CN116953616B - 一种对空中目标的跨冰层三维声学定位方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对空中目标的跨冰层三维声学定位方法和装置，属于极地声学技术领域。由于气象条件的影响，北极海冰限制了水面船只进入核心区域，并限制了大气与海水中的信息交换范围。本发明基于极地声传播理论，挖掘不同模态波场到时与声源空间位置的映射关系，基于多阵元实现对空中目标的相对位置确定。与电磁波相比，声波在冰水介质中的衰减较弱，因此本发明采用声波以波传播，减少了在复杂冰水环境下的信号衰减，提高了信号的传播质量。此外，本发明基于多阵元系统，阵元数越多，定位精度越高。这使得在极地地区的通信和监测任务更为可靠和有效。与电磁波相比，声波在冰水介质中的衰减较弱。

Description

一种对空中目标的跨冰层三维声学定位方法和装置

技术领域

本发明涉及一种极地海冰覆盖环境下的定位方法，尤其涉及一种对空中目标的跨冰层三维声学定位方法和装置，属于极地声学技术领域。

背景技术

由于气象条件的影响，北极海冰限制了水面船只进入核心区域，并限制了大气与海水中的信息交换范围。为了有效传输信息，需要采用更高效的通信方式。极区上空雷达受冰水对电磁波的吸收限制，尤其是对于远距离雷达而言，无法准确监测空中目标，这给北极地区的安全保障、环境监测和航空活动带来巨大威胁。

此外，即使雷达能探测到空中目标，电磁波在冰水介质中的吸收衰减也严重限制了信息传输到水下潜器等设备的能力。在海洋环境中，声学观测是常用的手段，但在极区更多用于冰面下的水域。要实现对空中目标的跨冰层定位，通常需要在冰面上布置中继设备来接收空中目标的信号，并将信号传输到水下潜器。但是这种方法存在隐蔽性差的问题。

拖曳阵声呐系统利用多个接收传感器组成的基阵，通过处理传感器之间的时延和幅度差异，能够准确估计声源的方向和位置，因此在海洋探测领域得到了广泛应用。此外，在海冰下使用拖曳阵声呐系统还能增强隐蔽性。

发明内容

本发明的目的是为了突破现有电磁波方法使用受限，冰基检波器使用不便利和隐蔽性较差的问题，为了实现极区立体化观测平台的构建，本发明提出了一种对空中目标的跨冰层三维声学定位方法和装置，为极区立体化观测平台的建设提供了创新的解决方案。

空中目标所产生的声能量可以藉由流固耦合边界实现跨冰层透射入水，过程中声能量沿着多个路径与以不同速度传播，导致了水下声场复杂性。本发明基于极地声传播理论，挖掘不同模态波场到时与声源空间位置的映射关系，基于多阵元实现对空中目标的相对位置确定。

参见图2，以接收点A为例，传播路径包括水中直达波路径(路径1)和冰层板间纵波路径(路径2)。水中直达波路径：空中目标声源S激发声场，会向下传播引起声源正下方的冰层振动，声波在冰层下表面S′处以球面扩散形式在水中传播。冰层板间纵波传播路径：空中声源激发的声波以特定的入射角α入射到冰层上表面，经由冰层振动后在冰中激发板间纵波，板间纵波在冰层内传播的同时部分声能量经由冰水界面以特定的泄漏角β持续进入水中(角度α与空冰介质中的声速有关，角度β与冰水介质中的声速有关，根据现有技术可计算得到)。

本发明提出一种对空中目标的跨冰层三维声学定位方法，该方法采用N个设置在水下相同深度、不同位置的水听器，N≥2，包括以下步骤：

S1、根据监测声速构建声传播路径时空关系式；

S2、估计水听器与空中目标的距离信息

S2.1、信号接收与提取，并确定每个水听器接收到两种信号的时刻；

S2.2、到时差计算；

S2.3、距离估计

通过计算获得空中脉冲声源S距冰面的垂直距离x，以及每个水听器与空中脉冲声源S的水平距离；

S3、估计空中脉冲声源S与水听器的相对位置信息

S3.1、俯仰角估计

空中脉冲声源S相对于每对水听器中的第一水听器具有俯仰角为ψ_A，满足：

其中，h为水听器的自身当前深度，x为空中目标距冰面的垂直距离，d_A为该水听器距离空中脉冲声源S的水平距离；

S3.2、方位角估计

空中脉冲声源S相对于第一水听器的方位角θ满足关系式：

d_B为该对水听器中的第二水听器距离空中脉冲声源S的水平距离，a为第一水听器与第二水听器的水平距离；

S3.3坐标估计

空中脉冲声源S具有坐标(d_A cosθ,d_Asinθ,h+x)。

有利地，步骤S1包括子步骤：

S1.1、计算板间纵波的入射角α；

S1.2、计算板间纵波的泄漏角β；

S1.3、构建每个水听器的声波传播路径时空关系式。

有利地，入射角α和泄漏角β满足：

其中，c_a为空中声速、c_p冰中纵波声速、c_w为水中声速。

有利地，步骤S1.3中基于每个水听器通过水中直达波路径和冰层板间纵波路径接收到信号的距离、速度和时间关系构建信号到达的时间差表达方式，构建每对水听器接收由冰层下表面S′传播的信号的时间差表达方式。

有利地，水听器通过水中直达波路径和冰层板间纵波路径接收到信号的时间差为：

其中，h为水听器深度，d为水听器与空中脉冲声源S的水平距离；

每对水听器接收由冰层下表面S′传播的信号的时间差Δt_C为：

d_A、d_B分别为两个水听器分别与空中脉冲声源S的水平距离。

有利地，步骤S2.2中获得每个水听器通过水中直达波路径和冰层板间纵波路径接收到信号的时间差以及每对水听器接收由冰层下表面S′传播的信号的时间差。

有利地，若通过多对水听器对空中脉冲声源S进行定位，对多组结果进行统计分析获得更准确位置。

本发明还提出一种对空中目标的跨冰层三维声学定位装置，该装置用于执行如上所述的跨冰层三维声学定位方法。

有利地，该装置包括处理模块，其执行以下操作：

S1、根据监测声速构建声传播路径时空关系式；

S2、估计水听器与空中目标的距离信息

S2.1、信号接收与提取，并确定每个水听器接收到两种信号的时刻；

S2.2、到时差计算；

S2.3、距离估计

通过计算获得空中脉冲声源S距冰面的垂直距离x，以及每个水听器与空中脉冲声源S的水平距离；

S3、估计空中脉冲声源S与水听器的相对位置信息

S3.1、俯仰角估计

空中脉冲声源S相对于每对水听器中的第一水听器具有俯仰角为ψ_A，满足：

其中，h为水听器的自身当前深度，x为空中目标距冰面的垂直距离，d_A为该水听器距离空中脉冲声源S的水平距离；

S3.2、方位角估计

空中脉冲声源S相对于第一水听器的方位角θ满足关系式：

d_B为该对水听器中的第二水听器距离空中脉冲声源S的水平距离，a为第一水听器与第二水听器的水平距离；

S3.3坐标估计

空中脉冲声源S具有坐标(d_Acosθ,d_A sinθ,h+x)。

本发明基于多阵元系统，旨在实现对空中目标的相对位置确定。阵元数越多，定位精度越高。

有益效果：本发明在极地环境下提出了一种跨越冰层对空中目标进行三维声学定位的技术，具有以下有益效果：

(1)定位精度高

相较于传统的雷达和电磁波技术，本发明采用声波传播，减少了在复杂冰水环境下的信号衰减，提高了信号的传播质量。此外，本发明基于多阵元系统，阵元数越多，定位精度越高。这使得在极地地区的通信和监测任务更为可靠和有效。

(2)探测距离远

与电磁波相比，声波在冰水介质中的衰减较弱。这意味着声波可以在较长的距离上传播，使得远距离目标的探测成为可能。

(3)隐蔽性强

在海冰下使用拖曳阵声呐系统，无需在冰面上布放中继设备，减少暴露风险，可以更加隐蔽地实现在水下对空中目标的跨介质定位。

已经讨论的特征、功能和优点可在各种示例中独立实现，或者可以在其他示例中进行组合。

附图说明

当结合附图阅读时，通过参考以下对本发明示例的详细描述，将最好地理解示例以及优选的使用模式、其他目的机器描述，其中：

图1是本发明跨冰层三维声学定位方法的流程图；

图2是跨冰介质声传播的路劲关系示意图；

图3是本发明建立坐标系的示意图；

图4是俯视场景示意图。

具体实施方式

将参照附图更充分地描述所公开的示例，在附图中示出了所公开示例中的一些(但并非全部)。事实上，可描述许多不同的示例并且这些示例不应被解释为限于本文中阐述的示例。相反，描述这些示例，是的本发明公开彻底且完全，并且将把本发明公开的范围充分传达给本领域技术人员。

本发明使用的阵元数N≥2,下面将使用两个阵元数对本发明作进一步详细描述。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1对本发明的方法进行说明，具体包括以下步骤：

步骤一、根据监测声速构建声传播路径时空关系式

1.1计算板间纵波的入射角

参见图2，当空中脉冲声源S以特定的入射角α入射到冰层上表面时(其中，入射角α为声波传播方向与冰面法线的夹角)，经过冰层振动后会激发冰层板间纵波并在冰层内传播。入射角度α与监测得到的空中声速c_a、冰中纵波声速c_p有关，其角度值可根据斯奈尔定律求得。

1.2计算板间纵波的泄漏角

板间纵波在冰层内的传播过程中，部分声能量会以特定的泄漏角β持续溢出冰层进入水中(其中，泄漏角β为声波传播方向与冰面法线的夹角)。泄漏角度β与监测得到的冰中纵波声速c_p、水中声速c_w有关，其角度值可根据斯奈尔定律求得。

1.3构建声波传播路径时空关系式

结合入射角α和泄漏角β，构建关系式描述声波在空-冰-水三种介质中的传播路径、传播速度和传播时间。

具体地，水下接收点A、B处的自身当前深度h，假设空中脉冲声源S距离冰面的垂直距离为x，水下接收点A距离空中脉冲声源S的水平距离为d_A，水下接收点B距离空中脉冲声源S的水平距离为d_B，结合监测得到声波在空、冰、水介质中的传播速度c_a、c_p、c_w，不同路径的传播到时差Δt_A、Δt_B、Δt_C，构建水听器与空中脉冲声源S的声传播路径、速度和传播时间的关系式。

其中，由于声波从冰层上表面传播到冰层下表面时延较短，因此忽略不计，由图2可知，水下接收点A的水下直达波传播路径(路径1)距离可由两部分描述，一部分可由空中脉冲声源S的高度x来描述，另一部分可由所述水听器深度h和水听器与空中脉冲声源S的水平距离d_A来描述，根据勾股定理，可表示为因此接收点A的水下直达波传播路径距离可描述为/>同理可得接收点B的水下直达波传播路径距离可描述为

由图2可知，接收点A的冰层板间纵波传播路径(路径2)距离可由三部分和描述。一部分是根据snell定律沿入射角α的传播路径，其距离可表示为x/cosα；一部分是在冰层中的传播路径，其距离可表示为d_A-htanβ-xtanα，另一部分是根据snell定律沿传输角度β的传播路径，其距离可表示为h/cosβ，因此接收点A的板间纵波传播路径距离可描述为x/cosα+(d_A-htanβ-xtanα)+h/cosβ。同理可得接收点B的板间纵波传播路径距离可描述为x/cosα+(d_B-htanβ-xtanα)+h/cosβ。

接收点A处水听器与空中脉冲声源S的声传播路径、传播速度和传播时间的关系式：

Δt_A为声波沿两条路径传播到达接收点A的时间差。

同理可得接收点B处水听器与空中脉冲声源S的声传播路径、传播速度和传播时间的关系式：

Δt_B声波沿两条路径传播到达接收点B的时间差。

空中目标在激发声场会引起声源正下方的冰层振动，声波在冰层下表面S′处以球面扩散形式在水中传播，其从冰层下表面S′处传播到接收点A、B处的声传播路径、速度和传播时间的关系式：

Δt_C为从冰层下表面S′处传播到接收点A、B的时间差。

步骤二、估计水听器与空中目标的距离信息

2.1信号接收与提取

利用水听器在水下接收空中目标所激发的声波信号，其中接收点A处的水听器接收到的信号记为S_A,接收点B处的水听器接收到的信号记为S_B。记S_A1、S_A2分别为空中脉冲声源S产生的声波信号沿水中直达波路径和冰层板间纵波路径传播到接收点A处的信号。记S_B1、S_B2分别为空中脉冲声源S产生的声波信号沿水中直达波路径和冰层板间纵波路径传播到接收点B处的信号。根据传播时间差异提取不同路径的到达时间，记S_A1、S_A2的到达时刻分别为t_A1、t_A2，记信号S_B1、S_B2的到达时刻分别为t_B1、t_B2。

2.2到时差计算

计算得到在接收点A、B处接收到不同路径信号的传播时间差Δt_A、Δt_B，Δt_A＝t_A1-t_A2、Δt_B＝t_B1-t_B2。计算水下直达波从冰层下表面S′处传播到A、B点的传播时间差Δt_C，Δt_C＝t_B1-t_A1。

2.3距离估计

基于传播时间差Δt_A、Δt_B和Δt_C，求解1.3中所构建的声波传播的时空关系式，得到空中脉冲声源S距冰面的垂直距离为x，水下接收点在接收点A与空中脉冲声源S的水平距离d_A以及在接收点B与空中脉冲声源S的水平距离d_B。

步骤三、估计空中脉冲声源S与接收点A处水听器的相对位置信息

3.1俯仰角估计

参见图3，空中脉冲声源S相对于接收点A处的俯仰角为ψ_A，结合水听器在接收点A处的自身当前深度h，空中目标距冰面的垂直距离x，接收点A距离空中目标的水平距离为d_A，构成空中脉冲声源S相对于接收点A处的俯仰角关系式：

3.2方位角估计

参见图4，空中脉冲声源S相对于接收点A的方位角为θ，结合接收点A处距离空中脉冲声源S的水平距离为d_A，接收点B处距离空中脉冲声源S的水平距离为d_B，接收点A处与接收点B处的水平距离a，构成空中脉冲声源S相对于接收点A的方位角满足关系式：

3.3坐标估计

假设在接收点A、B的水听器坐标分别为(0,0,0)、(a,0,0)，空中脉冲声源S的坐标为(x_s,y_s,z_s)，构建坐标分量关系式：

z_s＝h+x

从而得到空中脉冲声源S的坐标(d_A cosθ,d_A sinθ,h+x)。

已出示示例和描述的目的展示了对不同有利布置的描述，但是该描述并不旨在是排他性的或限于所公开形式的示例。许多修改形式和变化形式对于本领域技术人员而言将是显而易见的。另外，不同的有利示例可描述与其他有利示例相比具有不同的有点。选择和描述所选择的一个示例或多个示例，以便最佳地说明示例的原理、实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开有进行了适于所料想特定使用的各种修改的各种示例。

Claims (8)

1.一种对空中目标的跨冰层三维声学定位方法，其特征在于，该方法采用个设置在水下相同深度、不同位置的水听器，/>，包括以下步骤：

S1、根据监测声速构建声传播路径时空关系式；

S2、估计水听器与空中目标的距离信息

S2.1、信号接收与提取，并确定每个水听器接收到两种信号的时刻；

S2.2、到时差计算；

S2.3、距离估计

通过计算获得空中脉冲声源距冰面的垂直距离/>，以及每个水听器与空中脉冲声源的水平距离；

S3、估计空中脉冲声源与水听器的相对位置信息

S3.1、俯仰角估计

空中脉冲声源相对于每对水听器中的第一水听器具有俯仰角为/>，满足：

其中，为水听器的自身当前深度，/>为空中目标距冰面的垂直距离，/>为该水听器距离空中脉冲声源/>的水平距离；

S3.2、方位角估计

空中脉冲声源相对于第一水听器的方位角/>满足关系式：

为该对水听器中的第二水听器距离空中脉冲声源/>的水平距离，/>为第一水听器与第二水听器的水平距离；

S3.3 坐标估计

空中脉冲声源具有坐标/>。

2.根据权利要求1所述的跨冰层三维声学定位方法，其特征在于：步骤S1包括子步骤：

S1.1、计算板间纵波的入射角；

S1.2、计算板间纵波的泄漏角；

S1.3、构建每个水听器的声波传播路径时空关系式。

3.根据权利要求2所述的跨冰层三维声学定位方法，其特征在于：入射角和泄漏角/>满足：

其中，为空中声速、/>冰中纵波声速、/>为水中声速。

4.根据权利要求3所述的跨冰层三维声学定位方法，其特征在于：步骤S1.3中基于每个水听器通过水中直达波路径和冰层板间纵波路径接收到信号的距离、速度和时间关系构建信号到达的时间差表达方式，构建每对水听器接收由冰层下表面传播的信号的时间差表达方式。

5.根据权利要求4所述的跨冰层三维声学定位方法，其特征在于：水听器通过水中直达波路径和冰层板间纵波路径接收到信号的时间差为：

其中，为水听器深度，/>为水听器与空中脉冲声源/>的水平距离；

每对水听器接收由冰层下表面传播的信号的时间差/>为：

、/>分别为两个水听器分别与空中脉冲声源/>的水平距离。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的跨冰层三维声学定位方法，其特征在于：若通过多对水听器对空中脉冲声源进行定位，对多组结果进行统计分析获得更准确位置。

7.一种对空中目标的跨冰层三维声学定位装置，其特征在于：该装置用于执行如权利要求1-6中任一项所述的跨冰层三维声学定位方法。

8.根据权利要求7所述的跨冰层三维声学定位装置，其特征在于：该装置包括处理模块，其执行以下操作：

S1、根据监测声速构建声传播路径时空关系式；

S2、估计水听器与空中目标的距离信息

S2.1、信号接收与提取，并确定每个水听器接收到两种信号的时刻；

S2.2、到时差计算；

S2.3、距离估计

通过计算获得空中脉冲声源距冰面的垂直距离/>，以及每个水听器与空中脉冲声源的水平距离；

S3、估计空中脉冲声源与水听器的相对位置信息

S3.1、俯仰角估计

空中脉冲声源相对于每对水听器中的第一水听器具有俯仰角为/>，满足：

其中，为水听器的自身当前深度，/>为空中目标距冰面的垂直距离，/>为该水听器距离空中脉冲声源/>的水平距离；

S3.2、方位角估计

空中脉冲声源相对于第一水听器的方位角/>满足关系式：

为该对水听器中的第二水听器距离空中脉冲声源/>的水平距离，/>为第一水听器与第二水听器的水平距离；

S3.3 坐标估计

空中脉冲声源具有坐标/>。