，…，6)个阵元接收到声源发出声波的声压信号表示为：

其中正体j表示虚部。P_i1(r_s,t)和P_i2(r_s,t)分别表示声源到第i个阵元的直达声和海面反射声声压信号，水中声速为c时波数为k＝ω/c，ω为角频率，ρ为海水密度，s(t)是声源时域信号，η是海面反射系数，对于平整海面有η≈-1，

和

是直达声和海面反射声声程，即

R_si为声源到第i个阵元的直达声和海面反射声的平均声程，

sinθ_si＝z_r/R_si，θ_si为声源到第i个阵元的直达声和海面反射声的加权平均俯仰角，

和

分别为声源到第i个阵元的直达声俯仰角和海面反射声俯仰角，有

φ_si为声源到第i个阵元的方位角，

第i个矢量水听器接收到的水平x方向和y方向，以及垂直z方向的质点振速信号分别表示为：

进一步的，在步骤二中，具体的，计算六元锥矢量阵第i个阵元x和y方向的平均复声强分别为：

其中，^-表示取时间平均。

根据y方向和x方向的平均复声强的比值来确定水平方位角

则六元锥矢量阵的6×1维方位角矢量

估计结果为：

其中^*表示复共轭算子，^T表示转置，tg^-1表示反正切运算。

进一步的，在步骤三中，具体的，对于第i个阵元，由于

则指向

方向的合成水平振速V_i ^r(r_s,t)表示为：

进一步的，在步骤四中，具体的，计算六元锥矢量阵第i个阵元，合成水平平均复声强和垂直平均复声强分别为：

根据

和

的比值来确定俯仰角

有：

则六元锥矢量阵的6×1维方位角矢量

估计结果为：

进一步的，在步骤五中，具体的，利用式(1)式中的声压信号近似形式，可得到六元锥矢量阵第i个阵元的声压平均复声强为：

上式表明，每个阵元数据的声强谱具有与声源深度z_s、波数k和俯仰角θ_si有关的周期性调制项。通过对平均复声强的高分辨谱分析来估计，获得调制周期频率

的估计结果，利用俯仰角

的估计值，以及调制频率

满足

的关系，得到每个阵元估计的声源深度值如下：

则六元锥矢量阵的6×1维深度矢量

估计结果为：

进一步的，在步骤六中，具体的，由计算

均值得到平均俯仰角

计算

均值得到平均俯仰角z_b，进一步得到声源距离该阵列的参考距离r_c为：

进一步的，在步骤七中，具体的，由

得到平均俯仰角

得到声源距离该阵列的参考距离r_c为：在r_c附近声源可能出现的[r_min,r_max]范围内，设置合适的扫描步长，则共有J个扫描距离，在扫描距离r_j(j＝1，2，…，J)处，直达声和反射声声程矢量分别为：

在扫描距离r_j处，根据直角坐标系下三角函数关系

和

分别为扫描点r_j处的直达声俯仰角矢量和反射声俯仰角矢量，有：

6×2维的方位导向矩阵W表示为：

6×2维距离导向矩阵A_j表示为：

6×1维联合导向矢量D_j表示为：

其中sin^-1表示反正弦运算，⊙表示矢量对应元素点乘运算。

对联合导向矢量D_j进行模矢量归一化后得到：

其中|| ||₂表示模2运算。

进一步的，在步骤八中，具体的，由各个阵元声压数据构成6×L维六元阵声压矩阵P_p，L为信号快拍数。由三维振速数据构成6×L维六元阵联合振速矩阵V_c。第i个阵元对应的联合振速V_i ^c(r_s,t)表示为：

由R_cov＝(P_p+V_c)V_c ^H/L运算得到6×6维声压振速互协方差矩阵，其中^H表示共轭转置运算符，利用最小方差无畸变响应处理器获得稳健空间谱估计值P(r_j)，

其中I₆为对角线元素为1，其他元素均为0的6×6矩阵，ε为约束参数，一般根据噪声干扰水平选取。

进一步的，在步骤九中，具体的，对全部J个扫描距离进行如(25)式的估计，得到 J×1维空间谱矢量P_J，对P_J最大值取归一化，有：

P_J＝P_J/max(P_J) (26)

空间谱最大值所在距离确定为声源距离的估计结果。

本发明的主要优点是：

(1)利用六元阵各自解算信息的平均值对方位角、俯仰角和声源深度进行估算，保证了信息的冗余，减少了单独阵元定位误差偏离带来的影响。并为距离扫描建立联合导向矢量确定了高可靠度的先验信息。

(2)利用已获得的方位角、俯仰角和声源深度估计结果，对空间扫描进行降维处理，将一般的声场二维扫描，简化为水平距离一维扫描，大大减小了空间扫描的计算量。

(3)仅利用最小规模立体阵—六元锥矢量阵即可获得声源的方位角、俯仰角、深度以及水平距离的完备信息，克服了海洋信道建模、定位方法信息缺失等问题，是一种信息全面和快速的水下目标定位方法。

(4)该方法使用的阵型为最小规模立体阵，具有完美的对称结构，底端为一平面，在水下布放和安装较为容易，姿态的平稳性较高，实际应用十分方便。

附图说明

图1为六元锥矢量阵示意图；

图2为中心参考阵元接收干涉声线示意图；

图3为方位角、俯仰角及声源深度估计结果；

图4为水平距离扫描归一化空间谱曲线。

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。

本发明提出了一种新的水中目标定位方法，该方法利用最小规模立体阵—六元锥矢量阵，既具有全空域定位能力，又具有优于线列阵和平面阵的定位精度，同时还保留立体阵的空域分维特性优势。本专利通过对与声场结构有关的声强信息解算，可逐步获得关于声源的方位角、俯仰角、深度有关的估计信息，并利用该估计信息对最终的空间扫描进行降维处理，简化为水平距离一维扫描，大大减小了空间扫描的计算量，该方法可获得关于声源的方位角、俯仰角、深度以及水平距离的完备信息，且使用阵型为最小规模立体阵，在水下布放和安装较为容易，具有很高的应用价值。

参照图1所示，一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，所述定位方法包括以下步骤：

步骤一、利用六元锥矢量阵接收水中目标发出的声信号，生成声压和振速数据；

步骤二、由六元锥矢量阵各阵元的x和y方向的平均复声强得到6×1维方位角矢量

步骤三、利用方位角矢量

得到六元锥矢量阵合成水平振速V_i ^r(r_s,t)；

步骤四、由六元锥矢量阵各阵元的垂直z方向平均复声强与合成水平平均复声强获得6×1维俯仰角矢量

步骤五、对声压平均复声强进行高分辨谱估计获得调制频率

并利用调制关系获得 6×1维声源深度矢量

步骤六、由平均俯仰角，确定声源距离该阵列的参考距离为r_c；

步骤七、在r_c附近感兴趣的声源水平距离范围内进行扫描，利用已得到的俯仰角矢量、方位角矢量和深度矢量，对匹配声场进行降维，在一维空间不同扫描距离r_j处生成联合导向矢量D_j；

步骤八、在r_j处利用联合导向矢量D_j，对声压协方差矩阵利用最小方差无畸变响应处理器获得稳健空间谱估计值P(r_j)；

步骤九、对全部扫描距离进行空间谱估计，由空间谱矢量P_J的最大值所在距离来确定声源距离。

进一步的，在步骤一中，具体的，海水深度为H，六元锥矢量阵中心阵元的布放深度为z_r≈H，阵元间距为d，设置六元锥矢量阵中心阵元为参考阵元，忽略海水声速分层带来的声线弯曲，并由于矢量水听器布放于海底附近而忽略海底反射声的影响，在深度为z_s(z_r＞＞z_s)的水下声源产生的水下声场是直达声和海表面反射声的干涉声场。

将声源位置表示为矢量r_s＝[r_s,z_s,θ_s,φ_s]，r_s为声源与参考阵元之间的水平距离，z_s为声源深度，θ_s为声源入射俯仰角，φ_s为声源入射方位角，六元锥矢量阵的坐标矢量为 x_r＝[0,0,0,d,-d,0]，y_r＝[0,-d,d,0,0,0]和z_r＝[z_r,z_r,z_r,z_r,z_r,z_r-d]，六元锥矢量阵第i(i＝1， 2，…，6)个阵元接收到声源发出声波的声压信号表示为：

其中正体j表示虚部。P_i1(r_s,t)和P_i2(r_s,t)分别表示声源到第i个阵元的直达声和海面反射声声压信号，水中声速为c时波数为k＝ω/c，ω为角频率，ρ为海水密度，s(t)是声源时域信号，η是海面反射系数，对于平整海面有η≈-1，

和

是直达声和海面反射声声程，即

R_si为声源到第i个阵元的直达声和海面反射声的平均声程，

sinθ_si＝z_r/R_si，θ_si为声源到第i个阵元的直达声和海面反射声的加权平均俯仰角，

和

分别为声源到第i个阵元的直达声俯仰角和海面反射声俯仰角，有

φ_si为声源到第i个阵元的方位角，

第i个矢量水听器接收到的水平x方向和y方向，以及垂直z方向的质点振速信号分别表示为：

进一步的，在步骤二中，具体的，计算六元锥矢量阵第i个阵元x和y方向的平均复声强分别为：

其中，^-表示取时间平均。

根据y方向和x方向的平均复声强的比值来确定水平方位角

则六元锥矢量阵的6×1维方位角矢量

估计结果为：

其中^*表示复共轭算子，^T表示转置，tg^-1表示反正切运算。

进一步的，在步骤三中，具体的，对于第i个阵元，由于

则指向

方向的合成水平振速V_i ^r(r_s,t)表示为：

进一步的，在步骤四中，具体的，计算六元锥矢量阵第i个阵元，合成水平平均复声强和垂直平均复声强分别为：

根据

和

的比值来确定俯仰角

有：

则六元锥矢量阵的6×1维方位角矢量

估计结果为：

进一步的，在步骤五中，具体的，利用式(1)式中的声压信号近似形式，可得到六元锥矢量阵第i个阵元的声压平均复声强为：

上式表明，每个阵元数据的声强谱具有与声源深度z_s、波数k和俯仰角θ_si有关的周期性调制项。通过对平均复声强的高分辨谱分析来估计，获得调制周期频率

的估计结果，利用俯仰角

的估计值，以及调制频率

满足

的关系，得到每个阵元估计的声源深度值如下：

则六元锥矢量阵的6×1维深度矢量

估计结果为：

进一步的，在步骤六中，具体的，由计算

均值得到平均俯仰角

计算

均值得到平均俯仰角z_b，进一步得到声源距离该阵列的参考距离r_c为：

进一步的，在步骤七中，具体的，由

得到平均俯仰角

得到声源距离该阵列的参考距离r_c为：在r_c附近声源可能出现的[r_min,r_max]范围内，设置合适的扫描步长，则共有J个扫描距离，在扫描距离r_j(j＝1，2，…，J)处，直达声和反射声声程矢量分别为：

在扫描距离r_j处，根据直角坐标系下三角函数关系

和

分别为扫描点r_j处的直达声俯仰角矢量和反射声俯仰角矢量，有：

6×2维的方位导向矩阵W表示为：

6×2维距离导向矩阵A_j表示为：

6×1维联合导向矢量D_j表示为：

其中sin^-1表示反正弦运算，⊙表示矢量对应元素点乘运算。(⊙这个符号有的word打开不显示)

对联合导向矢量D_j进行模矢量归一化后得到：

其中|| ||₂表示模2运算。

进一步的，在步骤八中，具体的，由各个阵元声压数据构成6×L维六元阵声压矩阵P_p，L为信号快拍数。由三维振速数据构成6×L维六元阵联合振速矩阵V_c。第i个阵元对应的联合振速V_i ^c(r_s,t)表示为：

由R_cov＝(P_p+V_c)V_c ^H/L运算得到6×6维声压振速互协方差矩阵，其中^H表示共轭转置运算符，利用最小方差无畸变响应处理器获得稳健空间谱估计值P(r_j)，

其中I₆为对角线元素为1，其他元素均为0的6×6矩阵，ε为约束参数，一般根据噪声干扰水平选取。

进一步的，在步骤九中，具体的，对全部J个扫描距离进行如(25)式的估计，得到 J×1维空间谱矢量P_J，对P_J最大值取归一化，有：

P_J＝P_J/max(P_J) (26)

空间谱最大值所在距离确定为声源距离的估计结果。

下面提供本发明的一具体实施例：

实例参数设置如下：海水深度为1km，六元锥矢量阵布放于距离海底附近，阵元间距 10m。声源频率为200Hz，采样率为6.4kHz，水中声速1480m/s。声源位于水下深度5m处，与水听器的水平方位角为40度，水平距离为5km。在谱级信噪比为5dB条件下，利用本专利方法依次得到6个阵元的估计结果(如图3所示)，并依据以上估计值在水平距离1km 到10km范围内，进行扫描，得到归一化空间谱(如图4所示)。得到的方位角估计结果平均值为38.4度，俯仰角估计结果平均值为9.3度，声源深度估计结果平均值为4.7m，在获得以上估计结果的基础上，进行空间降维距离扫描，距离扫描方位为1km～20km，最终由曲线最大值所在的位置确定声源水平距离估计结果为4.8km。以上估计结果综合了模型选取误差和噪声影响，在较小的系统规模下得到了较为可靠置信的定位结果。

根据图中的估计结果可知，该阵列可较高精度的获得对方位角、俯仰角、声源深度和声源水平距离的综合定位结果，保证了信息的完备性，并且阵列构成较为简单，将以往基于匹配场空间深度—距离的二维联合扫描，转化为在方位角-俯仰角-深度信息估计结果之后，对距离方向上的一维扫描，大大的简化了扫描维度和运算量。

本发明提出了一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，该方法利用最小规模立体阵—六元锥矢量阵，既具有全空域定位能力，又具有优于线列阵和平面阵的定位精度，同时还保留立体阵的空域分维特性优势，具有良好的对称性和平稳性。本专利通过对与声场结构有关的平均复声强信息解算，可逐步获得关于声源的方位角、俯仰角、深度有关的估计信息，并利用该估计信息对最终的空间扫描进行降维处理，将一般的声场二维扫描，简化为水平距离一维扫描，大大减小了空间扫描的计算量，提高了定位速度。该方法可获得关于声源的方位角、俯仰角、深度以及水平距离的完备信息，且使用阵型为最小规模立体阵，在水下布放和安装较为容易，具有很高的应用价值。

Claims (10)

1.一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：

步骤一、利用六元锥矢量阵接收水中目标发出的声信号，生成声压和振速数据；

步骤二、由六元锥矢量阵各阵元的x和y方向的平均复声强得到6×1维方位角矢量

步骤三、利用方位角矢量

得到六元锥矢量阵合成水平振速

步骤四、由六元锥矢量阵各阵元的垂直z方向平均复声强与合成水平平均复声强获得6×1维俯仰角矢量

步骤五、对声压平均复声强进行高分辨谱估计获得调制频率

并利用调制关系获得6×1维声源深度矢量

步骤六、由平均俯仰角，确定声源距离该阵列的参考距离为r_c；

步骤七、在r_c附近感兴趣的声源水平距离范围内进行扫描，利用已得到的俯仰角矢量、方位角矢量和深度矢量，对匹配声场进行降维，在一维空间不同扫描距离r_j处生成联合导向矢量D_j；

步骤八、在r_j处利用联合导向矢量D_j，对声压协方差矩阵利用最小方差无畸变响应处理器获得稳健空间谱估计值P(r_j)；

步骤九、对全部扫描距离进行空间谱估计，由空间谱矢量P_J的最大值所在距离来确定声源距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，在步骤一中，具体的，海水深度为H，六元锥矢量阵中心阵元的布放深度为z_r≈H，阵元间距为d，设置六元锥矢量阵中心阵元为参考阵元，忽略海水声速分层带来的声线弯曲，并由于矢量水听器布放于海底附近而忽略海底反射声的影响，在深度为z_s(z_r＞＞z_s)的水下声源产生的水下声场是直达声和海表面反射声的干涉声场，

将声源位置表示为矢量r_s＝[r_s,z_s,θ_s,φ_s]，r_s为声源与参考阵元之间的水平距离，z_s为声源深度，θ_s为声源入射俯仰角，φ_s为声源入射方位角，六元锥矢量阵的坐标矢量为x_r＝[0,0,0,d,-d,0]，y_r＝[0,-d,d,0,0,0]和z_r＝[z_r,z_r,z_r,z_r,z_r,z_r-d]，六元锥矢量阵第i(i＝1，2，…，6)个阵元接收到声源发出声波的声压信号表示为：

其中正体j表示虚部，P_i1(r_s,t)和P_i2(r_s,t)分别表示声源到第i个阵元的直达声和海面反射声声压信号，水中声速为c时波数为k＝ω/c，ω为角频率，ρ为海水密度，s(t)是声源时域信号，η是海面反射系数，

和

是直达声和海面反射声声程，即

R_si为声源到第i个阵元的直达声和海面反射声平均声程，

sinθ_si＝z_r/R_si，θ_si为声源到第i个阵元的直达声和海面反射声的加权平均俯仰角，

和

分别为声源到第i个阵元的直达声俯仰角和海面反射声俯仰角，有

φ_si为声源到第i个阵元的方位角，

第i个矢量水听器接收到的水平x方向和y方向，以及垂直z方向的质点振速信号分别表示为：

3.根据权利要求1所述的一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，在步骤二中，具体的，计算六元锥矢量阵第i个阵元x和y方向的平均复声强分别为：

其中，^-表示取时间平均，

根据y方向和x方向的平均复声强的比值来确定水平方位角

则六元锥矢量阵的6×1维方位角矢量

估计结果为：

其中^*表示复共轭算子，^T表示转置，tg^-1表示反正切运算。

4.根据权利要求1所述的一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，在步骤三中，具体的，对于第i个阵元，由于

则指向

方向的合成水平振速

表示为：

5.根据权利要求1所述的一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，在步骤四中，具体的，计算六元锥矢量阵第i个阵元，合成水平平均复声强和垂直平均复声强分别为：

根据

和

的比值来确定俯仰角

有：

则六元锥矢量阵的6×1维方位角矢量

估计结果为：

6.根据权利要求1所述的一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，在步骤五中，具体的，利用式(1)式中的声压信号近似形式，得到六元锥矢量阵第i个阵元的声压平均复声强为：

上式表明，每个阵元数据的声强谱具有与声源深度z_s、波数k和俯仰角θ_si有关的周期性调制项，通过对平均复声强的高分辨谱分析来估计，获得调制周期频率

的估计结果，利用俯仰角

的估计值，以及调制频率

满足

的关系，得到每个阵元估计的声源深度值如下：

则六元锥矢量阵的6×1维深度矢量

估计结果为：

7.根据权利要求1所述的一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，在步骤六中，具体的，由计算

均值得到平均俯仰角

计算

均值得到平均俯仰角z_b，进一步得到声源距离该阵列的参考距离r_c为：

8.根据权利要求1所述的一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，在步骤七中，具体的，在r_c附近声源出现的[r_min,r_max]范围内，设置合适的扫描步长，则共有J个扫描距离，在扫描距离r_j(j＝1，2，…，J)处，直达声和反射声声程矢量分别为：

在扫描距离r_j处，根据直角坐标系下三角函数关系

和

分别为扫描点r_j处的直达声俯仰角矢量和反射声俯仰角矢量，有：

6×2维的方位导向矩阵W表示为：

6×2维距离导向矩阵A_j表示为：

6×1维联合导向矢量D_j表示为：

其中sin^-1表示反正弦运算，⊙表示矢量对应元素点乘运算，

对联合导向矢量D_j进行模矢量归一化后得到：

其中|| ||₂表示模2运算。

9.根据权利要求1所述的一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，在步骤八中，具体的，由各个阵元声压数据构成6×L维六元阵声压矩阵P_p，L为信号快拍数，由三维振速数据构成6×L维六元阵联合振速矩阵V_c，第i个阵元对应的联合振速

表示为：

由

运算得到6×6维声压振速互协方差矩阵，其中^H表示共轭转置运算符，利用最小方差无畸变响应处理器获得稳健空间谱估计值P(r_j)，

其中I₆为对角线元素为1，其他元素均为0的6×6矩阵，ε为约束参数，根据噪声干扰水平选取。

10.根据权利要求1所述的一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，在步骤九中，具体的，对全部J个扫描距离进行如(25)式的估计，得到J×1维空间谱矢量P_J，对P_J最大值取归一化，有：

P_J＝P_J/max(P_J) (26)

空间谱最大值所在距离确定为声源距离的估计结果。

Images