CN113960530A - 一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法 - Google Patents

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CN113960530A CN202111180996.5A CN202111180996A CN113960530A CN 113960530 A CN113960530 A CN 113960530A CN 202111180996 A CN202111180996 A CN 202111180996A CN 113960530 A CN113960530 A CN 113960530A
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戚聿波
周士弘
刘昌鹏
敦劲琮
周蕾
杜淑媛
张地
曹景普
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Abstract

一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，包括：将同步垂直线列阵布放于海水中；并通过同步垂直线列阵采集目标声源辐射的宽带或窄带信号；通过方位谱估计方法获得直达波到达角和海面反射波到达角的估计值；计算目标声源位于不同假设距离和假设深度时对应的所述直达波到达角和海面反射波到达角的模板值；将目标直达波到达角和海面反射波到达角的估计值与所述对应的模板值通过代价函数进行匹配，并通过代价函数最大值获得所述目标声源的距离和深度。本发明根据直达波到达角和海面反射波到达角随目标距离和深度单调变化的特征直接实现目标定位，不需要多途到达时延或者频域干涉周期信息，既适用于宽带信号，也适用于窄带信号。

Description

一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法
技术领域
本发明涉及水声工程、海洋工程和声呐技术领域，特别涉及一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，既适用于宽带信号，也适用于窄带信号。
背景技术
声源被动定位是深海水声学研究的热点及难点问题之一。现有声源定位方法有匹配场方法、基于多途到达结构或干涉特征的定位方法。匹配场处理方法对海洋环境参数敏感，拷贝场声场计算量大，耗时长，且系统配置需为与海深可比的大孔径阵列，在深海条件下适用性差。
对于深海环境，接收信号存在明显的多途到达结构，结合多途到达角和到达时延/干涉条纹可实现声源定位。参见参考文献[1](“大深度接收时深海直达波区的复声强及声线到达角估计”，2016年发表在《物理学报》第65期16卷，文章编号为164302)，声源传播至近海底接收点的直达波与海面反射波到达角平均值随着声源距离单调递减，声源距离可以通过同步垂直线列阵或单矢量水听器的方位估计结合射线理论估计。
直达波与海面反射波的到达时延或频域干涉周期与声源到达角和声源深度相关，通过垂直阵或者矢量水听器方位谱估计获得目标到达角后，利用到达时延/频域变化周期即可估计出声源的深度。公布号为CN 109444864 A和CN 108562891 A的专利涉及利用垂直阵波束输出获得的直达波和海面反射波的到达时延或宽带变化周期的声源深度估计方法。公告号为CN 111580048 B和CN 112083404 B的专利涉及单矢量水听器的深海宽带声源深度估计方法。
上述基于多途到达时延或干涉条纹的定位方法需要声源辐射信号具有一定的带宽以获得到达时延或者频域变化周期，且要求直达波和海面反射波在一个波束内，使得单一角度的波束输出即可同时获得直达波和海面反射波。对于窄带信号，由于时间分辨率较差无法获得准确的到达时延，且窄带信号的带宽不够，也无法获得干涉条纹的频域变化周期，因此，上述定位方法不适用于窄带信号。当声源深度较深或者接收水听器布放深度较浅导致直达波和海面反射波不在一个波束角度内时，单一角度的波束输出无法同时获得直达波和海面反射波。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有深海环境下声源定位方法仅适用于宽带信号，和声源深度较深或接收水听器布放深度相对较浅，导致直达波和海面反射波到达角差异较大不在一个波束角度内，无法同时获得直达波和海面反射波和现有定位方法不能直接使用的问题，从而提出一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，其特征在于，包括：
步骤1)将同步垂直线列阵布放于海水中；并通过所述同步垂直线列阵采集目标声源辐射的宽带或窄带信号；
步骤2)通过方位谱估计方法获得直达波到达角和海面反射波到达角的估计值；
步骤3)通过基于射线理论的声场计算程序，计算所述目标声源位于不同假设距离和假设深度时对应的所述直达波到达角和海面反射波到达角的模板值；
步骤4)将所述目标直达波到达角和海面反射波到达角的估计值与所述对应的模板值通过代价函数进行匹配，并通过所述代价函数最大值获得目标声源的距离和深度，从而实现所述目标声源的定位。
作为上述方法的一种改进，所述将同步垂直线列阵布放于海水中；并通过所述同步垂直线列阵采集目标声源辐射的宽带或窄带信号的具体步骤包括：
将包含M个阵元的所述同步垂直线列阵布放于海水中，所述阵元布放深度依次为z1,...,zm,...,zM，；并通过所述同步垂直线列阵采集目标声源辐射的宽带或窄带所述时域信号pm(t)，其中，采集时长为0.1s～10s，采样率为fs，采样率取值范围为100Hz～20kHz，M为所述同步垂直线列阵的阵元个数，z1为第一个所述阵元布放深度，zm为第m个所述阵元布放深度，zM为第M个阵元布放深度，pm(t)为在t时刻第m个所述阵元采集的时域信号。
作为上述方法的一种改进，所述同步垂直线列阵布放深度为400-6000m。
作为上述方法的一种改进，所述通过方位谱估计方法获得直达波到达角和海面反射波到达角的估计值的具体步骤包括：
步骤2-1)对所述同步垂直线列阵的所有阵元接收的时域信号pm(t)进行傅里叶变换，得到第m个所述阵元在频点fl处的频谱xm(fl)，其中，l＝1,2,...,L，频点f1为方位谱估计所选用频率范围的下界，f1的范围为0Hz～3.5kHz，频点fL为方位谱估计所选用频率范围的上界，fL的范围为50Hz～4kHz；
步骤2-2)计算所述同步垂直线列阵采集的目标声源辐射时域信号在频点fl处的频谱向量x(f1)：
x(fl)＝[x1(fl),x2(fl),...,xM(fl)]T
其中，上标T表示转置算符，xM(f1)为第M个阵元在频点fl处的频谱；
步骤2-3)计算频点fl处的信号协方差矩阵Rx(f1):
Rx(fl)＝x(fl)xH(fl)
其中，上标H表示共轭转置算符；
步骤2-4)计算所述目标声源的方位谱P(θ)：
Figure BDA0003297281890000031
其中，方位角θ的角度范围为-90°～90°，每隔0.001°至0.1°取一个值；
Figure BDA0003297281890000032
其中
Figure BDA0003297281890000033
c(zr)为同步垂直线列阵中心位置的海水声速，上标T表示转置算符；
步骤2-5)记录所述方位角θ在-90°～90°范围内的所述P(θ)最大的两个峰值对应的角度
Figure BDA0003297281890000034
和
Figure BDA0003297281890000035
其中，所述
Figure BDA0003297281890000036
为所述目标声源直达波与阵列法线方向的夹角，作为所述直达波到达角的估计值；所述
Figure BDA0003297281890000037
为所述海面反射波的到达方向与阵列法线方向的夹角，作为所述海面反射波到达角的估计值。
作为上述方法的一种改进，通过基于射线理论的声场计算程序计算所述目标声源位于不同假设目标距离和假设深度时对应的所述直达波到达角和海面反射波到达角的模板值的具体步骤包括：
通过基于射线理论的声场计算程序，利用现场直接测量的海水声速剖面或者现有海洋环境数据库中在垂直线列阵布放区域的海水声速剖面历史数据，直接计算目标声源位于不同假设距离和假设深度对应的所述直达波到达角和海面反射波到达角的模板值θD(rs,zs)和θSR(rs,zs)，其中，
zs为假设声源深度，范围为1m至海深H，距离间隔为0.5m；rs为假设声源距离，范围为0至30km，距离间隔为10m，θD(rs,zs)在假设声源深度为zs、假设声源距离为rs时，与所述直达波到达角对应的模板值，θSR(rs,zs)为，在假设声源深度为zs并且假设声源距离为rs时，与所述海面反射波到达角对应的模板值。
作为上述方法的一种改进，所述基于射线理论的声场计算程序包括：BELLHOP
作为上述方法的一种改进，将所述目标直达波到达角和海面反射波到达角的估计值与所述对应的模板值通过代价函数进行匹配，并通过所述代价函数最大值获得目标声源的距离和深度，从而实现所述目标声源的定位的具体步骤包括：
步骤4-1)定义代价函数E(rs,zs)：
Figure BDA0003297281890000041
其中，zs为假设声源深度，范围为1m至海深H，距离间隔为0.5m；rs为假设声源距离，范围为0至30km，距离间隔为10m，
Figure BDA0003297281890000042
为所述直达波到达角的估计值，θD(rs,zs)为在假设声源深度为zs、假设声源距离为rs时，与所述直达波到达角对应的模板值，
Figure BDA0003297281890000043
为所述海面反射波到达角的估计值，θSR(rs,zs)为在假设声源深度为zs并且假设声源距离为rs时，与所述海面反射波到达角对应的模板值；
步骤4-2)由代价函数E(rs,zs)的最大值maxE(rs,zs)获取目标声源的估计距离
Figure BDA0003297281890000044
和估计深度
Figure BDA0003297281890000045
其中，
代价函数最大值maxE(rs,zs)对应的距离rs为目标声源的估计距离
Figure BDA0003297281890000046
代价函数最大值maxE(rs,zs)对应的深度zs为目标声源的估计深度
Figure BDA0003297281890000047
作为上述方法的一种改进，所述的海深H范围为400-6000m；
作为上述方法的一种改进，所述方位谱估计方法包括：波束形成方位谱估计方法。本发明的优点在于，通过方位谱估计方法得到宽带或窄带信号在同步垂直线列阵上的直达波和海面反射波到达角信息，并利用基于射线理论的声场计算程序获得任意假设目标距离和深度条件下直达波和海面反射波到达角的模板值，将目标声源直达波和海面反射波到达角估计值与模板值进行匹配，可直接获得目标声源的距离和深度。现有深海声源被动定位方法一般需要利用深海多途之间的到达时延或干涉条纹的频域变化周期，要求声源辐射信号具有一定的带宽。对于窄带信号，由于时间分辨率较差无法获得准确的到达时延，且窄带信号的带宽不够，也无法获得干涉条纹的频域变化周期，因此，已有定位方法一般不适用于窄带信号。本发明根据直达波到达角和海面反射波到达角与目标距离和深度的单调变化关系，由步骤4-1)通过方位谱估计获得的直达波到达角和海面反射波到达角估计值与不同假设声源距离和深度下的直达波到达角和海面反射波到达角模板值匹配比较来直接实现目标定位，不需要直达波与海面反射波的到达时延或者频域变化周期信息，因此对信号的带宽没有要求。本方法既适用于宽带信号，也适用于窄带信号。并且由于无需获得声场的多途到达时延或频域变化周期进行匹配，简化了定位流程，大幅减小了计算量。
附图说明
图1是深海环境下直达波和海面反射波多途传播路径示意图。
图2是一次海上实验中实测的海水声速剖面。
图3(a)是本发明方法实施例1中海上实验布放的同步垂直线列阵各阵元接收的200m信号弹波形；
图3(b)是本发明方法实施例1中海上实验布放的同步垂直线列阵各阵元接收的200m信号弹宽带波束形成获得的声源方位谱；
图4(a)是本发明方法实施例1中海上实验布放的同步垂直线列阵各阵元接收的300m信号弹波形；
图4(b)是本发明方法实施例1中海上实验布放的同步垂直线列阵各阵元接收的300m信号弹窄带波束形成获得的声源方位谱；
图5(a)是本发明方法实施例1中由基于射线理论的声场计算程序BELLHOP计算得到的不同假设声源深度和距离下的直达波到达角模板值的等值线；
图5(b)是本发明方法实施例1中由基于射线理论的声场计算程序BELLHOP计算得到的不同假设声源深度和距离下的海面反射波到达角模板值的等值线；
图6是本发明方法200m信号弹定位结果。
图7是本发明方法300m信号弹定位结果。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
本发明提出的一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，系统配置为同步垂直线列阵。本发明首先将接收阵列布放在海水中，用于接收目标声源辐射的宽带或窄带信号，利用方位谱估计方法获得声源的直达波到达角和海面反射波到达角的估计值；根据海水声速剖面利用基于射线理论的声场计算程序BELLHOP计算不同距离和深度下的直达波到达角和海面反射波到达角的模板值；将直达波和海面反射波到达角估计值与模板值比较，代价函数最大值对应的距离和深度为目标声源位置的估计值。本发明从深海声场传播角度，主要是利用了直达波到达角和海面反射波到达角随着声源距离和深度单调变化的特点，通过两种波的到达角即可直接交叉定位出目标的距离和深度。
实施例1
如图1所示的深海环境下直达波和海面反射波多途传播路径示意图，接收信号中直达波和海面反射波能量最强，到达角度为正值。
如图2所示的实验海域的实测声速剖面，在海表面存在近25m的等温层。接收阵为16元同步垂直线列阵，布放于近海底附近，阵元间距为7.5m，最下面阵元距离海底59.3m，同步垂直线列阵阵元中心深度为1391.75m。同步垂直线列阵布放深度为400-6000m，本实施例中，同步垂直线列阵布放处海深为1507.3m，海底基本平坦。目标声源为实验船只投掷的标称爆炸深度为200m和300m的信号弹。16元同步垂直线列阵接收到声源信号后，通过傅里叶变换、窄带或宽带方位谱估计、计算不同假设声源距离和深度下的直达波和海面反射波到达角模板值，将直达波和海面反射波到达角估计值与模板值比较，实现目标声源被动定位，其过程分为以下步骤：
步骤1：将包含M个阵元的同步垂直线列阵布放于海水中，所述阵元布放深度依次为z1,...,zm,...,zM，；并通过所述同步垂直线列阵采集目标声源辐射的宽带或窄带所述时域信号pm(t)，其中，采集时长为0.1s～10s，采样率为fs，采样率取值范围为100Hz～20kHz，M为所述同步垂直线列阵的阵元个数，z1为第一个所述阵元布放深度，zm为第m个所述阵元布放深度，zM为第M个阵元布放深度，pm(t)为在t时刻第m个所述阵元采集的时域信号。本实施例中，16元同步垂直线列阵布放于海水中，见图1，用于采集目标声源辐射的声压信号pm(t)，采集长度为0.1s～10s的数据，采样率为fs，取值范围为100Hz～20kHz；本实施例中，信号采集长度为1s，垂直阵采样率为16kHz，16元垂直阵接收的200m和300m信号弹波形分别如图3(a)和图4(a)所示。
步骤2：通过方位谱估计方法获得直达波的到达角和海面反射波的到达角的估计值，其中，本实施例中，采用波束形成方位普估计方法，步骤2的具体过程包括：
步骤2-1)对同步垂直线列阵的所有阵元接收的所述时域信号进行傅里叶变换，得到第m个阵元在频点fl处的频谱xm(fl)，其中，l＝1,2,...,L，频点f1为方位谱估计所选用频率范围的下界，f1的范围为0Hz～3.5kHz，频点fL为方位谱估计所选用频率范围的上界，fL的范围为50Hz～4kHz；
步骤2-2)计算同步垂直线列阵采集的目标声源辐射时域信号在频点fl处的频谱向量x(f1)：
x(fl)＝[x1(fl),x2(fl),...,xM(fl)]T
其中，上标T表示转置算符，xM(f1)为第M个阵元在频点fl处的频谱；
本实施例中，200m信号弹f1和fL分别取值为100和500Hz，300m信号弹f1和fL分别取值为100和101Hz。
步骤2-3)计算频点fl处的信号协方差矩阵Rx(f1):
Rx(fl)＝x(fl)xH(fl)
其中，上标H表示共轭转置算符；
步骤2-4)计算声源方位谱：
Figure BDA0003297281890000071
其中，方位角θ的角度范围为-90°～90°，每隔0.001°至0.1°取一个值；
Figure BDA0003297281890000072
其中
Figure BDA0003297281890000073
c(zr)为同步垂直线列阵中心位置的海水声速，上标T表示转置算符；
步骤2-5)记录方位角θ在-90°～90°范围内的P(θ)最大的两个峰值对应的方向
Figure BDA0003297281890000074
和
Figure BDA0003297281890000075
得到目标声源直达波和海面反射波的到达方向与阵列法线方向的夹角，其中，
Figure BDA0003297281890000076
为直达波到达角的估计值，
Figure BDA0003297281890000077
为海面反射波到达角的估计值；
本实施例中，声源方位谱估计的方位角θ搜索范围为-90°～90°，间隔为0.01°。200m信号弹和300m信号弹到达角估计结果如图3(b)和图4(b)所示。图3(b)和图4(b)中实线为直达波到达角估计值，虚线为海面反射波到达角估计值。200m信号弹的直达波和海面反射波到达角估计值分别为21.06°和28.0°，300m信号弹的直达波和海面反射波到达角估计值分别为19.26°和30.02°。
步骤3：通过基于射线理论的声场计算程序计算所述目标声源位于不同假设目标距离和假设深度时对应的所述直达波到达角和海面反射波到达角的模板值的具体步骤包括：
通过基于射线理论的声场计算程序，利用现场直接测量的海水声速剖面或者现有海洋环境数据库中在垂直线列阵布放区域的海水声速剖面历史数据，直接计算目标声源位于不同假设距离和假设深度对应的所述直达波到达角和海面反射波到达角的模板值θD(rs,zs)和θSR(rs,zs)，其中，
zs为假设声源深度，范围为1m至海深H，距离间隔为0.5m；rs为假设声源距离，范围为0至30km，距离间隔为10m，θD(rs,zs)在假设声源深度为zs、假设声源距离为rs时，与所述直达波到达角对应的模板值，θSR(rs,zs)为在假设声源深度为zs、假设声源距离为rs时，与所述海面反射波到达角对应的模板值。
本实施例中，采用BELLHOP作为基于射线理论的声场计算程序进行计算，并将假设声源深度zs的范围设定为1m至1507m，深度间隔设置为0.5m；将假设声源距离rs范围设定为0至30km，距离间隔设置为10m；
如图5所示，利用实测海水声速剖面由声场计算程序BELLHOP得到的不同假设声源深度和距离下的直达波和海面反射波到达角模板值的等值线，图5(a)为直达波到达角模板值的等值线，图5(b)为海面反射波到达角模板值的等值线。本实施例中，接收深度设置为同步垂直线列阵的阵元中心深度1391.75m。从图5可以看出，直达波和海面反射波到达角均随着声源距离的增大而减小。直达波到达角随着声源深度的增大而减小，而海面反射波到达角随着声源深度的增大而增大。
步骤4：将所有所述目标声源的所述直达波到达角和海面反射波的到达角的估计值与不同假设距离和深度下的模板值进行匹配比较，通过代价函数最大值确定目标声源的距离和深度，从而获得所述目标声源的定位的具体步骤包括：
本实施例利用垂直线列阵和方位谱估计方法获得的所述目标直达波到达角和海面反射波到达角估计值与声场计算程序BELLHOP计算的不同假设声源距离和假设声源深度下的直达波到达角和海面反射波到达角的模板值通过代价函数进行匹配，代价函数最大值对应的假设距离和深度即为目标声源的估计距离和深度，从而获得所述目标声源的定位。
步骤4-1)定义代价函数E(rs,zs)：
Figure BDA0003297281890000081
其中，zs为假设声源深度，范围为1m至海深H，距离间隔为0.5m；rs为假设声源距离，范围为0至30km，距离间隔为10m，，
Figure BDA0003297281890000082
为所述直达波到达角的估计值，θD(rs,zs)为在假设声源深度为zs、假设声源距离为rs时，与所述直达波到达角对应的模板值，
Figure BDA0003297281890000083
为所述海面反射波到达角的估计值，θSR(rs,zs)为在假设声源深度为zs、假设声源距离为rs时，与所述海面反射波到达角对应的模板值；
步骤4-2)由代价函数E(rs,zs)的最大值maxE(rs,zs)获取目标声源的估计距离
Figure BDA0003297281890000084
和估计深度
Figure BDA0003297281890000085
其中，
代价函数最大值maxE(rs,zs)对应的距离rs为目标声源的估计距离
Figure BDA0003297281890000086
代价函数最大值maxE(rs,zs)对应的深度zs为目标声源的估计深度
Figure BDA0003297281890000087
如图6所示的200m弹在不同假设距离和深度下的代价函数，可以看出，在直达波到达角和海面反射波到达角估计值等值线附近代价函数数值大，两者交叉位置代价函数达到最大值。代价函数最大值对应的距离和深度分别为3.13km和209.5m。投弹期间，投弹坐标由全球定位系统(GPS)记录，由该坐标计算的该信号弹实际距离为3.32km，因此，200m信号弹的距离和深度估计相对误差分别为5.7％和4.8％。如图7所示的300m弹在不同假设距离和深度下的代价函数，代价函数最大值对应的距离和深度分别为3.09km和328.7m，实际投弹距离为3.33km，因此，300m信号弹的距离和深度估计相对误差分别为7.2％和9.6％。由以上结果可以看出，本发明所提出的方法对于宽带信号和窄带信号均能较好的实现声源定位，距离和深度估计误差均在10％以内。
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明通过方位谱估计方法得到宽带或窄带信号在同步垂直线列阵上的直达波和海面反射波到达角信息，并利用基于射线理论的声场计算程序获得任意假设目标距离和深度条件下直达波和海面反射波到达角的模板值，将目标声源直达波和海面反射波到达角估计值与模板值进行匹配，可直接获得目标声源的距离和深度。本方法主要利用两种波的到达角直接交叉定位出目标的距离和深度。与现有深海声源定位方法仅适用于宽带声源目标相比，本方法既适用于宽带信号也适用于窄带信号，并且无需进一步获得声场的多途到达时延或频域变化周期进行匹配，简化了定位流程，大幅减小了计算量，并且对目标声源的距离和深度估计误差均在10％以内，具有高准确性。
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 (9)

1.一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，其特征在于，包括：
步骤1)将同步垂直线列阵布放于海水中；并通过所述同步垂直线列阵采集目标声源辐射的宽带或窄带信号；
步骤2)通过方位谱估计方法获得直达波到达角和海面反射波到达角的估计值；
步骤3)通过基于射线理论的声场计算程序，计算所述目标声源位于不同假设距离和假设深度时对应的所述直达波到达角和海面反射波到达角的模板值；
步骤4)将所述目标声源直达波到达角和海面反射波到达角的估计值与所述对应的模板值通过代价函数进行匹配，并通过所述代价函数最大值获得目标声源的距离和深度，从而实现所述目标声源的定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，其特征在于，所述将同步垂直线列阵布放于海水中；并通过所述同步垂直线列阵采集目标声源辐射的宽带或窄带信号的具体步骤包括：
将包含M个阵元的所述同步垂直线列阵布放于海水中，所述阵元布放深度依次为z1,...,zm,...,zM，；并通过所述同步垂直线列阵采集目标声源辐射的宽带或窄带所述时域信号pm(t)，其中，采集时长为0.1s～10s，采样率为fs，采样率取值范围为100Hz～20kHz，M为所述同步垂直线列阵的阵元个数，z1为第一个所述阵元布放深度，zm为第m个所述阵元布放深度，zM为第M个阵元布放深度，pm(t)为在t时刻第m个所述阵元采集的时域信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，其特征在于，所述同步垂直线列阵布放深度为400-6000m。
4.根据权利要求1所述的一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，其特征在于，所述通过方位谱估计方法获得直达波到达角和海面反射波到达角的估计值的具体步骤包括：
步骤2-1)对所述同步垂直线列阵的所有阵元接收的时域信号pm(t)进行傅里叶变换，得到第m个所述阵元在频点fl处的频谱xm(fl)，其中，l＝1,2,...,L，频点f1为方位谱估计所选用频率范围的下界，f1的范围为0Hz～3.5kHz，频点fL为方位谱估计所选用频率范围的上界，fL的范围为50Hz～4kHz；
步骤2-2)计算所述同步垂直线列阵采集的目标声源辐射时域信号在频点fl处的频谱向量x(f1)：
x(fl)＝[x1(fl),x2(fl),...,xM(fl)]T
其中，上标T表示转置算符，xM(f1)为第M个阵元在频点fl处的频谱；
步骤2-3)计算频点fl处的信号协方差矩阵Rx(f1):
Rx(fl)＝x(fl)xH(fl)
其中，上标H表示共轭转置算符；
步骤2-4)计算所述目标声源的方位谱P(θ)：
Figure FDA0003297281880000021
其中，方位角θ的角度范围为-90°～90°，每隔0.001°至0.1°取一个值；
Figure FDA0003297281880000022
其中
Figure FDA0003297281880000023
c(zr)为同步垂直线列阵中心位置的海水声速，上标T表示转置算符；
步骤2-5)记录所述方位角θ在-90°～90°范围内的所述P(θ)最大的两个峰值对应的角度
Figure FDA0003297281880000024
和
Figure FDA0003297281880000025
其中，所述
Figure FDA0003297281880000026
为所述目标声源直达波与阵列法线方向的夹角，作为所述直达波到达角的估计值；所述
Figure FDA0003297281880000027
为所述海面反射波的到达方向与阵列法线方向的夹角，作为所述海面反射波到达角的估计值。
5.根据权利要求1所述的一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，其特征在于，通过基于射线理论的声场计算程序计算所述目标声源位于不同假设距离和假设深度时对应的所述直达波到达角和海面反射波到达角的模板值的具体步骤包括：
通过基于射线理论的声场计算程序，利用现场直接测量的海水声速剖面或者现有海洋环境数据库中在垂直线列阵布放区域的海水声速剖面历史数据，直接计算目标声源位于不同假设距离和假设深度对应的所述直达波到达角和海面反射波到达角的模板值θD(rs,zs)和θSR(rs,zs)，其中，zs为假设声源深度，范围为1m至海深H，距离间隔为0.5m；rs为假设声源距离，范围为0至30km，距离间隔为10m，θD(rs,zs)为假设声源深度为zs并且假设声源距离为rs时，与所述直达波到达角对应的模板值，θSR(rs,zs)为，在假设声源深度为zs、假设声源距离为rs时，与所述海面反射波到达角对应的模板值。
6.根据权利要求1所述的一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，其特征在于，所述基于射线理论的声场计算程序包括：BELLHOP。
7.根据权利要求1所述的一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，其特征在于，将所述目标声源直达波到达角和海面反射波到达角的估计值与所述对应的模板值通过代价函数进行匹配，并通过所述代价函数最大值获得目标声源的距离和深度，从而实现所述目标声源的定位的具体步骤包括：
步骤4-1)定义代价函数E(rs,zs)：
Figure FDA0003297281880000031
其中，zs为假设声源深度，范围为1m至海深H，距离间隔为0.5m；rs为假设声源距离，范围为0至30km，距离间隔为10m，
Figure FDA0003297281880000032
为所述直达波到达角的估计值，θD(rs,zs)为在假设声源深度为zs并且假设声源距离为rs时，与所述直达波到达角对应的模板值，
Figure FDA0003297281880000033
为所述海面反射波到达角的估计值，θSR(rs,zs)为在假设声源深度为zs、假设声源距离为rs时，与所述海面反射波到达角对应的模板值；
步骤4-2)由代价函数E(rs,zs)的最大值max E(rs,zs)获取目标声源的估计距离
Figure FDA0003297281880000034
和估计深度
Figure FDA0003297281880000035
其中，
代价函数最大值max E(rs,zs)对应的距离rs为目标声源的估计距离
Figure FDA0003297281880000036
代价函数最大值max E(rs,zs)对应的深度zs为目标声源的估计深度
Figure FDA0003297281880000037
8.根据权利要求5和7所述的一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，其特征在于，所述的海深H范围为400-6000m。
9.根据权利要求1所述的一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，其特征在于，所述方位谱估计方法包括：波束形成方位谱估计方法。
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