CN115220026A - 一种基于冰面水平阵列的匹配场跨冰定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种基于冰面水平阵列的匹配场跨冰定位方法，包括以下步骤：通过加速度计阵列采集冰下声源发出的跨冰声信号；提取跨冰声信号频谱向量；建立声源搜索距离和深度搜索网格序列；计算每个水平阵元与声源的实际距离序列；获取冰水环境冰声物理参数；求解每个水平阵元接收的跨冰声传播声场；提取不同期望位置的理论频谱向量；基于匹配场处理获得定位模糊曲面；输出最大模糊值对应的期望声源位置。本发明采用加速度参量作为定位参量，实现对冰下声源的跨冰定位，具有布放方便、坐标可精确校准以及经济等优势。

Description

一种基于冰面水平阵列的匹配场跨冰定位方法
技术领域
本发明涉及的是一种水声定位方法，具体地说是极地水声定位方法。
背景技术
随着全球变暖效应，北极航道的开发和利用越来越成为现实，探索北极、保障北极航行安全是北极水声学的重要研究方向，研究在北极海域的水声定位方法具有重大意义。
匹配场定位是水声定位的经典方法，原理是通过海水中布放垂直水听器阵或海底布放水平阵采集水中的声压场，并与基于水声传播模型计算的期望声源位置的拷贝声场进行匹配相关，获得不同声源深度和距离模糊度，模糊度最大值对应的深度和距离值即估计的声源位置。
水中匹配场定位关注的是水中声压的波动成分。由于北极常年被数米厚的冰层覆盖，常规的匹配场定位存在极地适应性问题。
一个是较厚冰层的阻隔，使得在海水中布放垂直水听器阵和海底布放水平阵工作难度大，冰下环境复杂，水听器等设备面临布放条件困难，阵元坐标难以校准等问题突出。
另一点是由于目前的匹配场定位方法仅考虑了海水环境中的声学参数，如海水声压和质点振速参量，没有涉及海冰冰层这种板状构型弹性介质的声学参数，如冰层位移和加速度分量，因此也不适应极地海域，特别是有数米厚冰层覆盖的极地环境。
因此亟待开发一种在冰上布放阵列用于匹配场定位的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供能克服匹配场处理无法适应有冰层覆盖海域等难题的一种基于冰面水平阵列的匹配场跨冰定位方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种基于冰面水平阵列的匹配场跨冰定位方法，其特征是：
(1)在冰面布防加速度计阵列，通过加速度计阵列采集冰下声源发出的跨冰声信号；
(2)基于傅里叶变换提取跨冰声信号频谱向量；
(3)建立声源搜索距离ri和深度di搜索网格序列；
(4)依据声源搜索距离ri和方位角θ计算每个水平阵元与声源的实际距离序列
Figure BDA0003723785880000021
式中xn和yn分别为第n个水平阵元的x轴坐标和y轴坐标；
(5)获取冰水环境冰声物理参数；
(6)基于冰水耦合模型求解每个水平阵元接收的跨冰声传播声场：假设冰下声源发出的声波为简谐信号，海冰-海水耦合环境会改变声源信号的幅度和相位，改变程度取决于声源位置以及海冰-海水耦合环境参数，根据冰声简正波传播理论，接收信号的频域表达式为
Figure BDA0003723785880000022
式中G表示接收信号的频谱，z为加速度计的深度，zs为声源深度，r为声源相对于加速度计的距离，
Figure BDA0003723785880000023
表示声源频谱，kn为第n阶模态的水平波数，
Figure BDA0003723785880000024
为冰水耦合声场的第n阶简正波模态幅度；
(7)提取不同期望位置的理论频谱向量：将步骤(3)和(4)所得的搜索网格、以及步骤(5)的冰水环境物理参数带入步骤(6)求解每个阵元接收的跨冰声传播声场，采用冰水耦合简正波模型获得不同位置a＝(zs,r)跨冰声信号的理论频谱向并归一化为
Figure BDA0003723785880000025
式中，对于同步阵列，G(a)表示为频谱，包括频谱的幅度和相位，对于非同步阵列，G(a)表示为频谱的幅度；
(8)基于匹配场处理获得定位模糊曲面，常规匹配场处理(MFP)表示为
S(a)＝|wH(a)d(atrue)|2
式中S(a)表示位置匹配模糊函数，当拷贝场向量与真实场向量d(atrue)一致时，模糊函数为最大值，拷贝场向量对应的位置a即为估计的声源位置，该式被表述为
S(a)＝wH(a)K(atrue)w(a)
式中K(atrue)＝d(atrue)dH(atrue)，为真实场向量的协方差矩阵；
(9)根据步骤(8)结果，输出最大模糊值对应的期望声源位置：
Figure BDA0003723785880000031
2、步骤(5)中获取的冰水环境冰声物理参数包括：总深度、冰层纵波声速、横波声速、冰层密度、纵波衰减系数、横波衰减系数、海水声速、海水密度、沉积层纵波声速、沉积层密度、纵波衰减系数。
本发明的优势在于：
1、本发明提出在冰面上布放加速度计水平阵或者检波器阵列作为跨冰定位声信号接收设备，以替代在数米厚冰层覆盖的极地海域布放常规或矢量水听器等声呐设备，具有布放方便、坐标可精确校准以及经济等优势。
2、本发明提出了将匹配场处理引入有冰层覆盖的极地海域，并进行极地环境适应性的改进。
3、本发明在水平阵水中匹配场定位的基础上，开创性的提出了一种适用于极地冰区环境的跨冰定位方法，采用加速度参量作为定位参量，实现对冰下声源的跨冰定位。
附图说明
图1为本发明的跨冰定位示意图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明的水平阵仿真示意图；
图4为本发明中的非同步水平阵匹配场跨冰定位结果；
图5为本发明中的同步水平阵匹配场跨冰定位结果。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-5，本发明的应用场景为跨冰定位，通过在冰面布放加速度计等水平阵阵元，采集冰下声源发出的跨冰声信号，用于跨冰定位。
如图2所示，本发明包括以下步骤：
(1)在冰面布防加速度计阵列，通过加速度计阵列采集冰下声源发出的跨冰声信号；
(2)基于傅里叶变换提取跨冰声信号频谱向量；
(3)建立声源搜索距离ri和深度di搜索网格序列；
(4)依据声源搜索距离ri和方位角θ计算每个水平阵元与声源的实际距离序列
Figure BDA0003723785880000041
式中xn和yn分别为第n个水平阵元的x轴坐标和y轴坐标；
(5)获取冰水环境冰声物理参数；
(6)基于冰水耦合模型求解每个水平阵元接收的跨冰声传播声场：假设冰下声源发出的声波为简谐信号，海冰-海水耦合环境会改变声源信号的幅度和相位，改变程度取决于声源位置以及海冰-海水耦合环境参数，根据冰声简正波传播理论，接收信号的频域表达式为
Figure BDA0003723785880000042
式中G表示接收信号的频谱，z为加速度计的深度，zs为声源深度，r为声源相对于加速度计的距离，
Figure BDA0003723785880000043
表示声源频谱，kn为第n阶模态的水平波数，
Figure BDA0003723785880000044
为冰水耦合声场的第n阶简正波模态幅度；
(7)提取不同期望位置的理论频谱向量：将步骤(3)和(4)所得的搜索网格、以及步骤(5)的冰水环境物理参数带入步骤(6)求解每个阵元接收的跨冰声传播声场，采用冰水耦合简正波模型获得不同位置a＝(zs,r)跨冰声信号的理论频谱向并归一化为
Figure BDA0003723785880000045
式中，对于同步阵列，G(a)表示为频谱，包括频谱的幅度和相位，对于非同步阵列，G(a)表示为频谱的幅度；
(8)基于匹配场处理获得定位模糊曲面，常规匹配场处理(MFP)表示为
S(a)＝|wH(a)d(atrue)|2
式中S(a)表示位置匹配模糊函数，当拷贝场向量与真实场向量d(atrue)一致时，模糊函数为最大值，拷贝场向量对应的位置a即为估计的声源位置，该式被表述为
S(a)＝wH(a)K(atrue)w(a)
式中K(atrue)＝d(atrue)dH(atrue)，为真实场向量的协方差矩阵；
(9)根据步骤(8)结果，输出最大模糊值对应的期望声源位置：
Figure BDA0003723785880000051
本发明应用实例：
步骤1、通过布放在冰面的加速度计阵列采集冰下声源发出的跨冰声信号；相比于在冰下或海底布放基线，这一步骤具有布放简单、实施便捷、经济高效、基元坐标精确校准、作业安全性高的优势。如图3所示，加速度计水平阵的阵元数为50个，等间隔5m。声源距离原点阵元r＝700m处，深度d＝20m，方位角θ＝60°；
步骤2、基于傅里叶变换提取信号频谱向量；
步骤3、建立声源距离ri和深度di搜索网格序列；距离搜索范围1000，间隔1m，深度搜索范围50m，间隔1m。
步骤4、依据声源搜索距离ri和方位角θ计算每个水平阵元与声源的实际距离序列
Figure BDA0003723785880000052
式中xn和yn分别为第n个水平阵元的x轴坐标和y轴坐标。
步骤5、获取冰水环境冰声物理参数。环境参数设置：总深度50m，其中冰层厚度10m，水深35m，沉积层5m。冰层纵波声速3800m/s，横波声速1900m/s，密度0.9g/cm3，纵波衰减系数0.1dB/λ，横波衰减0.3dB//λ；海水声速1500m/s；密度1.0g/cm3，沉积层纵波声速1800m/s，密度1.2g/cm3，纵波衰减0.01dB/λ。
步骤6、基于冰水耦合模型求解每个水平阵元接收的跨冰声传播声场。假设冰下声源发出的声波为简谐信号，海冰-海水耦合环境会改变声源信号的幅度和相位，改变程度取决于声源位置以及海冰-海水耦合环境参数。根据海冰-海水耦合声传播理论，接收信号的频域表达式近似为
Figure BDA0003723785880000053
式中G表示接收信号的频谱，z为加速度计的深度，加速度计布放在冰面上，其实际值设置为0，zs为声源深度，r为声源相对于加速度计的距离，
Figure BDA0003723785880000061
表示声源频谱，kn为第n阶模态的水平波数，
Figure BDA0003723785880000062
为冰水耦合声场的第n阶模态幅度。
常规的水声简正波理论是建立在海水的波动方程上求解的，此处的一点改进是采用通过联合求解海冰中声传播的纳维(Navier)方程和海水中声传播的亥姆霍兹方程(Helmholtz)方程获得冰水耦合声场的水平波数kn和简正波模态
Figure BDA0003723785880000063
使得并不适合冰层覆盖海域进行水声定位的常规匹配场处理得到了极地环境适应性改进。
步骤7、提取不同期望位置的理论频谱向量。将步骤3和4所得的搜索网格、以及步骤5的冰水环境物理参数带入步骤6求解每个阵元接收的跨冰声传播声场。采用冰水耦合简正波模型获得不同位置a＝(zs,r)跨冰声信号的理论频谱向并归一化为
Figure BDA0003723785880000064
式中，对于同步阵列，G(a)表示为频谱，包括频谱的幅度和相位，对于非同步阵列，G(a)表示为频谱的幅度。
步骤8、基于匹配场处理获得定位模糊曲面。常规匹配场处理(MFP)表示为
S(a)＝|wH(a)d(atrue)|2
式中S(a)表示位置匹配模糊函数，当拷贝场向量与真实场向量d(atrue)一致时，模糊函数为最大值，拷贝场向量对应的位置a即为估计的声源位置。该式也可以被表述为
S(a)＝wH(a)K(atrue)w(a)
式中K(atrue)＝d(atrue)dH(atrue)，为真实场向量的协方差矩阵。如图4所示，为匹配场处理得到的归一化定位模糊曲面的分贝值。声源的实际位置为距离第一阵元700m，深度20m。
步骤9、根据步骤8结果，估计的声源位置为
Figure BDA0003723785880000065
如图4所示，为非同步水平阵列的跨冰定位结果图，如图中白圈标示，当期望声源距离700m，声源深度为20m时，定位模糊曲面的值最大，即估计的声源距离和深度分别为700m和20m，与实际声源位置一致。如图5所示为同步水平阵列的跨冰定位结果图，与图4相比，具有更低的背景噪声。同步阵列可以同时利用跨冰声响应的幅度和相位分量，而非同步阵列仅可以利用声场的幅度分量，导致同步水平阵列的定位模糊函数的背景噪声比非同步阵列的背景噪声更低，跨冰定位效果更好。
通过提出两种同步型水平阵以及非同步型冰面加速度计水平阵列匹配场定位方法，实现了针对极地冰区冰下声源的跨冰定位这一开创性应用。

Claims (2)

1.一种基于冰面水平阵列的匹配场跨冰定位方法，其特征是：
(1)在冰面布防加速度计阵列，通过加速度计阵列采集冰下声源发出的跨冰声信号；
(2)基于傅里叶变换提取跨冰声信号频谱向量；
(3)建立声源搜索距离ri和深度di搜索网格序列；
(4)依据声源搜索距离ri和方位角θ计算每个水平阵元与声源的实际距离序列
Figure FDA0003723785870000011
式中xn和yn分别为第n个水平阵元的x轴坐标和y轴坐标；
(5)获取冰水环境冰声物理参数；
(6)基于冰水耦合模型求解每个水平阵元接收的跨冰声传播声场：假设冰下声源发出的声波为简谐信号，海冰-海水耦合环境会改变声源信号的幅度和相位，改变程度取决于声源位置以及海冰-海水耦合环境参数，根据冰声简正波传播理论，接收信号的频域表达式为
Figure FDA0003723785870000012
式中G表示接收信号的频谱，z为加速度计的深度，zs为声源深度，r为声源相对于加速度计的距离，
Figure FDA0003723785870000013
表示声源频谱，kn为第n阶模态的水平波数，
Figure FDA0003723785870000014
为冰水耦合声场的第n阶简正波模态幅度；
(7)提取不同期望位置的理论频谱向量：将步骤(3)和(4)所得的搜索网格、以及步骤(5)的冰水环境物理参数带入步骤(6)求解每个阵元接收的跨冰声传播声场，采用冰水耦合简正波模型获得不同位置a＝(zs,r)跨冰声信号的理论频谱向并归一化为
Figure FDA0003723785870000015
式中，对于同步阵列，G(a)表示为频谱，包括频谱的幅度和相位，对于非同步阵列，G(a)表示为频谱的幅度；
(8)基于匹配场处理获得定位模糊曲面，常规匹配场处理(MFP)表示为S(a)＝|wH(a)d(atrue)|2
式中S(a)表示位置匹配模糊函数，当拷贝场向量与真实场向量d(atrue)一致时，模糊函数为最大值，拷贝场向量对应的位置a即为估计的声源位置，该式被表述为S(a)＝wH(a)K(atrue)w(a)
式中K(atrue)＝d(atrue)dH(atrue)，为真实场向量的协方差矩阵；
(9)根据步骤(8)结果，输出最大模糊值对应的期望声源位置：
Figure FDA0003723785870000021
2.根据权利要求1所述的一种基于冰面水平阵列的匹配场跨冰定位方法，其特征是：步骤(5)中获取的冰水环境冰声物理参数包括：总深度、冰层纵波声速、横波声速、冰层密度、纵波衰减系数、横波衰减系数、海水声速、海水密度、沉积层纵波声速、沉积层密度、纵波衰减系数。
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