CN116524954B - 基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法 - Google Patents

基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法，涉及水声工程、海洋工程技术领域，该方法结合深海直达声区的环境特点以及反卷积特性，对反卷积过程进行频域加速、迭代次数自适应调整以及边界拓展优化，并利用优化后的反卷积技术实现对深海直达声区下的声源多途到达角提取，再与仿真声场获得的多途到达角特征模板值进行匹配，进而实现对深海声源目标的高精度定位。能够克服现有定位方法在深海环境下对于信号带宽的严格限制，弥补现有方法在深海直达声区远距离范围内的定位性能不足，在保证计算效率的情况下实现对较复杂深海环境下的声源目标高精度定位。

Description

基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法
技术领域
本发明涉及水声工程、海洋工程技术领域，更具体地，涉及一种基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法。
背景技术
随着各国对海洋开发力度的加大和深海环境水声技术研究需求的急剧增加，对于中远程距离内的深海水下运动目标的探测已成为当前水声技术研究的热点。现阶段，深海直达声区下目标被动定位方法通常可分为三类：基于多途到达结构的定位方法、基于频域干涉结构的定位方法以及匹配场定位方法。
基于多途到达结构的深海声源定位及其深度估计方法通常是利用水听器阵列接收声源信号的多途时延值、俯仰角等信息与仿真结果进行匹配，从而实现对目标的定位。对于远距离目标而言，直达声与海面一次反射声到达时延差较小且难以分辨，声信号到达俯仰角随距离的增加变化缓慢，这就导致对于远距离目标，利用多途到达结构的目标定位方法近乎失效。基于频域干涉结构的定位方法则是利用深海直达声区环境下的“干涉条纹”现象进行定位。但随着目标距离的增加，时延差逐渐减小，干涉周期增加，从而影响了估计精度。此外，干涉条纹易受环境因素的影响导致干涉条纹模糊甚至被背景噪声覆盖，进而影响后续处理。匹配场定位方法计算量大，且对海洋环境参数敏感，在深海环境下适用性较差。
如何克服现有定位方法在深海环境下对于信号带宽的严格限制，弥补现有方法在深海直达声区远距离范围内的定位性能不足，在保证计算效率的情况下实现对较复杂深海环境下的声源目标高精度定位，是目前的技术方案尚未解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法，能够克服现有定位方法在深海环境下对于信号带宽的严格限制，弥补现有方法在深海直达声区远距离范围内的定位性能不足，在保证计算效率的情况下实现对较复杂深海环境下的声源目标高精度定位。
为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
S1：利用部署在深海海底区域的同步垂直水听器阵列接收声源目标辐射的声压信号，对接收的声压信号做频域波束形成处理获得信号功率谱。
S2：计算同步垂直水听器阵列的自然指向性函数，对信号功率谱作频域反卷积自适应迭代计算，提取多途到达角估计值。
S3：设置海洋环境文件及声源和接收器位置信息，仿真计算获得在设置的接收深度下位于不同声源深度网格点和不同距离网格点处的多途到达角的声场特征模板。
S4：将S2提取的度多途到达角估计值与S3得到声场特征模板进行匹配，获得声源目标距离和深度估计数值。
S5：对直达声区一倍海深距离范围内的声源目标进行边界拓展的反卷积解算，修正声源目标距离和深度估计数值，完成最终定位。
进一步地，S1：利用部署在深海海底区域的同步垂直水听器阵列接收声源目标辐射的声压信号，对接收的声压信号做频域波束形成处理获得信号功率谱，具体包括如下步骤：
S11：将包含M个阵元的同步水听器垂直线阵布放于深海海底区域，用于采集时域信号，水听器采样率/>；其中，M为垂直线阵阵元数，/>为第m个阵元在t时刻采集到的时域信号。
S12：选定通道和时间窗/>，通道m 是指同步水听器垂直线阵的第m个阵元，m的取值是1~M，对/>时间段内的时域信号/>做傅里叶变换，得到第/>通道在频点/>处的频谱/>，其中，/>，频点/>为选定频带下界，频点/>为选定频带上界，K为选定频带中频点总数。
计算全阵元在频点处的频谱/>与同步水听器垂直线阵的阵列导向矢量：
其中，d为阵元间距，c为垂直线阵中心位置的海水声速，为方位角。
计算目标声源在频点处的频域波束输出/>：
其中，conj（*）为取*的复共轭。
对进行共轭补全，宽带叠加得到目标声源功率谱/>。
优选地，方位角，其取值范围为/>。
进一步地，S2：计算同步垂直水听器阵列的自然指向性函数，对信号功率谱作频域反卷积自适应迭代计算，提取多途到达角估计值，具体包括如下步骤：
S21：计算垂直阵列在频点处的自然指向性函数PSF为/>，对选定频带内的作累加归一化得到/>：
其中频点为选定频带下界，频点/>为选定频带上界，K为选定频带中频点总数。
S22 采用Richardson-Lucy算法对进行反卷积迭代计算，原始迭代公式如下：
其中，为初始输入功率谱，/>为自然指向性函数/>，/>为第n次迭代获得的反卷积空间谱；x表示与来波角度相关的变量，y表示与阵列形状相关的变量。
对、/>进行傅里叶变换，原始迭代公式中的两次积分计算均转换到频域进行卷积计算。
S23：取第n次迭代获得的反卷积空间谱与/>作频域相乘获得第n次迭代后恢复的模糊空间谱/>，计算/>与原始功率谱/>之差记作/>：
计算与/>的变化率/>，当变化率/>小于设定的极小量阈值/>时，则迭代已完成收敛。
迭代至满足时，退出迭代，此时对应的迭代次数即为最优迭代次数/>，同时获得最优迭代空间谱/>。
S24：对最优迭代空间谱做极大值点筛选，提取峰值点集合中的多途到达角，其中/>为直达波到达角，/>为海面n-1次反射波到达角。
优选地，极小量阈值设定为10-3。
进一步地，S24中提取峰值点集合中的多途到达角，其中n取值为2，即仅获得直达波到达角和海面一次反射波到达角。
进一步地，S3：设置海洋环境文件及声源和接收器位置信息，仿真计算获得在设置的接收深度下位于不同声源深度网格点和不同距离网格点处的多途到达角的声场特征模板，具体包括如下步骤：
S31：采用试验实测声速分布或海洋环境数据库历史数据设置声速梯度，设置声场特征模板的声源深度范围、深度间隔以及声源个数，声源特征模板深度网格点范围为声源目标存在的深度范围，深度间隔依定位精度要求确定。
设置声场特征模板的声源距离范围及距离取样点间隔；声源特征模板距离网格点范围为直达声区范围，距离间隔依定位精度要求确定。
S32：运行BELLHOP进行声场计算，读取并保存位于不同声源深度网格点和不同距离网格点处的多途到达角的声场特征模板。
进一步地，S4：将S2提取的度多途到达角估计值与S3得到声场特征模板进行匹配，获得声源目标距离和深度估计数值，具体步骤如下：
S41：定义代价函数：
其中，为设置的接收深度下直达波在不同距离点处的特征模板值，/>为设置的接收深度下海面一次反射波在不同距离点处的特征模板值。
S42：求取代价函数的最小值，获得声源目标距离估计数值/>以及深度估计数值。
进一步地，S5：对直达声区一倍海深距离范围内的声源目标进行边界拓展的反卷积解算，修正声源目标距离和深度估计数值，完成最终定位，包括如下具体步骤：
S51：为消除反卷积边界模糊问题，筛选声源目标估计距离小于一倍海深距离的声源目标作为定位修正对象；
S52 对定位修正对象的自然指向性函数PSF以及频域波束形成功率谱进行边界周期拓展，拓展原有物理域为原有的两倍；
S53：采用拓展后的PSF与频域波束形成功率谱，按照步骤S2进行重新解算，并按照步骤S4进行重新匹配定位，得到直达声区一倍海深距离范围内声源目标距离和深度的修正值，完成最终定位。
有益效果：
1：本发明借鉴了图像处理领域的反卷积技术，提出了一种基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法，该方法结合深海直达声区的环境特点以及反卷积特性，对反卷积过程进行频域加速、迭代次数自适应调整以及边界拓展优化，并利用优化后的反卷积技术实现对深海直达声区下的声源多途到达角提取，再与仿真声场获得的多途到达角特征模板值进行匹配，进而实现对深海声源目标的高精度定位。该方法不依赖于时延匹配与干涉现象，克服了常规测深方法中对信号带宽的严格限制，且能够在较低信噪比的情况下实现目标定位，环境适配性强。该方法对反卷积迭代中的迭代次数做了自适应优化，计算量小，处理速度快，在实时水声信号处理系统中具有重要意义。
2：本发明中对频域常规波束形成功率谱进行反卷积处理，能够有效提高角度分辨率，实现对直达波、海面一次反射波等多途到达角的高分辨估计，并且继承了常规波束形成鲁棒性强的优点，可在直达声区远距离范围内进行有效定位。
3：本发明提出的基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法充分利用了阵列增益，相较于常规深海直达区定位方法，有效克服了常规方法对环境信噪与信号带宽的限制，具有更强的环境适配性。
4：本发明中采用Richardson-Lucy算法进行频域加速迭代，且对迭代次数进行自适应调整，有效减少了冗余计算，处理速度快，更符合工程实际应用。
附图说明
图1为基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法流程图；
图2为实验设备部署图；
图3为实验海区实测声速梯度图；
图4为距离估计结果图；
图5为深度估计结果图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本发明的目的在于，克服现有定位方法在深海环境下对于信号带宽的严格限制，弥补现有方法在深海直达声区远距离范围内的定位性能不足，在保证计算效率的情况下实现对较复杂深海环境下的声源目标高精度定位，因而提出了一种基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法。
主要步骤如下：
S1：利用部署在深海海底区域的同步垂直水听器阵列接收声源目标辐射的声压信号，对接收的声压信号做频域波束形成处理获得信号功率谱。S1具体包含如下步骤：
S11：将包含M个阵元的同步水听器垂直线阵布放于深海海底区域，用于采集时域信号，水听器采样率/>；其中，M为垂直线阵阵元数，/>为第m个阵元在t时刻采集到的时域信号。
S12：选定通道和时间窗/>，通道m 是指同步水听器垂直线阵的第m个阵元，m的取值是1~M，对/>时间段内的时域信号/>做傅里叶变换，得到第/>通道在频点/>处的频谱/>，其中，/>，频点/>为选定频带下界，频点/>为选定频带上界，K为选定频带中频点总数；
计算全阵元在频点处的频谱/>与同步水听器垂直线阵的阵列导向矢量：
其中，d为阵元间距，c为垂直线阵中心位置的海水声速，为方位角，方位角/>的取值范围为/>。
计算目标声源在频点处的频域波束输出/>：
其中，conj（*）为取*的复共轭；
对进行共轭补全，宽带叠加得到目标声源功率谱/>。
S2：计算同步垂直水听器阵列的自然指向性函数，对信号功率谱作频域反卷积自适应迭代计算，提取多途到达角估计值；具体包括如下步骤：
S21：计算垂直阵列在频点处的自然指向性函数PSF为/>，对选定频带内的作累加归一化得到/>：
其中频点为选定频带下界，频点/>为选定频带上界，K为选定频带中频点总数；
S22 采用Richardson-Lucy算法对进行反卷积迭代计算，原始迭代公式如下：
其中，为初始输入功率谱，/>为自然指向性函数/>，/>为第n次迭代获得的反卷积空间谱；x表示与来波角度相关的变量，本发明可以是来波角度，y表示与阵列形状相关的变量，阵列形状决定自然指向性函数；
对、/>进行傅里叶变换，原始迭代公式中的两次积分计算均转换到频域进行卷积计算；
S23：取第n次迭代获得的反卷积空间谱与/>作频域相乘获得第n次迭代后恢复的模糊空间谱/>，计算/>与原始功率谱/>之差记作/>：
计算与/>的变化率/>，当变化率/>小于设定的极小量阈值/>时，则迭代已完成收敛；本发明实施例中极小量阈值/>设定为10-3。
迭代至满足时，退出迭代，此时对应的迭代次数即为最优迭代次数/>，同时获得最优迭代空间谱/>；
S24：对最优迭代空间谱做极大值点筛选，提取峰值点集合中的多途到达角，其中/>为直达波到达角，/>为海面n-1次反射波到达角。其中n取值为2，即仅获得直达波到达角和海面一次反射波到达角。
S3：设置海洋环境文件及声源和接收器位置信息，仿真计算获得在设置的接收深度下位于不同声源深度网格点和不同距离网格点处的多途到达角的声场特征模板，具体包括如下步骤：
S31：采用试验实测声速分布或海洋环境数据库历史数据设置声速梯度，设置声场特征模板的声源深度范围、深度间隔以及声源个数，声源特征模板深度网格点范围为声源目标存在的深度范围，深度间隔依定位精度要求确定；
设置声场特征模板的声源距离范围及距离取样点间隔；声源特征模板距离网格点范围为直达声区范围，距离间隔依定位精度要求确定；
S32：运行BELLHOP进行声场计算，读取并保存位于不同声源深度网格点和不同距离网格点处的多途到达角的声场特征模板。
S4：将S2提取的度多途到达角估计值与S3得到声场特征模板进行匹配，获得声源目标距离和深度估计数值，具体步骤如下：
S41：定义代价函数：
其中，为设置的接收深度下直达波在不同距离点处的特征模板值，/>为设置的接收深度下海面一次反射波在不同距离点处的特征模板值。
S42：求取代价函数的最小值，获得声源目标距离估计数值/>以及深度估计数值。
S5：对直达声区一倍海深距离范围内的声源目标进行边界拓展的反卷积解算，修正声源目标距离和深度估计数值，完成最终定位。具体步骤如下：
S51 为消除反卷积边界模糊问题，筛选声源目标估计距离小于一倍海深距离范围内的声源目标作为定位修正对象。
S52 对修正对象的自然指向性函数PSF以及频域波束形成功率谱进行边界周期拓展，拓展原有物理域为原有的两倍。
S53 采用拓展后的PSF与频域波束形成功率谱按照步骤S2进行重新解算，并按照步骤S4进行重新匹配定位，得到直达声区近距离范围声源目标距离和深度的修正值。
实施例2：
图1为本发明基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法流程图，以此为依据，对某海上试验的声弹目标进行距离和深度估计。本例中考虑部署在海底附近的垂直水听器线阵，阵元数目为15，阵元间距为7.5m，垂直阵等效深度为4194.5em，海深4267m。实验船只自垂直阵列近点位置远离至远点做匀速直线运动，运动速度约4节，距离变化范围约为2.1km-19.1km。声弹每240s投放一次，投放总次数18次，其中第3次、第11次声弹因故障未引爆，阵列实际接受声弹数据共16次，声弹等效深度约200m。实验设备部署如图2所示。
选取实验船只运动过程中的第一次声弹数据为例，基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法步骤如下：
S1利用部署在深海近海底区域的同步垂直水听器阵列接收声源目标辐射声信号，对接收的声压信号做频域波束形成处理获得信号功率谱。
S11将15阵元的同步水听器垂直线阵布放于近海底处，采集声弹时域信号，水听器采样率/>=16kHz。
S12 选定通道和时间窗/>，对/>时间段内的时域信号/>做傅里叶变换，得到第/>通道在频点/>处的频谱/>，本例中，/>。
计算目标声源宽带功率谱，方位/>取值范围为/>，搜索间隔/>。
S2计算阵列自然指向性函数，对信号功率谱作频域Richardson-Lucy反卷积迭代计算，依据从信号功率谱中提取的直达波与海面一次反射波均值，进行迭代次数自适应调整，提取多途到达角估计值。
S21 计算垂直阵列在选定频带20-500Hz内的归一化自然指向性函数。
S22 为实现频域加速计算，对、/>进行傅里叶变换，代入Richardson-Lucy原始迭代公式中，迭代公式中的两次积分计算均转换到频域作卷积计算。
原始迭代公式如下：
其中，为初始输入功率谱，/>为自然指向性函数/>，/>为第n次迭代获得的反卷积空间谱。
S23自适应迭代：取第n次迭代获得的反卷积空间谱与/>作频域相乘获得第n次迭代后恢复的模糊空间谱/>，计算/>与原始功率谱/>之差记作/>：
计算与/>的变化率/>，当变化率/>小于某极小量/>时，可认为迭代已完成收敛。
迭代至满足时，退出循环，获得最优迭代次数/>与最优迭代空间谱/>。本例中，/>取0.0001，最优迭代次数为416次。
S24 对最优迭代次数的反卷积迭代结果做极大值点筛选，提取峰值点集合中的多途到达角，其中/>为直达波到达角，/>为海面一次反射波到达角，其余多途到达角以此类推。本例中，/>，/>。
S3设置海洋环境文件及声源和接收器位置信息，利用BELLHOP仿真计算获得某个接收深度下位于不同深度和不同距离网格点处的目标俯仰角等特征模板。
S31采用CTD实测试验海区声速分布设置声速梯度（如图3），设置声源特征模板深度网格点为0-600m，深度间隔为1m，声源个数为1。声源特征模板距离网格点为0-20km，距离取样点间隔为100m。声线计算条数设置为30001条。
S32运行BELLHOP进行声场计算，读取并保存声场特征模板信息。
S4将反卷积迭代提取的直达波、海面一次反射波多途到达角估计值与声场特征模板进行匹配，求解声源距离、深度信息。
S41计算代价函数：
其中，为某深度下直达波在不同距离点处的特征模板值，/>为某深度下海面一次反射波在不同距离点处的特征模板值。
S42 求取代价函数的最小值，获得声源目标估计距离/>、估计深度。
S5对距离小于5km的声源目标作进边界拓展的反卷积解算，修正近距离目标的距离、深度估计数值，完成最终定位。
S51 为消除反卷积边界模糊问题，筛选的声源目标作为定位修正对象，本例/>满足此情形。
S52 对修正对象的PSF以及频域波束形成功率谱进行边界周期拓展，物理域拓宽为原有2倍，即（-180°到180°）。
S53 采用拓展后的PSF与频域波束形成功率谱按照步骤S2进行重新解算，并按照步骤S4进行重新匹配定位，得到距离小于5km的声源目标的距离、深度修正值。本例中，修正后/>，/>。
S54本例步骤S2中未提取到其他路径的多途到达角，故略过。
按照上述步骤，循环利用该方法对阵列实际接受到的共16次声弹数据进行距离和深度估计，并将估计距离、深度和实际值进行对比，最终结果如图4、图5所示。测距方面，在对16次声弹声信号进行反卷积处理后，其距离估计值与GPS记录值吻合较好，平均相对误差为3.05%，平均绝对误差为236.5m；针对声弹信号的深度估计，其平均相对误差为6.12%，平均绝对误差为12.25m。
对本发明的结果进行分析可知，利用反卷积技术提取声源多途到达角进行匹配定位时，因反卷积相较于常规频域波束形成有着更高的角度分辨力，能够实现对直达波与海面一次反射波的高精度分辨，此外，该方法还继承了常规波束形成鲁棒性高的优点，其测距、测深性能在实测的直达声区远距离处依旧能保持良好的稳定性与准确度，更切合实际应用
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：利用部署在深海海底区域的同步垂直水听器阵列接收声源目标辐射的声压信号，对接收的声压信号做频域波束形成处理获得信号功率谱；S1具体包括如下步骤：
S11：将包含M个阵元的同步水听器垂直线阵布放于深海海底区域，用于采集时域信号，水听器采样率/>；其中，M为垂直线阵阵元数，/>为第m个阵元在t时刻采集到的时域信号；
S12：选定通道和时间窗/>，通道m 是指同步水听器垂直线阵的第m个阵元，m的取值是1~M，对/>时间段内的时域信号/>做傅里叶变换，得到第/>通道在频点/>处的频谱，其中，/>，频点/>为选定频带下界，频点/>为选定频带上界，K为选定频带中频点总数；
计算全阵元在频点处的频谱/>与同步水听器垂直线阵的阵列导向矢量/>：
其中，d为阵元间距，c为垂直线阵中心位置的海水声速，为方位角；
计算目标声源在频点处的频域波束输出/>：
其中，conj（*）为取*的复共轭；
对进行共轭补全，宽带叠加得到目标声源功率谱/>；
S2：计算所述同步垂直水听器阵列的自然指向性函数，对信号功率谱作频域反卷积自适应迭代计算，提取多途到达角估计值；
S3：设置海洋环境文件及声源和接收器位置信息，仿真计算获得在设置的接收深度下位于不同声源深度网格点和不同距离网格点处的多途到达角的声场特征模板；
S4：将S2提取的多途到达角估计值与S3得到声场特征模板进行匹配，获得声源目标距离和深度估计数值；
S5：对直达声区一倍海深距离范围内的声源目标进行边界拓展的反卷积解算，修正声源目标距离和深度估计数值，完成最终定位。
2.如权利要求1所述的基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法，其特征在于，所述方位角，其取值范围为/>。
3.如权利要求1或2所述的基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法，其特征在于，所述S2：计算所述同步垂直水听器阵列的自然指向性函数，对信号功率谱作频域反卷积自适应迭代计算，提取多途到达角估计值，具体包括如下步骤：
S21：计算垂直阵列在频点处的自然指向性函数PSF为/>，对选定频带内的/>作累加归一化得到/>：
其中频点为选定频带下界，频点/>为选定频带上界，K为选定频带中频点总数；
S22 采用Richardson-Lucy算法对进行反卷积迭代计算，原始迭代公式如下：
其中，为初始输入功率谱，/>为自然指向性函数/>，/>为第n次迭代获得的反卷积空间谱；x表示与来波角度相关的变量，y表示与阵列形状相关的变量；
对、/>进行傅里叶变换，原始迭代公式中的两次积分计算均转换到频域进行卷积计算；
S23：取第n次迭代获得的反卷积空间谱与/>作频域相乘获得第n次迭代后恢复的模糊空间谱/>，计算/>与原始功率谱/>之差记作/>：
计算与/>的变化率/>，当变化率/>小于设定的极小量阈值/>时，则迭代已完成收敛；
迭代至满足时，退出迭代，此时对应的迭代次数即为最优迭代次数/>，同时获得最优迭代空间谱/>；
S24：对最优迭代空间谱做极大值点筛选，提取峰值点集合中的多途到达角，其中/>为直达波到达角，/>为海面n-1次反射波到达角。
4.如权利要求3所述的基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法，其特征在于，所述极小量阈值设定为10-3。
5.如权利要求3所述的基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法，其特征在于，所述S24中提取峰值点集合中的多途到达角，其中n取值为2，即仅获得直达波到达角和海面一次反射波到达角。
6.如权利要求1、2、4或5所述的基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法，其特征在于，所述S3：设置海洋环境文件及声源和接收器位置信息，仿真计算获得在设置的接收深度下位于不同声源深度网格点和不同距离网格点处的多途到达角的声场特征模板，具体包括如下步骤：
S31：采用试验实测声速分布或海洋环境数据库历史数据设置声速梯度，设置声场特征模板的声源深度范围、深度间隔以及声源个数，声源特征模板深度网格点范围为声源目标存在的深度范围，深度间隔依定位精度要求确定；
设置声场特征模板的声源距离范围及距离取样点间隔；声源特征模板距离网格点范围为直达声区范围，距离间隔依定位精度要求确定；
S32：运行BELLHOP进行声场计算，读取并保存位于不同声源深度网格点和不同距离网格点处的多途到达角的声场特征模板。
7.如权利要求6所述的基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法，其特征在于，S4：将S2提取的度多途到达角估计值与S3得到声场特征模板进行匹配，获得声源目标距离和深度估计数值，具体步骤如下：
S41：定义代价函数：
其中，为设置的接收深度下直达波在不同距离点处的特征模板值，/>为设置的接收深度下海面一次反射波在不同距离点处的特征模板值；
S42：求取代价函数的最小值，获得声源目标距离估计数值/>以及深度估计数值/>。
8.如权利要求1所述的基于反卷积理论的深海垂直阵水下目标高精度定位方法，其特征在于，所述S5：对直达声区一倍海深距离范围内的声源目标进行边界拓展的反卷积解算，修正声源目标距离和深度估计数值，完成最终定位，包括如下具体步骤：
S51：为消除反卷积边界模糊问题，筛选声源目标估计距离小于一倍海深距离的声源目标作为定位修正对象；
S52 对所述定位修正对象的自然指向性函数PSF以及频域波束形成功率谱进行边界周期拓展，拓展原有物理域为原有的两倍；
S53：采用拓展后的PSF与频域波束形成功率谱，按照步骤S2进行重新解算，并按照步骤S4进行重新匹配定位，得到直达声区一倍海深距离范围内声源目标距离和深度的修正值，完成最终定位。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108828522A (zh) * 2018-03-28 2018-11-16 西北工业大学 一种利用垂直阵lcmv波束形成的水下目标辐射噪声测量方法
CN114280541A (zh) * 2021-12-15 2022-04-05 中国科学院声学研究所 一种基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法
CN115833961A (zh) * 2022-10-27 2023-03-21 深海技术科学太湖实验室 波束域多通道远程水声通信接收端信号处理方法及系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112285767B (zh) * 2020-10-14 2021-04-23 中国科学院地质与地球物理研究所 海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像装置及方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108828522A (zh) * 2018-03-28 2018-11-16 西北工业大学 一种利用垂直阵lcmv波束形成的水下目标辐射噪声测量方法
CN114280541A (zh) * 2021-12-15 2022-04-05 中国科学院声学研究所 一种基于深海分布式垂直线列阵的目标被动定位方法
CN115833961A (zh) * 2022-10-27 2023-03-21 深海技术科学太湖实验室 波束域多通道远程水声通信接收端信号处理方法及系统

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