CN116840842A - 一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统及其定位方法 - Google Patents

一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统及其定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统及其定位方法。确定被动定位的目标场景并布放二元水听器阵；根据选取的二元水听器阵的布放深度计算拷贝场；根据二元水听器接收信号计算互相关函数；基于拷贝场及接收信号互相关函数通过匹配滤波器输出二维模糊面；基于匹配滤波器输出二维模糊面确定声源深度和距离。本发明针对利用深海海面附近会聚区进行被动定位时无法区分不同传播路径时间差的缺点，通过利用声道轴以下的下会聚区实现了远距离海面附近目标的被动测距与测深。

Description

一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动 定位系统及其定位方法
技术领域
本发明属于声场建模与应用领域，具体涉及一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统及其定位方法。
背景技术
深海声传播具有多种传输途径，包括直达波、海面反射波、海底反射波等。通过匹配多途特征，如时延、到达角、频域声强干涉结构等可以实现声源的被动定位。深海下会聚区是深海所特有的声传播信道，其形成不受深海海底地形的限制，且此声传播路径不受近海面效应或者海底相互作用的影响，是一种新型的深海远程探测手段。海面附近的会聚区在距离增大后，会聚的效应大幅减弱，且会聚区的宽度大幅增加，不利于进行目标的被动定位；深海下会聚区在距离增大后，会聚区的强度衰减较小，且会聚区的宽度不发生变化，并且受到近海面海水动力学因素影响较小。海面附近会聚区垂直方向分布范围窄，要实现被动定位对水听器的布放深度限制较大，而下会聚区垂直方向分布范围广，易于水听器的布放来实现目标的被动定位。
发明内容
本发明提供一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统及其定位方法，针对利用深海海面附近会聚区进行被动定位时的缺点，通过利用声道轴以下的下会聚区实现了远距离海面附近目标的被动测距与测深。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统，所述声源被动定位系统包括重物、释放器、二元水听器阵、主处理机及浮体；
所述重物的上方设置释放器，所述释放器的上端设置二元水听器阵，所述二元水听器阵的上方设置多个浮体，所述释放器通过缆绳串联二元水听器阵与主处理机，所述缆绳与多个浮体系挂相连；
所述二元水听器阵包括垂直布放二元水听器、水文监测器CTD、缆绳及电池，所述缆绳将二元水听器和水文监测器CTD串联，所述二元水听器和水文监测器CTD通过电池供电。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统，所述主处理机包括数据预处理模块、拷贝场计算模块、互相关函数计算模块、二维模糊面输出模块及数据预处理模块；
所述数据预处理模块，用于对采集的二元水听器的时域接收数据进行预处理；
所述拷贝场计算模块，用于根据选取的二元水听器的布放深度计算拷贝场；
所述互相关函数计算模块，用于根据计算接收信号的互相关函数与拷贝场进行匹配输出二位模糊度面；
所述二维模糊面输出模块，用于基于拷贝场及接收信号互相关函数匹配滤波器输出二维模糊面，基于匹配滤波器输出二维模糊面确定声源深度和距离。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所述声源被动定位方法利用上述的声源被动定位系统，所述声源被动定位方法包括以下内容，
确定被动定位的目标场景并布放二元水听器阵；
根据选取的二元水听器阵的布放深度计算拷贝场；
根据二元水听器接收信号计算互相关函数；
基于拷贝场及接收信号互相关函数通过匹配滤波器输出二维模糊面；
基于匹配滤波器输出二维模糊面确定声源深度和距离。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所述确定被动定位的目标场景具体为，对所要进行被动定位的目标场景的声速进行测量，确定该场景区域的深海声道类型。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所述二元水听器的布放深度具体为，根据目标场景的声速剖面结构判断其深海声道的类型，若深海声道为完整深海声道，则可将声源被动定位系统的二元水听器布放于临界深度以下，此时可实现对海面任意深度目标的定位；若深海声道为不完整深海声道，则应将声源被动定位系统的二元水听器尽可能接近海底布放，此时可实现对海底共轭深度以下任意深度目标的定位。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，依据声道类型确定临界深度或海底共轭深度的方法，声源被动定位系统的方法中所指的临界深度为深海完整声道中声道轴以下区域海面声速的共轭声速所在的深度。不完整声道中海底的共轭深度指的是声道轴以上区域海底声速的共轭声速所在的深度。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所述拷贝场计算方法基于所述声源被动定位系统，具体为，
以二元水听器布放于临界深度以下的接收水听器深度为声源深度，仿真目标场景中任意位置Q(r,z)处的传递函数值；
以二元水听器尽可能接近海底选取的接收水听器深度为声源深度，仿真目标场景中任意位置QT(r,z)处的传递函数值；
根据得到的位置Q(r,z)处或位置QT(r,z)处两只水听器的传递函数值，计算这俩传递函数的归一化相关函数，即作为该位置Q(r,z)处或QT(r,z)处的拷贝场。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，将接收信号互相关函数与拷贝场进行匹配时，为减小噪声影响，依据最小二乘法原则选取目标函数，具体的目标函数为，
其中w(n,r,zs)为(r,zs)位置处的拷贝场，R(n-m)为接收信号互相关函数。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，针对垂直布放在大深度会聚区的二元水听器阵，当声源为一个宽带声源时，在两个水听器接收信号的互相关函数中将存在4个随着声源深度和距离变化明显的峰值，且这些峰值在大深度会聚区中始终存在，而在大深度会聚区之外则不存在，因此通过匹配接收信号互相关函数中的4个易于区分峰值的位置和强度，可以实现利用深海下会聚区对声源进行定位。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所实现的定位为二维平面内的定位，即对声源进行测距与测深。
本发明的有益效果是：
本发明所提出的定位方法只需要在大深度布放的两个水听器，通过将两个水听器接收信号的互相关函数中特定的峰值结构与拷贝场进行匹配，即可实现对深海会聚区中目标的被动定位。本发明不需要对多途时延进行直接测量，也不需要已知目标的波形信息，具有很好的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明的声源被动定位系统图。
图3是本发明完整声道临界深度与不完整声道海底共轭深度示意图。
图4是本发明二元水听器接收信号互相关函数示意图。
图5是本发明二元水听器接收信号互相关函数随距离变化图。
图6是本发明二元水听器接收信号互相关函数随深度变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统，所述声源被动定位系统包括重物、释放器、二元水听器阵、主处理机及浮体；
所述重物的上方设置释放器，所述释放器的上端设置二元水听器阵，所述二元水听器阵的上方设置多个浮体，所述释放器通过缆绳串联二元水听器阵与主处理机，所述缆绳与多个浮体系挂相连，所述多个附体之间的最小间距＞0.3m；
所述二元水听器阵包括垂直布放二元水听器、水文监测器CTD、缆绳及电池，所述缆绳将二元水听器和水文监测器CTD串联，所述二元水听器和水文监测器CTD通过电池供电。
所述多个浮体可以为浮球，且包括主浮球与副浮球，所述主浮球的直径大于副浮球的直径，用于确定二元水听器阵及释放器所在的位置。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统，所述主处理机包括数据预处理模块、拷贝场计算模块、互相关函数计算模块、二维模糊面输出模块及数据预处理模块；
所述数据预处理模块，用于对采集的二元水听器的时域接收数据进行预处理；
所述拷贝场计算模块，用于根据选取的二元水听器的布放深度计算拷贝场；
所述互相关函数计算模块，用于根据计算接收信号的互相关函数与拷贝场进行匹配输出二位模糊度面；
所述二维模糊面输出模块，用于基于拷贝场及接收信号互相关函数匹配滤波器输出二维模糊面，基于匹配滤波器输出二维模糊面确定声源深度和距离。
根据互易定理，分别将所选取的两个水听器深度作为声源深度，仿真每个网格点上的传递函数，并将两个传递函数的归一化互相关函数作为拷贝场。仿真的网格点水平方向间隔100m，垂直方向间隔2m，针对较浅声源的被动定位，可以将水平网格的范围设置为1-100km，垂直方向网格范围设置为0-300m。
上述模块单元运行实现相关功能的软件。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所述声源被动定位方法利用如上述基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统，所述声源被动定位方法包括以下内容，
确定被动定位的目标场景并布放二元水听器阵；
根据选取的二元水听器阵的布放深度计算拷贝场；
根据二元水听器接收信号计算互相关函数；
基于拷贝场及接收信号互相关函数通过匹配滤波器输出二维模糊面；
基于匹配滤波器输出二维模糊面确定声源深度和距离。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所述确定被动定位的目标场景具体为，对所要进行被动定位的目标场景的声速进行测量，确定该场景区域的深海声道类型。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所述二元水听器的布放深度具体为，根据目标场景的声速剖面结构判断其深海声道的类型，若深海声道为完整深海声道，即海底声速大于海面声速，则可将声源被动定位系统的二元水听器布放于临界深度以下，此时可实现对海面任意深度目标的定位；若深海声道为不完整深海声道，即海底声速小于海面声速，则应将声源被动定位系统的二元水听器尽可能接近海底布放，此时可实现对海底共轭深度以下任意深度目标的定位。
所述声速剖面结构为各个海域客观存在，是可以通过测量得到的，测量方法能够为现有技术。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，依据声道类型确定临界深度或海底共轭深度的方法，即二元水听器声源被动定位系统的方法中所指的临界深度为深海完整声道中声道轴以下区域海面声速的共轭声速所在的深度；不完整声道中海底的共轭深度指的是声道轴以上区域海底声速的共轭声速所在的深度。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所述拷贝场计算方法基于所述声源被动定位系统，具体为，
以二元水听器布放于临界深度以下的接收水听器深度为声源深度，仿真目标场景中任意位置Q(r,z)处的传递函数值；
以二元水听器尽可能接近海底选取的接收水听器深度为声源深度，仿真目标场景中任意位置QT(r,z)处的传递函数值；
根据得到的位置Q(r,z)处或位置QT(r,z)处两只水听器的传递函数值，计算这俩传递函数的归一化相关函数，即作为该位置Q(r,z)处或QT(r,z)处的拷贝场。
将二元水听器阵接收到的信号做互相关，选取适当的代价函数来减小噪声对定位结果的影响，通过将接收信号互相关函数与拷贝场进行匹配，通过匹配滤波器的输出最终实现会聚区中目标的被动定位。
根据对深海中较浅声源的被动定位需求，将目标海洋环境在水平距离上进行网格离散化，水平方向的网格点间距设为100米，水平范围1-100千米，垂直方向的网格点间距设为2米，垂直范围0-300米。在每个网格点(r,z)处，分别以步骤1)中确定的两个水听器深度作为声源，计算该网格点处的传递函数，然后将这两个传递函数的归一化互相关函数作为该网格点处的拷贝场。由于会聚区中声线主要由图1所示的3类声线构成，红色虚线代表直达声，绿色点线代表海面反射声，蓝色实线代表海面海底反射声。假定噪声是独立同分布的，则噪声的互相关函数近似为0，此时两个水听器接收信号的互相关函数可以表示为：
其中，为声源信号的互相关函数，s(n)为声源信号，Ai,p和ni,p为第i个水听器接收到的第p条本征声线的幅值和时延，下标i＝1,2表示两个水听器。下标R,S,B分别表示直达声、海面反射声和海面海底反射声的多途路径。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所述计算接收信号的互相关函数具体为，
利用二元水听器阵接收信号与拷贝场进行匹配来实现深海会聚区的目标被动定位。将接收信号互相关函数与拷贝场进行匹配时，为减小噪声影响，依据最小二乘法原则选取目标函数，具体的目标函数为，
其中w(n,r,zs)为(r,zs)位置处的拷贝场，R(n-m)为接收信号互相关函数。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，针对垂直布放在大深度会聚区的二元水听器阵，当声源为一个宽带声源时，在两个水听器接收信号的互相关函数中将存在4个随着声源深度和距离变化明显的峰值，且这些峰值在大深度会聚区中始终存在，而在大深度会聚区之外则不存在，因此通过匹配接收信号互相关函数中的4个易于区分峰值的位置和强度，可以实现利用深海下会聚区对声源进行定位。
一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所实现的定位为二维平面内的定位，即对声源进行测距测深。
通过计算机数值仿真以及海上爆炸声实验给出了本发明提出方法的定位结果，从定位结果证明了本发明提出的方法可以对水下目标进行有效的探测与定位。

Claims (10)

1.一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统，其特征在于，所述声源被动定位系统包括重物、释放器、二元水听器阵、主处理机及浮体；
所述重物的上方设置释放器，所述释放器的上端设置二元水听器阵，所述二元水听器阵的上方设置多个浮体，所述释放器通过缆绳串联二元水听器阵与主处理机，所述缆绳与多个浮体系挂相连；
所述二元水听器阵包括垂直布放二元水听器、水文监测器CTD、缆绳及电池，所述缆绳将二元水听器和水文监测器CTD串联，所述二元水听器和水文监测器CTD通过电池供电。
2.根据权利要求1所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统，其特征在于，所述主处理机包括数据预处理模块、拷贝场计算模块、互相关函数计算模块、二维模糊面输出模块及数据预处理模块；
所述数据预处理模块，用于对采集的二元水听器的时域接收数据进行预处理；
所述拷贝场计算模块，用于根据选取的二元水听器的布放深度计算拷贝场；
所述互相关函数计算模块，用于根据计算接收信号的互相关函数与拷贝场进行匹配输出二位模糊度面；
所述二维模糊面输出模块，用于基于拷贝场及接收信号互相关函数匹配滤波器输出二维模糊面，基于匹配滤波器输出二维模糊面确定声源深度和距离。
3.一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，所述声源被动定位方法利用权利要求1所述的声源被动定位系统，所述声源被动定位方法包括以下内容，
确定被动定位的目标场景并布放二元水听器阵；
根据选取的二元水听器阵的布放深度计算拷贝场；
根据二元水听器接收信号计算互相关函数；
基于拷贝场及接收信号互相关函数通过匹配滤波器输出二维模糊面；
基于匹配滤波器输出二维模糊面确定声源深度和距离。
4.根据权利要求3所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，所述确定被动定位的目标场景具体为，对所要进行被动定位的目标场景的声速进行测量，确定该场景区域的深海声道类型。
5.根据权利要求3所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，所述二元水听器阵的布放深度具体为，根据目标场景的声速剖面结构判断其深海声道的类型，若深海声道为完整深海声道，则可将声源被动定位系统的二元水听器布放于临界深度以下，此时可实现对海面任意深度目标的定位；若深海声道为不完整深海声道，则应将声源被动定位系统的二元水听器尽可能接近海底布放，此时可实现对海底共轭深度以下任意深度目标的定位。
6.根据权利要求5所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，依据声道类型确定临界深度或海底共轭深度的方法，声源被动定位系统的方法中所指的临界深度为深海完整声道中声道轴以下区域海面声速的共轭声速所在的深度；不完整声道中海底的共轭深度指的是声道轴以上区域海底声速的共轭声速所在的深度。
7.根据权利要求5所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，所述拷贝场计算方法基于所述声源被动定位系统，具体为，
以二元水听器布放于临界深度以下的接收水听器深度为声源深度，仿真目标场景中任意位置Q(r,z)处的传递函数值；
以二元水听器尽可能接近海底选取的接收水听器深度为声源深度，仿真目标场景中任意位置QT(r,z)处的传递函数值；
根据得到的位置Q(r,z)处或位置QT(r,z)处两只水听器的传递函数值，计算这俩传递函数的归一化相关函数，即作为该位置Q(r,z)处或QT(r,z)处的拷贝场。
8.根据权利要求7所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，将接收信号互相关函数与拷贝场进行匹配时，为减小噪声影响，依据最小二乘法原则选取目标函数，具体的目标函数为，
其中w(n,r,zs)为(r,zs)位置处的拷贝场，R(n-m)为接收信号互相关函数。
9.根据权利要求7所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，针对垂直布放在大深度会聚区的二元水听器阵，当声源为一个宽带声源时，在两个水听器接收信号的互相关函数中将存在4个随着声源深度和距离变化明显的峰值，且这些峰值在大深度会聚区中始终存在，而在大深度会聚区之外则不存在，因此通过匹配接收信号互相关函数中的4个易于区分峰值的位置和强度，可以实现利用深海下会聚区对声源进行定位。
10.根据权利要求9所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，所实现的定位为二维平面内的定位，即对声源进行测距与测深。
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