CN108089155B - 一种深海环境下单水听器声源被动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海环境下单水听器声源被动定位方法，利用单个水听器接收的宽带信号，不需要多个水听器组成大孔径的阵列，不需要水听器间的信号同步，同时在被动接收方式下不会暴露自身位置即可实现在深海环境下的声源定位。本发明将无法区分的六个相对时间延迟按照从小到大的顺序排列，构成相对时延向量，用于声源定位。本发明将测量时间延迟向量与预测时间延迟向量相减得到的误差向量求1范数并求倒数对声源定位。本方法用于夏季南海2680米海深环境，声源为带宽2.9kHz‑3.1kHz的线性调频信号，声源距离13.8公里，深度49米，完成对声源进行定位，距离相对误差2.9％，深度相对误差22.5％。

Description

一种深海环境下单水听器声源被动定位方法

技术领域

本发明属于水声探测、声呐技术等领域，涉及水中的声源定位方法，尤其涉及一种深海环境下单水听器声源被动定位方法。

背景技术

水下声源定位方法通常是通过提取单个水听器(传感器)或多个按照一定方式排列的水听器阵列接收到信号所包含的信息来重构声源位置信息。比较常见的主要是匹配场处理方法，但该方法需要较大的孔径和阵元数来采集足够的信息，才能对声源进行定位，并且这类方法计算量大、受环境失配影响较大，不适用于深海环境下的声源定位。在深海环境下，声波的传播路径主要有两种，分别是汇聚区模式和海底弹射模式。利用海底弹射模式的信号时延特征，重构声源位置信息，可以减小计算量，并减小对水听器数量的需求。

现有的深海声源定位方法多数需要水听器组成阵列采集足够的信息，或需要工作在主动模式下。公布号为CN 107202988 A的专利涉及一种利用航船不停移动接收到声学释放器应答的距离信息进行深海潜标定位的方法，该方法简便易行，但是应用范围小，仅限于对短距离潜标***定位；公布号为CN 104793212 A的专利涉及一种通过水听器阵列主动探测目标位置信息的方法，主动探测方式容易暴露自身位置；公布号为CN 106707240 A的专利涉及一种提取水听器阵列接收到信号时延信息对声源深度进行估计的方法，该方法计算量小，但是需要同步的较多数量的水听器组成阵列，并且只能得到声源的深度信息。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种深海环境下单水听器声源被动定位方法，解决现有深海环境下声源定位方法需要水听器数量多、需要主动发声等问题。

技术方案

一种深海环境下单水听器声源被动定位方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将单个水听器采用潜标或者浮标的方式布放在海中，水听器接收到海底弹射模式下的来自四条路径的宽带信号为：海底反射信号B、海面-海底反射信号SB、海底-海面反射信号BS、海面-海底-海面反射信号SBS；不同路径的信号的传播时间记为T_B、T_SB、T_BS、T_SBS；

通过水听器的深度传感器获取水听器的深度z；所述深度z指水听器与海平面的距离；

步骤2：对接收的宽带信号进行自相关处理，得到四条途径到达信号之间的六个相对时间延迟；

自相关处理：

其中：s(t)为接收信号，T是信号长度，(·)^*表示信号的复共轭，τ是积分变量；

对信号自相关输出取包络，并归一化

C(τ)＝|R(τ)+j*Hilbert(R(τ))|

其中：j等于

Hilbert(·)表示信号的希尔伯特变换，|·|表示绝对值；

得到四条路径在自相关输出的正半轴形成六个峰值，表示六个相对时间延迟；

当T_BS＞T_SB时，这六个峰值对应的时延分别记为τ_SB-B，τ_BS-B，τ_SBS-B，τ_SBS-SB，τ_SBS-BS，τ_BS-SB，当T_SB＞T_BS时，τ_BS-SB是负数，用τ_SB-BS替代；所述的相对时延表示为：

步骤3：将六个时间延迟从小到大排序，构成一个时间延迟测量向量：

τ^m(r,d)＝[sort(τ_SB-B,τ_BS-B,τ_SBS-B,τ_SBS-BS,τ_SBS-SB,|τ_BS-SB|)]

其中：r是声源与接收水听器的水平距离，d是声源深度，sort(·)表示将时延从小到大排列，|·|表示绝对值；由于未知T_BS和T_SB的大小，采用绝对值表示；

步骤4：利用代价函数求解声源位置

其中：||·||₁表示向量的1范数，

是某个搜索网格点的深度，

是某个搜索网格点距离接收水听器的水平距离；

所述的搜索网格点为：对感兴趣的区域的深度，以深度维度网格划分步长进行深度网格划分，以距离维度网格划分步长进行网格划分；

所述τ^p是根据环境信息，假设声源在某个搜索网格点时，用声场计算模型BELLHOP进行计算，得到的时间延迟预测向量：

步骤5：找到代价函数最大值点以及最大值点对应的网格点的深度和距离接收水听器的水平距离，该深度和水平距离接近声源的深度和距离接收水听器的水平距离。

所述感兴趣的区域为目标可能存在的区域。

所述目标可能存在的感兴趣的距离范围为0-20公里，深度范围为0-500米。

所述深度维度网格划分步长1米。

所述距离维度网格划分步长为0.01公里。

有益效果

本发明提出的一种深海环境下单水听器声源被动定位方法，利用单个水听器接收的宽带信号，不需要多个水听器组成大孔径的阵列，不需要水听器间的信号同步，同时在被动接收方式下不会暴露自身位置即可实现在深海环境下的声源定位。本发明将无法区分的六个相对时间延迟按照从小到大的顺序排列，构成相对时延向量，用于声源定位。本发明将测量时间延迟向量与预测时间延迟向量相减得到的误差向量求1范数并求倒数对声源定位。

本方法用于夏季南海2680米海深环境，声源为带宽2.9kHz-3.1kHz的线性调频信号，声源距离13.8公里，深度49米，完成对声源进行定位，距离相对误差2.9％，深度相对误差22.5％。

附图说明

图1为深海环境下声速不随深度变化时四条理想声线传播路径；

图2为实验测量声速剖面，海底地形以及实验配置图；

图3为实验数据、数据自相关与自相关部分放大图；

图4为感兴趣范围内声源定位结果。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

步骤1：将单个水听器采用潜标或者浮标的方式布放在海中，通过深度传感器获取水听器的深度信息。

所述的深度z指水听器与海平面的距离，海洋深度为H，在深海环境下，声源深度为d，声源与水听器的水平距离为r，当d＜H/2时，水听器能够更好的接收到海底弹射模式下的来自四条路径的信号。来自四条路径的信号分别是：海底反射信号(B)、海面-海底反射信号(SB)、海底-海面反射信号(BS)、海面-海底-海面反射信号(SBS)。不同路径的信号具有不同的传播时间，分别记为T_B、T_SB、T_BS、T_SBS。

步骤2：对于接收到的宽带信号，通过对信号进行自相关处理可以在未知信号先验信息的情况下得到四条途径到达信号之间的六个相对时间延迟。

所述的接收信号设为s(t)，信号的自相关可以表示为

其中T是信号长度，(·)^*表示信号的复共轭，τ是积分变量。为了更精确的确定信号时延，对信号自相关输出取包络，并归一化

C(τ)＝|R(τ)+j*Hilbert(R(τ))|

其中j等于

Hilbert(·)表示信号的希尔伯特变换，|·|表示绝对值。

四条路径在自相关输出的正半轴形成六个峰值，当T_BS＞T_SB时，这六个峰值对应的时延分别记为τ_SB-B，τ_BS-B，τ_SBS-B，τ_SBS-SB，τ_SBS-BS，τ_BS-SB，当T_SB＞T_BS时，τ_BS-SB是负数，用τ_SB-BS替代。所述的相对时延表示为：

步骤3：时间延迟与声源深度和距离有关，当声源深度为d，水平距离为r时，将六个时间延迟从大到小排序，构成一个时间延迟测量向量。

所述的六个相对时延在未知声源位置时无法确定相对大小，即不能将六个峰值一一对应到六个相对时延，为了利用相对时延信息重构声源位置，将由自相关输出峰值得到的六个相对时延数值按照从小到大排序，构成时延测量向量。

τ^m(r,d)＝[sort(τ_SB-B,τ_BS-B,τ_SBS-B,τ_SBS-BS,τ_SBS-SB,|τ_BS-SB|)]

其中sort(·)表示将时延从小到大排列，|·|表示绝对值。由于未知T_BS和T_SB的大小，采用绝对值表示。

步骤4：根据环境信息用声场计算模型BELLHOP进行计算，模拟在网格虚拟点接收时的六个时间延迟，构成时间延迟预测向量。

或通过温度深度盐度测量仪(CTD)测量声音的传播速度，通过多波束***或海图获取海洋深度地形等信息，根据环境信息用声场计算模型BELLHOP进行计算，模拟在网格虚拟点接收时的六个时间延迟，构成时间延迟预测向量。

将感兴趣的声源可能存在的区域划分网格，所述的搜索网格点是在目标可能存在的区域对深度和距离进行网格划分，通常感兴趣的距离范围为0-20公里，深度范围为0-500米，综合考虑定位精度和计算速度建议距离维度网格划分步长为0.01公里，建议深度维度网格划分步长1米；每个网格点对应水平距离

和深度

，通过声场计算模型BELLHOP计算不同路径声线到达时间，进而算出六个相对时延，并将预测的相对时延从小到大排序，构成预测时延向量。

步骤5：根据代价函数，求解声源位置。

当测量时延向量与某一位置上预测时延向量之间误差最小时，该位置逼近声源位置，误差的倒数形成最大值点。代价函数表示为

其中：||·||₁表示向量的1范数，

是某个搜索网格点的深度，

是某个搜索网格点距离接收水听器的水平距离。

本发明将无法区分的六个相对时间延迟按照从小到大的顺序排列，构成相对时延向量，用于声源定位。将测量时间延迟向量与预测时间延迟向量相减得到的误差向量求1范数并求倒数对声源定位。

本发明应用于平均海深为2680米的南海北部，声速剖面、海底地形和实验配置如图2，水听器深度为1126米，声源距离13.9公里，深度49米，声源发射信号为2.9kHz-3.1kHz的线性调频信号，信号长度2秒，水听器的采样率为16kHZ。接收信号和信号的自相关如图3，可以明显得到6个峰值，用于声源定位。在距离1-18公里范围，每0.01km，深度1-500米范围，每2米进行搜索，得到定位结果如图4。距离相对误差2.9％，深度相对误差22.5％。

Claims (5)

1.一种深海环境下单水听器声源被动定位方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将单个水听器采用潜标或者浮标的方式布放在海中，水听器接收到海底弹射模式下的来自四条路径的宽带信号为：海底反射信号B、海面-海底反射信号SB、海底-海面反射信号BS、海面-海底-海面反射信号SBS；不同路径的信号的传播时间记为T_B、T_SB、T_BS、T_SBS；

通过水听器的深度传感器获取水听器的深度z；所述深度z指水听器与海平面的距离；

步骤2：对接收的宽带信号进行自相关处理，得到四条途径到达信号之间的六个相对时间延迟；

自相关处理：

其中：s(t)为接收信号，T是信号长度，(·)^*表示信号的复共轭，τ是积分变量；对信号自相关输出取包络，并归一化

C(τ)＝|R(τ)+j*Hilbert(R(τ))|

其中：j等于

Hilbert(·)表示信号的希尔伯特变换，|·|表示绝对值；

得到四条路径在自相关输出的正半轴形成六个峰值，表示六个相对时间延迟；

当T_BS＞T_SB时，这六个峰值对应的时延分别记为τ_SB-B，τ_BS-B，τ_SBS-B，τ_SBS-SB，τ_SBS-BS，τ_BS-SB，当T_SB＞T_BS时，τ_BS-SB是负数，用τ_SB-BS替代；所述的相对时延表示为：

步骤3：将六个时间延迟从小到大排序，构成一个时间延迟测量向量：

τ^m(r,d)＝[sort(τ_SB-B,τ_BS-B,τ_SBS-B,τ_SBS-BS,τ_SBS-SB,|τ_BS-SB|)]

其中：r是声源与接收水听器的水平距离，d是声源深度，sort(·)表示将时延从小到大排列，|·|表示绝对值；由于未知T_BS和T_SB的大小，采用绝对值表示；

步骤4：利用代价函数求解声源位置

其中：||·||₁表示向量的1范数，

是某个搜索网格点的深度，

是某个搜索网格点距离接收水听器的水平距离；

所述的搜索网格点为：对感兴趣的区域的深度，以深度维度网格划分步长进行深度网格划分，以距离维度网格划分步长进行网格划分；

所述τ^p是根据环境信息，假设声源在某个搜索网格点时，用声场计算模型BELLHOP进行计算，得到的时间延迟预测向量：

步骤5：找到代价函数最大值点以及最大值点对应的网格点的深度和距离接收水听器的水平距离，该深度和水平距离接近声源的深度和距离接收水听器的水平距离。

2.根据权利要求1所述深海环境下单水听器声源被动定位方法，其特征在于：所述感兴趣的区域为目标可能存在的区域。

3.根据权利要求2所述深海环境下单水听器声源被动定位方法，其特征在于：所述目标可能存在的感兴趣的距离范围为0-20公里，深度范围为0-500米。

4.根据权利要求1所述深海环境下单水听器声源被动定位方法，其特征在于：所述深度维度网格划分步长1米。

5.根据权利要求1所述深海环境下单水听器声源被动定位方法，其特征在于：所述距离维度网格划分步长为0.01公里。

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