CN114280541B

CN114280541B - 一种基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法

Info

Publication number: CN114280541B
Application number: CN202111533397.7A
Authority: CN
Inventors: 戚聿波; 罗再磊; 周士弘; 沈同圣
Original assignee: Institute of Acoustics CAS; National Defense Technology Innovation Institute PLA Academy of Military Science
Current assignee: Institute of Acoustics CAS; National Defense Technology Innovation Institute PLA Academy of Military Science
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2041-12-15
Also published as: CN114280541A

Abstract

本发明提供的基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位法，包括：步骤1)：将3个及以上同步垂直线列阵，同时采集t时刻的目标声源辐射的声压信号；步骤2)对每个声压信号进行方位谱估计，获得每个探测节点的到达角估计值；步骤3)利用声场模型，计算对应的到达角模板值；步骤4)通过到达角估计值与对应的模板值进行匹配，获得目标声源与每个探测节点的距离估计值；步骤5)基于搜索范围和搜索网格间隔，获得每个网格点与每个探测节点的距离信息；步骤6)将距离信息和距离估计值进行匹配，获得目标声源的位置信息。本发明提供的方法通过增加系统配置，利用三个及以上探测节点的距离信息实现了目标声源位置信息的实时估计。

Description

一种基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法

技术领域

本发明涉及水声工程、海洋工程、声呐技术领域，特别涉及一种基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位法，可用于深海目标的实时定位。

背景技术

声源目标被动定位是深海水声学研究的热点及难点问题之一。深海环境下，接收信号存在明显的多途到达结构，利用标量垂直线列阵或者单个矢量水听器结合多途达到角可实现声源距离的估计。文章“一种基于大深度矢量水听器的深海直达波区近水面声源定位方法”利用矢量水听器获取了目标的方位角和到达角，实现了目标在二维平面上的定位，该文于2016年发表在《物理学报》第46卷第9期，文章编号为094309。但是该方法对信噪比的要求较高，对于船只辐射噪声，定位距离有限。

垂直线列阵由于阵列可以获得阵增益，成为一种深海环境下探测节点的较优的装备形态。但是现有深海大深度使用的垂直线列阵一般为无水平测向能力的标量垂直线列阵。单个探测节点下仅能给出目标与探测节点的距离信息，在位置上表现为以探测节点布放位置为中心、距离为半径的圆，但不能确定目标在圆上的具体点位。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位法，以解决现有深海环境下声源定位方法仅能给出目标与探测节点的距离信息，而不能给出目标具体位置信息的问题。

本发明提供的基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法，包括以下步骤：

步骤1)：将N个同步垂直线列阵布放于不同位置的海水中，用于同时采集t时刻的目标声源辐射的声压信号p_i,j(t)；其中，N≥3，每个所述垂直线列阵布的探测节点位置为(X_i,Y_i)，i为第i个垂直线列阵，i＝1,2,...,N；j为所述垂直线列阵的第j个阵元，，j＝1,2,...,M_i，M_i为第i个垂直线列阵的阵元数。

步骤2)对每个所述垂直线列阵采集的声压信号进行方位谱估计，以获得t时刻的所述目标声源在每个所述垂直线列阵探测节点的到达角估计值

步骤3)结合海水声速剖面及每个所述垂直线列阵布放深度，利用声场模型计算每个所述探测节点与不同距离的所述目标声源对应的到达角模板值θ_i(r_s)，其中，r_s为所述目标声源与所述探测节点的水平距离；

步骤4)通过将每个所述探测节点的到达角估计值

与该探测节点对应的模板值θ_i(r_s)进行匹配，以获得t时刻的所述目标声源与每个所述探测节点的距离估计值

步骤5)基于设定目标声源位置的搜索范围和搜索网格间隔，获得所述搜索范围内每个网格点与每个所述探测节点的距离信息r_i(x,y)；

步骤6)将所述每个网格点与每个所述布放节点的距离信息r_i(x,y)和所述目标声源与每个探测节点的距离估计值

进行匹配，以获得t时刻的所述目标声源的位置信息

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)中所述垂直线列阵的单次采集时长为0.1s～10s，采样率为f_s，其中，f_s取值范围为100Hz～20kHz。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)中t时刻的所述目标在各个节点处的到达角估计值

为t时刻所述目标声源到达方向与垂直线列阵法线方向的夹角。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：利用基于射线理论的声场计算程序计算每个所述探测节点与不同距离的所述目标声源对应的到达角模板值θ_i(r_s)，其中，所述目标声源的深度z_s设置为0-600m范围内的任一深度值，所述目标声源与所述探测节点的水平距离r_s的范围为0至30km，所述目标声源的之间的距离间隔设置5m。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：将t时刻的每个所述探测节点的目标声源到达角估计值

与该探测节点与不同距离的所述目标声源的对应的到达角模板值θ_i(r_s)进行匹配，以获取在t时刻，所述目标声源与每个所述探测节点的距离估计值；其中，匹配时定义第一代价函数为：

所述第一代价函数Q_i(t,r_s)的最大值对应的距离为t时刻所述目标声源与第i个布放节点的距离估计值

其中，r_s为所述目标声源与所述探测节点的水平距离，其范围为0至30km。

作为上述方法的一种改进，所述步骤5)中搜索范围内每个网格点与各垂直线列阵探测节点的距离r_i(x,y)，在笛卡尔直角坐标系下为：

其中，(x,y)为所述搜索范围内各个网格点的坐标位置，网格间隔设为5m。

作为上述方法的一种改进，所述步骤6)利用目标位置估计代价函数获得所述目标声源的位置信息；其中，定义t时刻的目标位置估计代价函数为：

所述目标位置估计代价函数E(t,x,y)在t时刻的最大值对应的坐标位置

为所述目标声源的估计位置，其中，(x,y)为所述搜索范围内各个网格点的坐标位置。

作为上述方法的一种改进，所述的海深H范围为1000-6000m，所述垂直线列阵布放深度为1000-6000m；所述目标声源与各个垂直线列阵水平距离范围为0-30km；所述目标声源的深度范围为0-500m。

作为上述方法的一种改进，所述垂直线列阵探测节点位置为所述垂直线列阵的布放位置。

本发明的优点在于，与现有基于单个探测节点的定位方法仅能给出目标距离信息相比，本发明提供的方法通过增加系统配置，利用三个及以上探测节点的距离信息实现了目标声源位置信息的实时估计。本方法条件约束较少，实现相对简单，计算量小，通过海试数据验证具有较好的目标实时定位能力。

附图说明

图1是实施例1中三个垂直线列阵探测节点：O1点、X1点和S1点的布放位置及目标运动轨迹；

图2是实施例1中，由GPS坐标计算的目标与各个节点的距离信息；

图3是实施例1中实测的海水声速剖面；

图4(a)是S1点通过到达角匹配获得的目标估计距离与实际距离对比图；

图4(b)是X1点通过到达角匹配获得的目标估计距离与实际距离对比图；

图5(a)是时刻03:18:10的目标位置估计代价函数；

图5(b)是时刻03:59:50的目标位置估计代价函数；

图5(c)是时刻04:33:10的目标位置估计代价函数；

图6是目标位置定位结果。

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深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法，系统配置为3个及以上同步垂直线列阵。本发明首先将3个及以上垂直线列阵潜标布放在不同位置的海水中，用于接收目标辐射的声信号；对每个垂直线列阵接收的声信号进行方位谱估计得到目标在每个垂直线列阵探测节点的到达角估计值；结合海水声速剖面及阵列布放深度，利用声场模型计算每个探测节点不同声源距离下的到达角模板值；通过将每个探测节点的到达角估计值与该探测节点的模板值匹配获得目标与每个节点的估计距离；确定目标搜索范围和搜索网格间隔，计算搜索范围内每个网格点与各个探测节点的距离信息；构建代价函数，将每个网格点与各探测节点的距离信息和目标与各探测接点的估计距离进行匹配，进而获得目标的位置信息。

实施例1：

图1展示了一次海上试验中3个垂直线列阵探测节点：O1点、X1点和S1点布放位置及目标运动轨迹。目标为试验船，由原点向东北方向运动。X1点和S1点接收阵均为16元同步垂直线列阵，布放于近海底附近，阵元间距为7.5m。图2为由GPS坐标计算的目标与各个探测节点的距离信息。图3展示了实验海域的实测海水声速剖面。各探测节点的垂直线列阵接收到声源信号后，通过方位谱估计不同假设声源距离下的到达角模板值，然后将到达角估计值与模板值匹配获取各个节点与目标的估计距离，最后将估计距离和搜索区域内的网格点与各个探测节点的距离进行匹配，进而实现目标位置的实时估计，其过程分为以下步骤：

步骤1：将N个同步垂直线列阵布放于不同位置的海水中，每个垂直线列阵探测节点位置为(X_i,Y_i)，用于同时采集目标声源辐射的声压信号p_ij(t)，其中i代表第i个探测节点，j代表第j个阵元，i＝1,2,...,N，N≥3，j＝1,2,...,M_i，M_i为第i个探测节点垂直线列阵阵元数。单次采集时长为0.1s～10s，采样率为f_s，取值范围为100Hz～20kHz。本实施例中，共布放了3个探测节点，每次信号采集长度为10s，垂直线列阵采样率为16kHz。

步骤2：对每一个探测节点的垂直线列阵接收的声压信号进行方位谱估计获得各探测节点的目标达到角估计值

以第i个探测节点的垂直线列阵为例，首先对该垂直线列阵每一个阵元采集的数据进行傅里叶变换，得到第j个阵元在频点f_l处的频谱x_i,j(f_l)，其中l＝1,2,...,L；垂直线列阵接收的目标声源辐射信号在频点f_l处的频谱向量为

上标T表示转置算符，本实施例中，f₁和f_L分别取值为100和300Hz；利用下式计算频点f_l处的信号协方差矩阵:R_i(f_l)＝X_i(f_l)X_i ^H(f_l)，其中，上标H表示共轭转置算符；计算声源方位谱

其中：方位角θ从-90°至90°角度范围内；

其中，

其中

z_i,j为第i个节点接收阵第j个阵元的深度，第c_i(z_r)为第i个节点接收阵中心位置的海水声速；

记录-90-90°范围内P_i(θ)最大峰值对应的角度为即为目标到达角估计值

步骤3：利用基于射线理论的声场计算程序计算每个探测节点目标位于不同距离时对应的到达角模板值θ_i(r_s)，目标深度z_s设定为20m，声源距离r_s范围设定为0至30km，距离间隔设置为5m。

步骤4：将每个探测节点获得的目标声源到达角估计值

与该节点不同距离下的模板值θ_i(r_s)进行匹配，以获取目标与每个探测节点的距离估计值；匹配时定义第一代价函数为

代价函数最大值对应的距离即为t时刻目标与第i个探测节点的估计距离

图4(a)展示了早上3点18分-04点33分，目标与S1点的估计距离与实际距离对比图，图4(b)展示了早上3点18分-04点33分，目标与X1点的估计距离与实际距离对比图。本实施例中，由于O1点垂直线列阵信号质量存在问题，这里，假设O1点距离估计结果无误差，即目标估计距离与实际距离相等。

步骤5：设置目标位置的搜索范围和网格间隔，计算目标位置搜索范围内每一个网格点与各探测潜标系统布放位置的距离，在笛卡尔直角坐标系下：

上式中，(x,y)为目标搜索范围内各个网格点的坐标位置，网格间隔设为5m；

步骤6：将每个网格点与各探测节点的距离信息和目标与各探测接点的估计距离进行匹配，在t时刻，估计目标位置的代价函数为

目标在t时刻的估计位置为代价函数E(t,x,y)取最大值时所对应的坐标位置

图5(a)、图5(b)、图5(c)是三个不同时刻t：03:18:10，03:59:50，04:33:10时，目标位置估计代价函数，其中，图5(a)为时刻03:18:10，图5(b)为时刻03:18:10，图5(c)为时刻03:18:10。图5中，星号代表目标实际位置，圆圈代表估计位置。图6展示了早上3点18分至4点33分一个多小时内的目标位置定位结果。由图6可以看出，目标声源估计位置与实际位置符合较好，本方法可以较为准确的实时估计出目标位置。

从上述对本发明的具体描述可以看出，与现有基于单个探测节点的定位方法仅能给出目标距离信息相比，本发明提供的方法通过增加系统配置，利用三个及以上探测节点的距离信息实现了目标声源位置信息的实时估计；本方法较为准确的实时估计出目标位置，目标声源估计位置与实际位置符合较好，通过海试数据验证具有较好的目标声源实时定位能力；并且，本方法条件约束较少，实现相对简单，计算量小。

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

1.一种基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法，包括以下步骤：

步骤1)：将N个同步垂直线列阵布放于不同位置的海水中，用于同时采集t时刻的目标声源辐射的声压信号p_i,j(t)；其中，N≥3，每个所述垂直线列阵的探测节点位置为(X_i,Y_i)，i为第i个垂直线列阵，i＝1,2,...,N；j为所述垂直线列阵的第j个阵元，j＝1,2,...,M_i，M_i为第i个垂直线列阵的总阵元数；

步骤4)通过将每个所述探测节点的到达角估计值

步骤5)基于设定的目标声源位置的搜索范围和搜索网格间隔，获得所述搜索范围内每个网格点与每个所述探测节点的距离信息r_i(x,y)；

步骤6)将所述每个网格点与每个所述探测节点的距离信息r_i(x,y)和所述目标声源与每个探测节点的距离估计值

进行匹配，以获得t时刻的所述目标声源的位置信息

2.根据权利要求1所述的基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法，其特征在于，所述步骤1)中所述垂直线列阵的单次采集时长为0.1s～10s，采样率为f_s，其中，f_s取值范围为100Hz～20kHz。

3.根据权利要求1所述的一种基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法，其特征在于，所述步骤2)中t时刻的所述目标在各个节点处的到达角估计值

4.根据权利要求1所述的基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：利用基于射线理论的声场计算程序计算每个所述探测节点与不同距离的所述目标声源对应的到达角模板值θ_i(r_s)，其中，所述目标声源的深度z_s设置为0-600m范围内的任一深度值，所述目标声源与所述探测节点的水平距离r_s的范围为0至30km，所述目标声源的之间的距离间隔设置5m。

5.根据权利要求1所述的一种基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：将t时刻的每个所述探测节点的目标声源到达角估计值

6.根据权利要求1所述的基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法，其特征在于，所述步骤5)中搜索范围内每个网格点与各垂直线列阵探测节点的距离r_i(x,y)，在笛卡尔直角坐标系下为：

7.根据权利要求1所述的基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法，其特征在于，所述步骤6)利用目标位置估计代价函数获得所述目标声源的位置信息；其中，定义t时刻的目标位置估计代价函数为：

8.根据权利要求1所述的基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法，其特征在于，海深H范围为1000-6000m，所述垂直线列阵布放深度为1000-6000m；所述目标声源与各个垂直线列阵水平距离范围为0-30km；所述目标声源的深度范围为0-500m。

9.根据权利要求1所述的基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法，其特征在于，所述垂直线列阵探测节点位置为所述垂直线列阵的布放位置。