CN115047409A - 一种深海声源定位方法及计算机设备和存储介质 - Google Patents

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吴禹沈
李整林
王海斌
吴双林
王梦圆
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    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
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Abstract

本发明提供了一种深海声源定位方法及计算机设备和存储介质，所述方法包括：在指定海域布放至少两台水下滑翔机，分别记录宽带声源发出的宽带信号，得到信号的波形包络，再计算仿真计算信号的波形包络，对两个波形包络进行互相关分析，确定声源距离估计值，最后通过几何关系得到声源估计位置。本方法无需布放大深度垂直接收阵，系统复杂度低，易于布放和操作，可在较大区域内应用；对数据进行简单分析和计算，无需人为调整参数，仅需已知目标运动大概方位，即可实现目标定位。水下滑翔机具有较好的机动性，可根据任务需要进行布放，实现较大区域内目标定位和追踪。

Description

一种深海声源定位方法及计算机设备和存储介质
技术领域
本发明属于水声工程、海洋工程、声呐技术领域，具体涉及一种深海声源定位方法及计算机设备和存储介质。
背景技术
海洋环境复杂多变，导致水下声场特性通常存在时空变化，给目标探测和水声通信等活动带来诸多不利影响。反之，特定条件下的声场特征也能反映出水下目标和海洋环境的信息。因此充分利用海洋声场特性，可实现对水下声源的定位。水下滑翔机作为一种新型的水下测量平台，具有低能耗、低噪声、反复利用和长时间工作等特点，并可根据需求加载其他仪器设备，进行多机协作观测，在精密化海洋环境和全球海洋安全与环境观测中具有广泛的应用前景，发挥着重要作用。因此可在水下滑翔机上加载声学记录系统，实现目标识别和追踪。
多种声源定位手段主要包括匹配场方法、基于多途到达结构方法，基于声场干涉结构方法等。基于多途到达结构的位置估计方法，该方法参见参考文献[1](“Particlefilter for multipath time delay tracking from correlation functions in deepwater”，2018年7月发表在《J.Acoust.Soc.Am.》第144期，起始页码为397)，该方法分析直达波和海面反射波时延随时间变化的关系，通过自相关函数提取时延差，实现单水听器宽带运动目标定位。缺点是需要人为调整参数，计算复杂，目标的带宽不满足时延分辨率的要求，且目标需沿水听器径向方向运动。基于声场干涉结构方法的位置估计方法，信号存在明显的多途到达结构，多途时延对应频域的干涉周期，可利用干涉条纹的周期性定位目标。该方法参见参考文献[2](“Source localization by matching sound intensity with avertical array in the deep ocean”，2019年12月发表在《J.Acoust.Soc.Am.》第146期，起始页码为477)，利用大深度垂直阵接收信号声强的频率-距离干涉结构，对深海直达声区10-30km范围内的水下声源进行定位，缺点是需要布放大深度垂直接收阵，系统复杂度高，且需要覆盖大深度垂直接收阵的数据，海深需满足一定要求。
发明内容
本发明的目的在于克服基于声场干涉结构方法布放垂直接收阵系统复杂性高、机动性差，基于多途到达结构方法需要人为调整参数，计算复杂的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提出了一种深海声源定位方法及计算机设备和存储介质。所述方法包括：在指定海域布放至少两台水下滑翔机，分别记录宽带声源发出的宽带信号，通过对信号的分析计算得到声源估计位置。
作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：
步骤1：在指定海域布放至少两台水下滑翔机，分别记录宽带声源发出的宽带信号；
步骤2：计算水下滑翔机记录信号的波形包络，计算仿真信号波形包络；
步骤3：将水下滑翔机记录信号波形包络和仿真信号波形包络进行互相关分析；
步骤4：通过几何关系，获取声源位置。
作为上述方法的一种改进，在指定海域布放两台水下滑翔机。
作为上述方法的一种改进，所述水下滑翔机系统与声源距离小于100km，声源深度已知，声源频率大于等于200Hz。
作为上述方法的一种改进，步骤2具体为：使用至少两台水下滑翔机分别记录宽带声源发出的宽带信号，通过希尔伯特变换分别得到每个水下滑翔机记录信号的波形；由静态海洋环境的参数计算得到不同距离深度上的信号，并通过希尔伯特变换得到参数计算信号的波形包络；具体包括：
由水下滑翔机在观测时间t0＜t＜t0+Δt内分别记录的宽带声源信号s(r,z,t)，其中，r为水下滑翔机与声源距离，z为记录信号时刻水下滑翔机深度；
通过希尔伯特变换得到水下滑翔机记录信号的波形包络
Figure BDA0003627446320000021
Figure BDA0003627446320000022
其中H(·)为希尔伯特变换，|·|为取绝对值算子，j为
Figure BDA0003627446320000023
利用抛物方程近似声场模型RAM-PE和已知的SSP数据仿真计算得到不同距离深度上的信道传输函数g(r',z',ω)，其频谱为S(ω)，则接收点的信号scal(r',z',t)可以表示为：
Figure BDA0003627446320000024
其中，r'为搜索距离，z'为搜索深度,ω为频率；
通过希尔伯特变换得到仿真计算信号的波形包络
Figure BDA0003627446320000025
Figure BDA0003627446320000026
其中H(·)为希尔伯特变换，|·|为取绝对值算子，j为
Figure BDA0003627446320000027
作为上述方法的一种改进，步骤3具体为：对水下滑翔机记录信号波形包络和参数计算得到的仿真信号波形包络进行互相关分析，计算得到目标与水下滑翔机的距离，互相关函数最大值点对应的位置为声源距离估计值；具体包括：
将一台滑翔机记录信号波形包络
Figure BDA0003627446320000031
和参数计算得到的信号波形包络
Figure BDA0003627446320000032
进行互相关分析：
Figure BDA0003627446320000033
其中r为真实距离，r'为搜索距离，z'为搜索深度，τ为时延；通过搜索距离r'，可以得到不同距离的数值结果与实验结果的互相关系数ρ2(r,r')，将ρ2(r,r')的最大值对应的距离作为声源与滑翔机水平距离估计值R；按同样方法，计算得到声源与其他水下滑翔机估计距离。
作为上述方法的一种改进，步骤4具体为：利用水下滑翔机的声源距离估计值，通过几何关系，获取声源位置；
以每个水下滑翔机为圆心，以距离估计值R为半径作圆，分别绘制得到多个圆，当且仅当多个圆存在交点时得到声源估计位置。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求5至7中任一项所述的方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如权利要求5至7任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明的方法利用多台水下滑翔机系统可对深海声源进行定位，与传统基于垂直线阵的方法相比，无需布放大深度垂直接收阵，系统复杂度低，易于布放和操作，可在较大区域内应用。对数据进行简单分析和计算，无需人为调整参数，仅需已知目标运动大概方位，即可实现目标定位。利用多台水下滑翔机组网协作的工作模式，消除单台滑翔机带来的测距误差，实现水下目标的二维定位。水下滑翔机具有较好的机动性，可根据任务需要进行布放，实现较大区域内目标定位和追踪。
附图说明
图1所示为深海声源定位方法流程图；
图2所示为声源和水下滑翔机相对位置示意图；
图3(a)所示为实施例中第一台水下滑翔机记录信号的波形包络与仿真信号的波形包络随时间的变化；
图3(b)所示为实施例中第二台水下滑翔机记录信号的波形包络与仿真信号的波形包络随时间的变化；
图4(a)所示为实施例中第一台水下滑翔机记录信号的波形包络与仿真信号的波形包络的互相关函数；
图4(b)所示为实施例中第二台水下滑翔机记录信号的波形包络与仿真信号的波形包络的互相关函数；
图5所示为实施例中目标定位示意图；
图6(a)所示为实施例中海上实验声源位置估计结果；
图6(b)所示为实施例中海上实验声源方位估计结果。
具体实施方式
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种深海声源定位方法及计算机设备和存储介质，解决现有深海环境下声源定位方法需要布放复杂的垂直接收阵或计算复杂等问题。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明提出一种深海声源定位方法，包括：在指定海域布放至少两台水下滑翔机，分别记录宽带声源发出的宽带信号得到信号的波形包络，再计算仿真计算信号的波形包络，对两个波形包络进行互相关分析，确定声源距离估计值，最后通过几何关系得到声源估计位置。
步骤1：在指定海域布放至少两台水下滑翔机，分别记录宽带声源发出的宽带信号。
本实施例以两台水下滑翔机为例，首先在指定海域布放两台水下滑翔机，使用两台水下滑翔机分别记录宽带声源发出的宽带信号。水下滑翔机系统与声源距离小于100km，声源深度已知，声源频率大于等于200Hz。
在指定海域布放两台水下滑翔机，声源逐渐远离水下滑翔机，声源与水下滑翔机的水平距离是0km-100km，水下滑翔机接收深度为0～1000m，水下滑翔机按照预定轨迹运动，进行上浮下潜，同时接收记录声源信号，参照图2。在本实施例中，声源与两台水下滑翔机的距离分别为49.2km和39.8km，声源深度为200m宽带爆炸声源，每隔6分钟投掷爆炸声源。
步骤2：计算水下滑翔机记录信号的波形包络，计算仿真信号波形包络。
本实施例中，由两台水下滑翔机在观测时间t0＜t＜t0+Δt内分别记录得到宽带声源信号s(r,z,t)，其中r为水下滑翔机与声源距离，z为记录信号时刻水下滑翔机深度；对接收信号进行希尔伯特变换，得到水下滑翔机记录信号的波形包络
Figure BDA0003627446320000051
Figure BDA0003627446320000052
其中H(·)为希尔伯特变换，|·|为取绝对值算子，j为
Figure BDA0003627446320000053
已知声源深度情况下，利用抛物方程近似声场模型RAM-PE和已知的SSP数据仿真计算得到不同距离深度上的信道传输函数g(r',z',ω)，传输函数反映了声源到接收器之间的传播特性，其频谱为S(ω)，则接收点的信号scal(r',z',t)可以表示为：
Figure BDA0003627446320000054
其中，r'为搜索距离，z'为搜索深度,ω为频率。在本实施例中选择声源频率ω以300Hz为中心频率，带宽为100Hz，频率间隔为0.1Hz，对应的时间窗长度为10s，搜索距离r'为0-100km，搜索深度z'为0-1000m。
通过希尔伯特变换得到仿真计算信号的波形包络
Figure BDA0003627446320000055
Figure BDA0003627446320000056
其中H(·)为希尔伯特变换，|·|为取绝对值算子，j为
Figure BDA0003627446320000057
由此分别得到不同距离处的水下滑翔机记录信号和参数计算信号的波形包络，如图3所示。
步骤3：将水下滑翔机记录信号波形包络和参数计算得到的仿真信号波形包络进行互相关分析。
对水下滑翔机记录信号波形包络和参数计算得到的仿真信号波形包络进行互相关分析，计算得到目标与水下滑翔机的距离，互相关函数最大值点对应的位置为声源距离估计值。
本实施例选取接收深度50-850m范围内的信号进行分析，将水下滑翔机记录信号波形包络和参数计算得到的仿真信号波形包络进行互相关分析，计算得到目标与水下滑翔机的距离，互相关函数最大值点对应的位置为声源距离估计值。
已知水下滑翔机信号接收深度，将水下滑翔机记录信号波形包络
Figure BDA0003627446320000058
和参数计算得到的仿真信号波形包络
Figure BDA0003627446320000059
进行互相关分析：
Figure BDA0003627446320000061
其中r为真实距离，r'为搜索距离，z'为搜索深度，τ为时延。通过搜索距离r'，可以得到不同距离的数值结果与实验结果的互相关系数ρ(r,r')，将ρ(r,r')的最大值对应的距离作为声源与水下滑翔机水平距离估计值R。如图4(a)和图4(b)所示,声源与两台水下滑翔机的估计距离R1和R2分别为49.1km和39km。
步骤4：通过几何关系，获取声源位置。
本实施例中利用两台水下滑翔机的声源距离估计值，通过几何关系，获取声源位置。
已知目标运动大致方位，利用两台水下滑翔机的声源距离估计值，通过几何关系，获取声源位置；分别以第一台水下滑翔机和第二台水下滑翔机为圆心，分别以距离估计值R1和距离估计值R2作圆，当且仅当两者存在交点时才能得到声源估计位置。如图5所示，其中O2为测量距离的固定参考点，J15、J16代表两台水下滑翔机的位置。
利用上述步骤对接收到的数据进行处理，估计的目标位置和到达角如图6所示，图6(a)中实线为声源运动轨迹，菱形点为实验估计的位置，图6(a)中实线为目标真实方位(270°)，虚线为实验估计的方位角；其中O2为测量距离的固定参考点。可以看出，声源估计位置分布在运动轨迹周围，距离估计均方根误差为3km，相对误差小于4％；估计目标方位与实际方位一致，方位估计均方根误差为3.3°。实测数据验证表明，本发明的方法可以有效估计深海声源位置。
本发明只需两台水下滑翔机便可对指定海域内的声源目标进行定位，系统复杂度低，易于布放和操作，多台水下滑翔机组网协作可覆盖较大区域。
本发明还可提供的一种计算机设备，包括：至少一个处理器、存储器、至少一个网络接口和用户接口。该设备中的各个组件通过总线系统耦合在一起。可理解，总线系统用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。
其中，用户接口可以包括显示器、键盘或者点击设备(例如，鼠标，轨迹球(trackball)、触感板或者触摸屏等。
可以理解，本申请公开实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。本文描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在一些实施方式中，存储器存储了如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作系统和应用程序。
其中，操作系统，包含各种系统程序，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序，包含各种应用程序，用于实现各种应用业务。实现本公开实施例方法的程序可以包含在应用程序中。
在本上述的实施例中，还可通过调用存储器存储的程序或指令，具体的，可以是应用程序中存储的程序或指令，处理器用于：
执行实施例1的方法的步骤。
实施例1的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器或者其他可编程逻辑器件。可以实现或者执行实施例1中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
可以理解的是，本发明描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。
对于软件实现，可通过执行本发明的功能模块(例如过程、函数等)来实现本发明技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。
本发明还可提供一种非易失性存储介质，用于存储计算机程序。当该计算机程序被处理器执行时可以实现上述方法实施例中的各个步骤。
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)

1.一种深海声源定位方法，包括：在指定海域布放至少两台水下滑翔机，分别记录宽带声源发出的宽带信号，通过对信号的分析计算得到声源估计位置。
2.根据权利要求1所述深海声源定位方法，具体包括：
步骤1：在指定海域布放至少两台水下滑翔机，分别记录宽带声源发出的宽带信号；
步骤2：计算水下滑翔机记录信号的波形包络，计算仿真信号波形包络；
步骤3：将水下滑翔机记录信号波形包络和参数计算得到的仿真信号波形包络进行互相关分析；
步骤4：通过几何关系，获取声源位置。
3.根据权利要求1所述的深海声源定位方法，其特征在于，在指定海域布放两台水下滑翔机。
4.根据权利要求2所述的利用水下滑翔机的深海声源定位方法，其特征在于，所述水下滑翔机系统与声源距离小于100km，声源深度已知，声源频率大于等于200Hz。
5.根据权利要求2所述的深海声源定位方法，其特征在于，步骤2具体为：使用至少两台水下滑翔机分别记录宽带声源发出的宽带信号，通过希尔伯特变换分别得到每个水下滑翔机记录信号的波形；由静态海洋环境的参数计算得到不同距离深度上的信号，并通过希尔伯特变换得到参数计算信号的波形包络；具体包括：
由水下滑翔机在观测时间t0＜t＜t0+Δt内分别记录得到宽带声源信号s(r,z,t)，其中，r为水下滑翔机与声源距离，z为记录信号时刻水下滑翔机深度；
通过希尔伯特变换得到水下滑翔机记录信号的波形包络
Figure FDA0003627446310000011
Figure FDA0003627446310000012
其中H(·)为希尔伯特变换，|·|为取绝对值算子，j为
Figure FDA0003627446310000013
利用抛物方程近似声场模型RAM-PE和已知的SSP数据仿真计算得到不同距离深度上的信道传输函数g(r',z',ω)，其频谱为S(ω)，则接收点的信号scal(r',z',t)可以表示为：
Figure FDA0003627446310000014
其中，r'为搜索距离，z'为搜索深度,ω为频率；
通过希尔伯特变换得到仿真计算信号的波形包络
Figure FDA0003627446310000021
Figure FDA0003627446310000022
其中H(·)为希尔伯特变换，|·|为取绝对值算子，j为
Figure FDA0003627446310000023
6.根据权利要求2所述的深海声源定位方法，其特征在于，步骤3具体为：对水下滑翔机记录信号波形包络和参数计算得到的信号波形包络进行互相关分析，计算得到目标声源与水下滑翔机的距离，互相关函数最大值点对应的位置为声源距离估计值；具体包括：
将一台滑翔机记录信号波形包络
Figure FDA0003627446310000024
和参数计算得到的信号波形包络
Figure FDA0003627446310000025
进行互相关分析：
Figure FDA0003627446310000026
其中r为真实距离，r'为搜索距离，z'为搜索深度，τ为时延；通过搜索距离r'可以得到不同距离的数值结果与实验结果的互相关系数ρ2(r,r')，将ρ2(r,r')的最大值对应的距离作为声源与滑翔机水平距离估计值R；按同样方法，计算得到声源与其他水下滑翔机估计距离。
7.根据权利要求2所述的深海声源定位方法，其特征在于，步骤4具体为：利用滑翔机的声源距离估计值，通过几何关系，获取声源位置；
以每个水下滑翔机为圆心，以距离估计值R为半径作圆，分别绘制得到多个圆，当且仅当多个圆存在交点时得到声源估计位置。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求5至7中任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如权利要求5至7任一项所述的方法。
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