CN112649789A

CN112649789A - 基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术

Info

Publication number: CN112649789A
Application number: CN202011417801.XA
Authority: CN
Inventors: 黄逸凡; 郑江龙
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2020-12-07
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2021-04-13

Abstract

本发明属于水声定位技术领域，涉及一种基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术。本发明采用高功率低频宽带脉冲声源作为海底信标，海底信标系统和水下平台上的接收系统进行时钟同步，每个信源发射具有不同主频特征的信号，水下平台通过测量多个信源信号的单程传播时间，并基于球面定位方程和最小二乘法来解算自身的位置。本发明采用高功率低频宽带脉冲声源作为海底信标，并组成基阵用于水下平台的远程定位，具有主频更低(低于1kHz)的特点，相同源级下能传播更远的距离；脉冲窄(半峰宽＜1ms)，多途分离明显，有利于深远海远程(≥100km)定位。

Description

基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术

技术领域

本发明属于水声定位技术领域，涉及一种基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术。

背景技术

水声定位导航技术是一种以基线的方式激励，通过测量声波传播的时间、相位、频率等信息实现定位与导航的技术。由于声波是迄今为止人类发现的水下唯一有效的信息载体，水声定位技术是目前水下目标定位与跟踪的主要手段。水声定位按基线长度可以分为长基线、短基线和超短基线。长基线阵的基元空间分布较广，探测范围较广且定位精度较高，同时不会产生误差累积，因此具有长时间的稳定性。

但是，长基线定位系统不利于深远海水下远程目标的定位工作，主要原因包括：(1)采用询问/应答的模式，需要测量水下平台上问答机与应答器之间的双程旅行时间，大大制约了信号的传输效率；(2)用于定位的询问和应答信号通常为频率较高的CW波或调制波(一般在10kHz以上，调制波也有低于10kHz的频率成分)，在海水中传播存在较严重的吸收衰减问题，不利于远距离传播。以上两种因素共同限制了现有长基线系统的作用距离。

发明内容

本发明提出一种基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术，以电火花等可控爆炸声源或者电磁脉冲声源组成定位基线，利用此类声源源级高(≥210dB)而信噪比高、主频低(≤1kHz)而传播距离远、脉冲窄(≤1ms)而声线跟踪精确等优势，突破常规长基线定位距离限制，实现水下远程(≥100km)定位。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1：对海底声源信标系统和水下平台接收处理系统进行时间同步；

步骤2：在海底布放若干海底声源信标系统，并对各个海底声源信标系统进行精确定位；海底声源信标系统发射声脉冲作为信源信号；

步骤3：水下平台接收处理系统在作业过程中持续地采集信源信号，对采集的信源信号进行匹配处理和时频分析，水下平台接收处理系统的处理单元按照设定的门限值检测信号并根据主频特征判别信源信号所对应的海底声源信标系统，结合水下平台接收处理系统的时间、主频特征、信号幅值或能量计算各个信源信号的传播时间。

步骤4：在检测到多个信源信号后，解算水下平台的位置。

进一步地，步骤2中，所述海底声源信标系统利用高功率/低频/宽带/脉冲声源作为海底信标。

进一步地，步骤2中，海底声源信标系统包括声源发射器，声源发射器发射声脉冲作为信源信号。

进一步地，步骤2中，所述声源发射器发射低频/宽带/窄脉冲声波作为信源信号。

进一步地，步骤2中，海底声源信标系统的定位可通过在海面若干个已知位置点接收信源信号，并利用球面定位方程组来解算海底信标的位置信息。

进一步地，步骤2中，声源发射器发射的声源为以电火花等可控爆炸声源或者电磁脉冲声源。利用此类声源源级高(≥210dB)而信噪比高、主频低(≤1kHz)而传播距离远、脉冲窄(≤1ms)而声线跟踪精确等优势，突破常规长基线定位距离限制，实现水下远程(≥100km)定位。

进一步地，步骤2中，海底声源信标系统是按照设定的时间规则发射声脉冲作为信源信号。

进一步地，步骤3中，对采集信号进行匹配处理和时频分析时，是采用单通道采集、多通道并行处理的方式。

进一步地，步骤3中，结合系统时间、主频特征、信号幅值或能量计算各个信源信号的传播时间，根据发射声脉冲的时间规则对接收信号进行分割，在分割的时间序列中检测并分析信号。

本发明的优点：

本发明采用高功率低频宽带脉冲声源作为海底信标，并组成基阵用于水下平台的远程定位，相比传统的长基线定位系统所采用CW波或调制波，低频宽带脉冲信号具有主频更低(低于1kHz)的特点，相同源级下能传播更远的距离；脉冲窄(半峰宽＜1ms)，多途分离明显，有利于深远海远程(≥100km)定位。

附图说明

图1为本发明仿真水域示意图；

图2为本发明仿真模型的定位误差。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

常规水声长基线定位系统工作频段高(≥10kHz)，吸收衰减快，作用距离不超过10km，因此无法实现水下远程定位。本发明提出以电火花等可控爆炸声源或者电磁脉冲声源组成定位基线，利用此类声源源级高(≥210dB)而信噪比高、主频低(≤1kHz)而传播距离远、脉冲窄(≤1ms)而声线跟踪精确等优势，突破常规长基线定位距离限制，实现水下远程(≥100km)定位。本发明与常规水声长基线定位的区别见表1，本发明与检波器二次定位的区别见表2。

本发明中，采用高功率低频宽带脉冲声源作为海底信标(或海底潜标)，海底信标系统和水下平台上的接收系统进行时钟同步，每个信源发射具有不同主频特征的信号，水下平台通过测量多个信源信号的单程传播时间，并基于球面定位方程和最小二乘法来解算自身的位置。

表1

	常规长基线	本发明
			载波	水声调制信号	地震波(宽频窄脉冲)
频段	≥10kHz	≤1kHz
			基线长度	≤10km	≥100km
定位误差	＜1m	＜100m

表2

一种基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术，采用海底声源信标作为基元，水下平台通过测量多个信源信号的单程传播时间(基元位置已知)，根据几何球面交汇原理，以定位方程组中各个方程的残差平方和达到最小为原则，解算水下平台的位置信息。具体地，其包括以下步骤：

步骤4：在检测到多个信源信号后，解算水下平台的位置。

作为本发明的一个实施例，步骤2中，海底声源信标系统的定位可通过在海面若干个已知位置点接收信源信号，并利用球面定位方程组来解算海底信标的位置信息，

球面定位方程组为：

(x₁-x)²+(y₁-y)²+(z₁-z)²-c²t₁ ²＝0

(x₂-x)²+(y₂-y)²+(z₂-z)²-c²t₂ ²＝0

…

(x_i-x)²+(y_i-y)²+(z_i-z)²-c²t_i ²＝0

其中，海底信标的位置坐标为(x，y，z)；第i号已知位置接收点坐标位(x_i，y_i，z_i)；海水声速为c；海底信标声源信号到达第i号已知位置接收点的单程传播时间为t_i。基于上述方程组，将海水声速也当作未知量，可根据最小二乘法或牛顿迭代法解算海底信标的位置坐标及等效海水声速。

作为本发明的一个实施例，步骤2中，海底声源信标系统包括声源发射器，声源发射器发射低频/宽带/窄脉冲声波作为信源信号。

作为本发明的一个实施例，步骤2中，声源发射器发射的声源为以电火花等可控爆炸声源或者电磁脉冲声源。利用此类声源源级高(≥210dB)而信噪比高、主频低(≤1kHz)而传播距离远、脉冲窄(≤1ms)而声线跟踪精确等优势，突破常规长基线定位距离限制，实现水下远程(≥100km)定位。

作为本发明的一个实施例，步骤2中，海底声源信标系统是按照设定的时间规则发射声脉冲作为信源信号。

基于每个海底声源发射的声脉冲信号的主频不同，所述设定的时间规则取决于声源源级，以及基元的最大间距；假设源级为210dB，主频为1kHz，传播100km，球面扩散损失为100dB，海水吸收衰减为6dB，接收位置的信号等级为210-100-6＝104dB。这个信号等级能否检测，取决于背景噪声的强度。在多个基元同步激发的情况下，得确保不同时刻激发的信号不会相互干扰。也就是在工作水域内，确保距离最远基元的信号传播时间不超过激发的时间间隔。

作为本发明的一个实施例，步骤3中，对采集信号进行匹配处理和时频分析时，是采用单通道采集、多通道并行处理的方式，每个通道针对指定的主频带进行进行检测。

作为本发明的一个实施例，步骤3中，结合系统时间、主频特征、信号幅值或能量计算各个信源信号的传播时间，根据发射声脉冲的时间规则对接收信号进行分割，在分割的时间序列中检测并分析信号。检测信号需要设定检测阈值，这个阈值需要根据声源源级和工作水域设定。同上，假设源级为210dB，主频为1kHz，传播100km，球面扩散损失为100dB，海水吸收衰减为6dB，接收位置的信号等级为210-100-6＝104dB。

作为本发明的一个实施例，步骤4中，解算水下平台的位置具体为：

2(x_j-x₁)x+2(y_j-y₁)y+c²(t_j ²-t₁ ²)

＝(x_j ²+y_j ²+z_j ²)-(x₁ ²+y₁ ²+z₁ ²)-2(z_j-z₁)z

其中，水下平台的位置坐标为(x，y，z)；第j号已知位置接收点坐标位(x_j，y_j，z_j)；海水声速为c；第j号海底信标声源信号到达水下平台的单程传播时间为t_j。为了减小定位误差，垂直方向的信息由深度传感器测量提供，上述方程是将z视为已知量的定位方程。

实验验证：

参见图1和图2，采用模拟仿真实验，在100km×80km×4km的水域范围内，设置四个基元，基元位置参数见表3，假设声脉冲的持续时间为1.5ms，测时误差范围可控制在声脉冲持续时间内，即0～1.5ms，声速误差范围在0～2m/s，阵元位置误差范围在0～10m，目标深度为1000m，在仿真水域内，绝大部分范围的水平定位误差可控制在100m以内。可见，采用本发明提出的高功率低频宽带脉冲声源作为海底信标可以突破常规长基线的定位距离限制，实现100km水下远程定位，定位误差基本控制在100m以内。

表3基元位置参数

阵元编号	X/km	Y/km	Z/km
				1	50	0	-3.8
2	50	80	-3.9
				3	0	40	-4.0
4	100	40	-4.1

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术，其特征在于：

步骤2：在海底布放若干海底声源信标系统，并对各个海底声源信标系统进行精确定位；所述海底声源信标系统发射信源信号；

步骤3：水下平台接收处理系统采集信源信号，对采集的信源信号进行匹配处理和时频分析，水下平台接收处理系统的处理单元按照设定的门限值检测信号并根据主频特征判别信源信号所对应的海底声源信标系统，结合水下平台接收处理系统时间、主频特征、信号幅值或能量计算各个信源信号的传播时间；

步骤4：在检测到多个信源信号后，解算水下平台的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术，其特征在于：

步骤2中，所述海底声源信标系统利用高功率/低频/宽带/脉冲声源作为海底信标。

3.根据权利要求2所述的一种基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术，其特征在于：

步骤2中，海底声源信标系统的定位是通过在海面若干个已知位置点接收信源信号，并利用球面定位方程组来解算海底信标的位置信息。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术，其特征在于：

步骤2中，海底声源信标系统包括声源发射器，声源发射器发射信源信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术，其特征在于：

步骤2中，所述信源信号为低频/宽带/窄脉冲声波。

6.根据权利要求4所述的一种基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术，其特征在于：

步骤2中，声源发射器发射的声源为以电火花等可控爆炸声源或者电磁脉冲声源。

7.根据权利要求5所述的一种基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术，其特征在于：

步骤2中，海底声源信标系统是按照设定的时间规则发射信源信号。

8.根据权利要求7所述的一种基于高功率低频宽带脉冲声源的水下远程定位技术，其特征在于：

步骤3中，对采集信号进行匹配处理和时频分析时，是采用单通道采集、多通道并行处理的方式。