CN101592728B - 基于空气中声传感器阵列的水下低频声源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在空气中布放声传感器阵列定位水下低频声源的方法，该方法包括以下步骤：(1)在空气中的任意一个水平面内布放两个圆形声传感器阵列，测得声压信号估计出声源在该水平面内投影位置到传感器阵列的波达方向，根据两个波达方向确定水平面内声源投影的位置；(2)任意选取某个阵列中的两个传感器，基于水下点源低频声透射的规律，给出这两点处声压差随声源深度的变化曲线，根据实际测得的声压差，通过一维搜索，确定水下声源的可能深度；(3)通过计算并比较在各种可能深度下，该阵列中所有传感器间声压差的实测值与理论值的平均偏差，确定水下声源的深度。本发明能够低成本、简便地定位水下目标声源，具有极大的实用价值。

Description

基于空气中声传感器阵列的水下低频声源定位方法

一、技术领域

本发明涉及水下低频声源的定位方法，尤其是涉及一种通过在空气中布放声传感器阵列对水下低频声源实现定位的方法。

二、背景技术

水下声源定位主要应用场合有：潜艇、鱼雷和无人水下航行器的侦察与反侦察；海底地震、火山爆发等各类水下地壳运动的环境监视；水下鱼群活动区域的探测。水和空气特性阻抗差异巨大，传统的声学理论认为水中的声信号在到达水-空气分界面时，发生全反射而无法透射到空气中。因此现有技术都是基于水声信号应答、水声信号的空间特性分析实现水下声源定位。

中国专利公开CN1971649、CN101246215、CN1547039都是集合了水声信号问答和全球定位***(GPS)实现水下目标的定位。此外CN1704767提出了一种利用耐压舱正浮力的水下全球定位***接收装置。CN1614441提供的水下目标自动定位***的工作过程是先将水下电视探头、水深探头、水下声波发射头沉入目标水域，水下电视探头寻找到所需定位目标的图像后，水深探头测得目标深度，声波发射头向水面上六个声波接收器组成的线阵发射信号，根据信号的时延实现目标的水平投影定位。在水下目标不可视的条件下，该***将不再适用。

2006年美国学者首次发现在低频时存在着水下声能量到空气中的异常透射现象(Godin，“Anomalous transparency of water-air interface for low-frequency sound”，Physical review letters97，164301，2006)。此后关于低频声透射的研究仅局限于其能量机制和对低频透射声场空间分布的分析。目前尚未见到应用该异常现象，基于空气中测得的声信息实现水下声源的定位的报道。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种基于空气中声传感器阵列的测量信息实现水下低频声源定位的方法。

2、技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的基于空气中声传感器阵列的水下低频声源定位方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)在声源深度远小于水下声波波长时，存在着一种反常的声透射现象，可以在空气中测得从水下透射出来的声压。假定z≥0区域的媒质为空气，z＜0区域内的媒质为水，点声源频率f为100Hz且深度z₀为0.24m时，取参考声压p_ref＝2×10^-5Pa空间声压级分布见图1，单位为dB，其中波数k＝2πf/c₁，c₁为水下声波速度。

在空气中任意一个水平面内布放两个圆形声传感器阵列，每个阵列由在圆周上等角度间隔的s+1个声压传感器构成，其中s为大于1的任意奇数。在以第i个阵列的中心为原点的极坐标系中，方位角为θ处的声传感器测得声压的频域幅度为p_i(θ)，方位角为θ+π处的传感器测得声压的频域幅度为p_i(θ+π)，以p_i(θ)为元素组成的序列记录为p_i，以p_i(θ+π)为元素组成的序列为p_i ^π，π为180°，其中i＝1，2。kz₀很小时任意水平面内，声压级在声源投影处最大，且随着观察点离投影的水平距离的增大而减少。以kz₀＝0.1为例，不同高度的水平面内声压随水平距离的变化曲线如图2所示。因此水平圆形阵列中，离声源投影最近的传感器测得的声压最大。如果将阵列中传感器按方位角相差180°的条件分组，位于声源投影和阵列中心连线上的那一组传感器测得的声压差最大。对于第i个阵列中各个传感器计算物理量J_i(θ)，

$J_i\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{p_i\left(\mathrm{\θ}\right)}{\max \left(p_i\right)}\×\frac{p_i\left(\mathrm{\θ}\right)-p_i(\mathrm{\θ}+\mathrm{\π})}{\max (p_i-p_i^{\mathrm{\π}})}---\left(1\right)$

其中max()表示对θ求最大值。J_i(θ)组成的序列J_i中，最大值对应的方位角θ_i ^max即为水平面内声源投影到阵列中心波达方向DOA_i的估计值。由两个阵列中心和对应的波达方向估计值作两条直线，如果两条直线相交，交点就是水平面内声源投影的位置；若两条直线平行，则需要在同一水平面内现有两个阵列中心连线以外，任意选取一点作为中心，重新布置圆形传感器阵列估计波达方向，由阵列中心和波达方向作出两条相交的直线，得到水平面内声源投影的位置。

(2)根据水平面内声源投影的位置，建立以声源在水面投影为原点的直角坐标系。在某个阵列中任意选取两个传感器，位置坐标分别为(x₀，y₀，z)、(x₁，y₁，z)，测得声压的频域幅度为p₀和p₁，差值Δp＝20log₁₀(|p₀/p₁|)。在声源频率f、水和空气的密度比m、水和空气中的声速c₁和c₂已知的条件下，利用公式，

${\mathrm{\Δp}}^{\′}=20{\log }_{10}\left[\frac{{\∫\∫e}^{j(q_1{x}_0+q_2{x}_0)}\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_1}W{e}^{j({\mathrm{\μ}}_{2}z-{\mathrm{\μ}}_1{z}_0)}d{q}_{1}d{q}_2}{{\∫\∫e}^{j(q_1{x}_1+q_2{y}_1)}\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_1}W{e}^{j({\mathrm{\μ}}_{2}z-{\mathrm{\μ}}_1{z}_0)}d{q}_{1}d{q}_2}\right]---\left(2\right)$

计算出声压差值Δp′随声源深度z₀的变化曲线，其中q₁、q₂为积分变量，声透射系数W＝2mμ₁/(mμ₁+μ₂)，μ₁和μ₂为水和空气中竖直方向的波数分量， ${\mathrm{\μ}}_i^2=k_i^2-q_1^2-q_2^2,$ k_i＝2πf/c_i，i＝1，2。在Δp′的变化曲线中搜索Δp′＝Δp时对应的z₀，确定水下声源可能的深度z₀ ¹，z₀ ²，…，z₀ ^N，上标N为正整数，N是变化曲线中Δp′＝Δp的个数。

(3)除去已选用的两个传感器，该阵列剩余s-1个传感器的位置坐标为(x₂，y₂，z)，(x₃，y₃，z)，…，(x_s-1，y_s-1，z)，测得声压的频域幅度为p₂，p₃，…p_s。声源深度为z₀ ^m时，阵列各传感器测得声压与p₀的差值为 ${\mathrm{\Δp}}_{0n}^m=20{\log }_{10}\left(\right|p_0/p_n\left|\right),$ 其中n＝0，1，…，s，上标^m为小于N的正整数。再利用Δp′的计算公式(2)，可以得到声压差的理论值Δp′_0n ^m，对每一个z₀ ^m计算并记录e(m)，

$e\left(m\right)=\sqrt{\frac{1}{s+1}\underset{n=1}{\overset{s+1}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\Δp}}_{0n}^m-{\mathrm{\Δp}}_{0n}^{\′m})}^2}$ m＝1，2，…，N    (3)

e(m)对m的最小值所对应的深度即为水下声源的深度。

3、有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是在于：(1)仅通过空气中低频声信息的测量就可以定位水下声源。(2)空气中传感器布放形式简单，只要求在任意一个水平面内布放两个圆形声传感器阵列。

四、附图说明

图1是kz₀＝0.1时水下低频声源透射在竖直剖面上的声压分布图。

图2是kz₀＝0.1时空气中不同水平面内声压随水平距离的变化曲线。

图3是本发明的传感器布放示意图。

图4是具体实施例子中水平面内波达方向估计的结果。

图5是具体实施例子中水平面内两点声压差随声源深度的变化曲线。

五、具体实施方式

下面以水下0.24m深，直角坐标为(0，0，-0.24)(直角坐标的单位均为m)的100Hz点声源的定位为例，对本发明作详细说明。设定z≥0区域的媒质为空气，z＜0区域内的媒质为水。

1、在高度z_h为1m的水平面内任意放置一个传感器，假设测得的声压为100Hz的单频信号。以该平面内任意两点A和B为圆心布放两个圆形声传感器阵列A点直角坐标为(1.7，2.94，1)，B点直角坐标为(5.89，3.4，1)，两个阵列的半径均取100Hz声波在空气中波长的1/2，即1.7m，每个阵列含12个声传感器，等角度间隔分布，具体配置图见图3。

2、对于传感器阵列A，以式(1)中的量为观察值，观察值的变化曲线如图4。可以发现图4中J的最大值出现在240°，因此在以A为原点的极坐标系内，声源投影到位于方位角为240°的直线上；类似地可以得到声源投影在以B为原点的极坐标系内位于方位角为30°的直线上，两条直线的交点(0，0，1)即为投影位置。

3、以投影位置作垂线，与水平面z＝0的交点为坐标原点，建立直角坐标系如图3所示(本例中新建的直角坐标系刚好与原始坐标系重合)。在阵列A中任意取两个传感器，坐标为(0.85，1.47，1)，(2.55，4.42，1)，测得的频域声压幅度记为p₀和p₁，两者的声压差为9.4dB。由式(2)计算得到理论上声压差随水下声源深度的变化曲线如图5所示，从该曲线和9.4dB直线的交点查得声源可能的深度为 $z_0^1=0.24m$ 或 $z_0^2=3.35m.$

4、将可能深度 $z_0^1=0.24m$ 和 $z_0^2=3.35m$ 依次代入式(3)，计算阵列A中12个传感器测得的声压与(0.85，1.47，1)处传感器测得的声压差 ${\mathrm{\Δp}}_{0n}^m=20{\log }_{10}\left(\right|p_0/p_n\left|\right),$ 其中n＝0，1，…，11，m＝1，2。再根据式(2)计算得到计算出理论上的声压差值Δp′，由式(3)计算声压差的平均误差，得到e(1)＝0dB，e(2)＝0.9dB，因为e(1)＜e(2)，所以声源深度为0.24m。考虑到声源在z_h＝1m的平面内投影坐标为(0，0，1)，因此确定声源坐标为(0，0，-2.4)。

结果分析：

采用本发明提供的水下声源定位方法，定位结果与实际声源的位置完全一致。因此采用本发明提供的方法实现低频水下声源的定位是完全可行的。

Claims (4)

1.一种定位水下声源的方法，其特征在于它包括以下步骤：

①在空气中任一水平面内布放两个声传感器阵列，在频域测量声压的幅度；

②通过估计该水平面内声源竖直投影位置到两个传感器阵列中心的波达方向确定声源投影的位置；

③任意选取一个阵列，根据其中任意两个传感器测得的声压差，获得水下声源的估计深度；针对该阵列，通过比较声源位于各个估计深度时传感器间声压差的平均偏差，确定声源的深度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在空气中任意一个水平面内布放两个圆形传感器阵列，每个阵列由大于2的偶数个传感器组成，传感器均匀布放在以阵列中心为圆心的圆弧上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于估计声源竖直投影位置时计算

$J_i\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{p_i\left(\mathrm{\θ}\right)}{\max \left(p_i\right)}\×\frac{p_i\left(\mathrm{\θ}\right)-p_i(\mathrm{\θ}+\mathrm{\π})}{\max (p_i-p_i^{\mathrm{\π}})}$

其中，i为阵列序号，i＝1，2，以第i个阵列中心为原点的极坐标系中，方位角为θ处的声传感器测得声压的频域幅度为p_i(θ)，方位角为θ+π处的传感器测得声压的频域幅度为p_i(θ+π)，以p_i(θ)为元素组成的序列记录为p_i，序列中θ为自变量，取值数目为阵列中传感器的个数，类似地，以p_i(θ+π)为元素组成的序列为

π为180°，max()表示对参数求最大值，J_i(θ)组成的序列J_i中最大值对应的方位角即为声源投影到阵列中心的波达方向，由两个阵列中心和对应的波达方向估计值作两条直线，如果两条直线相交，交点就是水平面内声源投影的位置；若两条直线平行，则需要在同一水平面内现有两个阵列中心连线以外，任意选取一点作为中心，重新布置圆形传感器阵列估计波达方向，由阵列中心和波达方向作出两条相交的直线，得到水平面内声源投影的位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于估计声源深度时以声源在水面投影为原点建立直角坐标系，任意选取某一个包含s+1个传感器的圆形阵列，s为大于1的任意奇数；选择其中任意两个位于(x₀，y₀，z)和(x₁，y₁，z)的传感器，测得的声压频域幅度为p₀和p₁，计算声压差值Δp＝20log₁₀(|p₀/p₁|)；在声源频率f、水和空气的密度比m、水和空气中的声速c₁和c₂已知的条件下，利用公式，

${\mathrm{\Δp}}^{\′}=20{\log }_{10}\left[\frac{\∫\∫e^{j(q_1{x}_0+q_2{y}_0)}\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_1}{\mathrm{We}}^{j({\mathrm{\μ}}_{2}z-{\mathrm{\μ}}_1{z}_0)}{\mathrm{dq}}_1{\mathrm{dq}}_2}{\∫\∫e^{j(q_1{x}_1+q_2{y}_1)}\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_1}{\mathrm{We}}^{j({\mathrm{\μ}}_{2}z-{\mathrm{\μ}}_1{z}_0)}{\mathrm{dq}}_1{\mathrm{dq}}_2}\right]$

计算出声压差值Δp′随声源深度z₀的变化曲线，其中q₁、q₂为积分变量，声透射系数W＝2mμ₁/(mμ₁+μ₂)，μ₁和μ₂为水和空气中竖直方向的波数分量，k_i＝2πf/c_i，i＝1，2，在Δp′的变化曲线中搜索Δp′＝Δp时对应的z₀，确定水下声源可能的深度

上标^N为正整数；针对每个可能深度计算阵列各传感器测得声压与p₀的差值

其中上标m为小于N的正整数，n＝0，1，…，s，p₂，p₃，…p_s为阵列中其它位于(x₂，y₂，z)，(x₃，y₃，z)，…，(x_s-1，y_s-1，z)处的传感器测得的声压频域幅度，再次利用Δp′的计算公式，可以得到相应声压差的理论值对每一个

计算并记录e(m)，

$e\left(m\right)=\sqrt{\frac{1}{s+1}\underset{n=1}{\overset{s+1}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\Δp}}_{0n}^m-{\mathrm{\Δp}}_{0n}^{\′m})}^2}$ m＝1，2，…，N

对所有m，e(m)最小值所对应的深度即为水下声源的深度。

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