CN112782704A - 一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水声被动定位领域，尤其涉及一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法。首先建立基于声速变化的多基站TDOA定位解算模型；其次，分析不同基站布设条件下深海直达波和海底一次反射波的作用距离和多基站可解算区域声波覆盖面积；最后，利用蒙特卡洛数值模拟方法分析不同声传播方式下多基站定位精度分布情况。本发明不仅能提高深海环境下声传播特性的认识，而且为海上声源测量系统的合理选取基阵构型与精度评定等问题提供有效参考。
Description
技术领域
本发明属于水声被动定位领域，尤其涉及一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法。
背景技术
利用击水声信号对高速目标入水位置测量属于水声被动定位的一种，在海洋工程中有着广泛的应用，但现有应用领域主要针对中小型目标的浅海定位，对于在深远海较大范围海域开展高速大型运动目标定位试验，待测目标、海洋环境以及水声信道等都有较大的不同，在深海中不同的到达声路径(如直达波、海底反射波、海底-海面反射波等)可以带来更丰富的信息，在深海汇聚区条件下利用信噪比较高的直达波和海底一次反射波可为这种高速入水的海面声源位置解算提供有效信息，因此，在海面声源定位测量系统设计时需要考虑深海汇聚区条件下直达波和海底一次反射波覆盖特性及其定位精度分布情况。
目前国内外学者在匹配场定位、基于多途到达结构定位和基于频域干涉条纹定位等方面均取得了一定研究成果。但针对深海大范围测量区域高速运动目标随机入水位置测量问题，采用多基站交会定位仍是比较合理的方案。利用多个基站组成的基阵进行交会测量，通常采用纯方位(bearings-only,BO)交会定位或时延差(time difference ofarrival,TDOA)定位。方位交会体制适用于大范围海域的快速实时定位，但随着海上测量范围增加，方位交会体制就会随着距离的增大，误差也增大较快；而到达时间差定位体制主要是通过测量待测声源到各阵元之间的传播时间差来实现定位，仅需要各阵元之间的时间同步，特别适用于声信号的实时处理且定位精度较高。
在关于深海直达波和一次反射波传播特性及其应用方面，尽管针对非均匀声速条件下的时差定位问题已提出一些解算方法并开展了相应的海上实验，对直达波和一次反射波的传播特性进行了分析，并利用二者特性对声源方位、距离及位置等进行估计，取得了较好的效果。但以往研究大多针对浅海环境，未涉及较大的等效声速变化，深海的环境条件和声学特性的差异性决定了深海环境下的时差定位特性必然与浅海有所不同，需要开展相关机理性研究工作。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法。本发明不仅能提高深海环境下声传播特性的认识，而且为海上声源测量系统的合理选取基阵构型与精度评定等问题提供有效参考。
本发明的技术方案：
一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法，首先建立基于声速变化的多基站TDOA定位解算模型；其次，分析不同基站布设条件下深海直达波和海底一次反射波的作用距离和多基站可解算区域声波覆盖面积；最后，利用蒙特卡洛数值模拟方法分析不同声传播方式下多基站定位精度分布情况；具体如下：
一、建立基于声速变化的多基站TDOA定位解算模型
假定目标辐射噪声的声源级为SL，经过距离为r的传播衰减后，在到达接收基阵时，信号的声级变为SL-TL，此外，背景噪声级NL也作用于接收传感器，于是目标声信号到达接收传感器的信噪比SNR可按声纳方程计算
DT＝SL-TL-(NL-DI) (1)
式中，各项均以谱级(单位：dB@1kHz)定义，DT为检测阈；TL为传播损失，与海洋环境条件、声信道及接收深度等有关；NL为海洋环境噪声或者有海洋噪声和舰艇自噪声构成；DI为接收指向性指数。
对于某一接收基站，当接收声信号的信噪比SNR大于检测阈DT时，可检测到目标声信号并得出到达时间的估值(含有一定误差)，最终获取各基站的到达时间信息，然后利用TDOA算法解算落点位置。
设Ti为待测目标到达各基站的时间测量值，Ti 0为初始位置至各基站到达时延，X0＝(x0,y0,z0)T为待测点附近选取的某一初始位置，Ri为待测目标至各基站距离，
为等效声速。利用泰勒级数展开法得到待测目标到达各基站到达时延差为
式(2)可进一步改写成如下形式：
ΔT＝BΔX (3)
其中，
由最小二乘原理可得
ΔX＝(BTB)-1BTΔT (4)
为保证计算精度，需进行多次迭代，在每一次递归中，对初始位置进行重新赋值，即令
当
(设门限ε为一小正数)时，迭代停止，此时
即为待测点最终估值。
在上述模型解算过程中，需要对声速进行修正，这是因为深海中声传播路径与浅海有显著差别，当测量区域较大时，声线弯曲明显，声速修正不可忽略。在声速剖面已知的条件下(数据可通过现场测量获得)，对于从声源到各接收基站的直达本征声线，其传播时延可利用射线模型计算。
可将声信号沿直达本征声线(非常定声速梯度条件下通常为不规则曲线)传播等效为以某一等效声速沿从待测目标到基站的直线传播，两者经历时延相等，则该等效声速可表示为：
由于待测目标位置X与初始位置X0之间的距离远小于与基站位置Xi之间的斜距，可由X0到Xi的等效声速
近似表示X到Xi的等效声速
再结合多组不同基站获取的到达时间估计目标位置。在每次迭代过程中，
需随X0的更新而重新求解，当X0趋近于
时，经过不断修正的
趋近于
得到的目标位置估计值也趋近于真实值。
二、解算区域声波覆盖面积，分析定位精度分布情况
采用BELLHOP高斯束射线模型计算传播损失场，然后计算传感器位于不同深度时直达波和一次反射波信噪比曲线，根据接收传感器检测阈利用式(1)计算深海汇聚区条件下直达波和海底一次反射波有效作用距离，在此基础上估算在不同基站布设方式下利用直达波和海底一次反射波定位时可解算区域覆盖区域面积。
根据直达波和一次反射波的有效作用距离提取定位信息，在TDOA定位解算模型的基础上，利用蒙特卡洛数值模拟算法分析不同布站条件下的测量区域精度特性。
具体步骤如下：
(1)假设高速目标入水点的真实坐标值为X＝(x,y,z)T，在理论值附近选取迭代初值，即分别以x,y,z为均值，方差为
的正态分布
随机生成迭代坐标初值X0＝(x0,y0,z0)T，设n个接收基站的真实坐标值为Xi＝(xi,yi,zi)T，已知基站站址误差
分别按
生成基站坐标测量值为
(2)根据声源及接收基站的真实位置，利用射线模型求出声信号沿直达本征声线真实传播时间Ti，并按
迭加到达时延估计误差得到到达时间的测量值Tmi，其中
为总时延差误差，
为时延估计误差，στ1为声速起伏引起的时延误差，στ1＝(στc/c)τ，στc为声速起伏误差，c为等效声速；
(3)根据到达时间测量值，计算时延差ΔTi1＝Tmi-Tm1，然后根据X0、
得到初始位置到各基站的距离为
计算声信号沿直达本征声线传播时间Ti 0，得到等效声速
进一步得到初始时延差
(4)由声源初始位置X0、基站坐标
等效声速
初始位置到各基站距离
按式(3)计算得到系数矩阵B，由测量时延差ΔTi1和初始时延差
得到观测向量ΔT；
(5)由公式(4)、(5)计算得出第一次迭代后的目标位置
用
替换X0，重复上述迭代过程，当
时，停止迭代，此时
即为目标位置最终解；
(6)根据蒙特卡洛数值方法，将步骤(1)～(5)重复抽样试验若干次，通常抽样次数越多，精度越高，但同时增加了计算量。在本发明中，设置重复采样数大于200次，并对所有测量结果按照正态分布进行统计分析，即可得到X轴方向定位误差σX、Y轴方向定位误差σX及总位置误差
本发明的技术方案主要集中在以下三个方面：
(1)本发明使用Taylor级数展开法建立了基于声速变化的多基站TDOA定位解算模型。在算法每一次迭代递归中，对初始位置进行重新赋值，同时不断修正等效声速值，直至目标位置估计值趋近于真实值；
(2)本发明中分析了深海汇聚区条件下直达波和海底一次反射波传播特性。利用BELLHOP高斯束射线模型计算传播损失场，然后得到传感器位于不同深度时直达波和一次反射波信噪比曲线，根据接收传感器检测阈利用声纳方程计算深海汇聚区条件下直达波和海底一次反射波有效作用距离，然后估算在不同基站布设方式下，利用直达波和海底一次反射波定位覆盖区域面积；
(3)本发明采用了蒙特卡洛数值模拟方法通过大子样抽样将呈正态分布的随机误差带入定位测量模型，研究不同布站条件下利用直达波和海底一次反射波进行定位时，测量区域内高速目标入水位置测量精度特性分布情况。
本发明的有益效果：
本发明建立了基于声速变化的多基站TDOA被动定位模型，较以往常声速定位模型更加科学合理。通过计算直达波和海底一次反射波的作用距离，能够定性分析声波覆盖特性，定量估算多基站布设条件下声波覆盖面积，同时可分析高速运动目标入水位置在多基站条件下的测量精度分布情况。本发明成果能够提高深海海域海洋声信道的利用能力，为海上声源测量系统的论证设计、定位精度评定和基站优化布设等问题提供理论依据。
附图说明
图1是本发明的基本步骤流程图；
图2(a)和图2(b)分别是冬季气候态声速剖面及声传播损失场示意图；
图3(a)和图3(b)分别是不同接收深度的直达波和一次反射波的信噪比曲线示意图；
图4(a)～图4(f)分别是不同基站布设时声波覆盖区域分布示意图。其中，不同颜色灰度表示利用不同基站数定位区域，图中最外侧是三个基站定位区域，由外向内定位基站数目逐渐增加；图4(a)和图4(b)分别是四基站直达波和四基站海底一次反射波覆盖区域分布示意图，图4(c)和图4(d)分别是五基站直达波和五基站海底一次反射波覆盖区域分布示意图，图4(e)和图4(f)分别是六基站直达波和六基站海底一次反射波覆盖区域分布示意图；
图5(a)～图5(f)分别是不同基站不同传播方式定位精度分布情况示意图，其中，图5(a)和图5(b)分别是四基站直达波和四基站海底一次反射波定位精度分布示意图，图5(c)和图5(d)分别是五基站直达波和五基站海底一次反射波定位精度分布示意图，图5(e)和图5(f)分别是六基站直达波和六基站海底一次反射波定位精度分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明的基本步骤如图1所示。
假设测量区域范围为20km×20km，高速目标入水随机且可利用声信号获取其二维坐标位置。在实际测量过程用无人艇布设分布式测量基站，往海面下吊放声学传感器，利用获取的观测量即时延差(两组以上)对海面随机入水目标进行定位。将基站布设在海面下500m左右，所选测量海域水深约5500m，海底地形平坦，采用BELLHOP高斯束射线模型计算声场。其中，垂向范围海面至海底5500m，海底底质参数根据Hamilton地声学经验参数表设置。以所选海域冬季声场条件为例进行研究，数据主要来源于Argo声速剖面数据集和WOA09数据集。在定位精度分析时，各误差设置如下：水平方向站址误差为6m，垂直方向站址误差为1m，声速起伏误差为3.1m/s，时延估计误差约为1ms。图2(a)和图2(b)分别为该海域冬季气候态声速剖面及声传播损失场，图3(a)和图3(b)分别为不同接收深度直达波和一次反射波的信噪比曲线，图4(a)～图4(f)分别为不同基站布设时声波覆盖区域分布，图5(a)～图5(f)为不同基站分布时利用直达波和一次反射波定位精度分布情况。表1为不同接收深度条件下声信号作用距离，表2为直达波和海底一次反射波覆盖特性统计，表3为采用不同传播方式下海面声源定位精度统计情况。
由图3(a)～图3(b)、图4(a)～图4(f)、图5(a)～图5(f)和表1～表3可以看出：1)当接收传感器位于海洋中层时，随着传播距离的增加，直达波信号由于信噪比急速下降，抑制了其作用距离，往往无法覆盖整个测量海域，此时需要使用海底一次反射波进行定位；2)根据深海直达波和海底一次反射波作用距离，可得到采用不同基站数定位时可解算区域分布范围，同时可以估算不同布设条件下多个基站覆盖面积；3)随着基站数目的增加，利用直达波和一次反射波定位精度均得到显著提高，在本实施例的工况条件下，四基站布设时，采用直达波定位精度优于60m的区域约占62.4％，而五基站和六基站时接近100％；采用海底一次反射波定位时，测量区域精度基本优于100m，但在测量区域中心基站附近由于等效声速偏小存在精度跃变情况。
表1不同接收深度条件下声信号作用距离
表2直达波和海底一次反射波覆盖特性统计
表3声源定位精度统计/％
Claims (1)
1.一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法，其特征在于，首先建立基于声速变化的多基站TDOA定位解算模型；其次，分析不同基站布设条件下深海直达波和海底一次反射波的作用距离和多基站可解算区域声波覆盖面积；最后，利用蒙特卡洛数值模拟方法分析不同声传播方式下多基站定位精度分布情况；具体如下：
一、建立基于声速变化的多基站TDOA定位解算模型
假定目标辐射噪声的声源级为SL，经过距离为r的传播衰减后，在到达接收基阵时，信号的声级变为SL-TL，此外，背景噪声级NL也作用于接收传感器，于是目标声信号到达接收传感器的信噪比SNR可按声纳方程计算
DT＝SL-TL-(NL-DI) (1)
式中，各项均以谱级定义，DT为检测阈；TL为传播损失，与海洋环境条件、声信道及接收深度有关；NL为海洋环境噪声或者有海洋噪声和舰艇自噪声构成；DI为接收指向性指数；
对于某一接收基站，当接收声信号的信噪比SNR大于检测阈DT时，可检测到目标声信号并得出到达时间的估值，最终获取各基站的到达时间信息，然后利用TDOA算法解算落点位置；
设Ti为待测目标到达各基站的时间测量值，Ti 0为初始位置至各基站到达时延，X0＝(x0,y0,z0)T为待测点附近选取的某一初始位置，Ri为待测目标至各基站距离，
为等效声速；利用泰勒级数展开法得到待测目标到达各基站到达时延差为
式(2)进一步改写成如下形式：
ΔT＝BΔX (3)
其中，
由最小二乘原理得
ΔX＝(BTB)-1BTΔT (4)
为保证计算精度，需进行多次迭代，在每一次递归中，对初始位置进行重新赋值，即令
当
时，迭代停止，此时
即为待测点最终估值；
模型解算过程中，需要对声速进行修正；在声速剖面已知的条件下，对于从声源到各接收基站的直达本征声线，其传播时延可利用射线模型计算；
将声信号沿直达本征声线传播等效为以某一等效声速沿从待测目标到基站的直线传播，两者经历时延相等，则等效声速表示为：
由于待测目标位置X与初始位置X0之间的距离远小于与基站位置Xi之间的斜距，可由X0到Xi的等效声速
近似表示X到Xi的等效声速
再结合多组不同基站获取的到达时间估计目标位置；在每次迭代过程中，
需随X0的更新而重新求解，当X0趋近于
时，经过不断修正的
趋近于
得到的目标位置估计值也趋近于真实值；
二、解算区域声波覆盖面积，分析定位精度分布情况
采用BELLHOP高斯束射线模型计算传播损失场，然后计算传感器位于不同深度时直达波和一次反射波信噪比曲线，根据接收传感器检测阈利用式(1)计算深海汇聚区条件下直达波和海底一次反射波有效作用距离，在此基础上估算在不同基站布设方式下利用直达波和海底一次反射波定位时可解算区域覆盖区域面积；
根据直达波和一次反射波的有效作用距离提取定位信息，在TDOA定位解算模型的基础上，利用蒙特卡洛数值模拟算法分析不同布站条件下的测量区域精度特性；
具体步骤如下：
(1)假设高速目标入水点的真实坐标值为X＝(x,y,z)T，在理论值附近选取迭代初值，即分别以x,y,z为均值，方差为
的正态分布
随机生成迭代坐标初值X0＝(x0,y0,z0)T，设n个接收基站的真实坐标值为Xi＝(xi,yi,zi)T，已知基站站址误差
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(2)根据声源及接收基站的真实位置，利用射线模型求出声信号沿直达本征声线真实传播时间Ti，并按
迭加到达时延估计误差得到到达时间的测量值Tmi，其中
为总时延差误差，
为时延估计误差，στ1为声速起伏引起的时延误差，στ1＝(στc/c)τ，στc为声速起伏误差，c为等效声速；
(3)根据到达时间测量值，计算时延差ΔTi1＝Tmi-Tm1，然后根据X0、
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进一步得到初始时延差
(4)由声源初始位置X0、基站坐标
等效声速
初始位置到各基站距离
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(5)由公式(4)、(5)计算得出第一次迭代后的目标位置
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