CN109870695B - 基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法 - Google Patents

Abstract

基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法，涉及水声定位领域。本发明是为了解决现有的水声定位方法中定位信号经常受海面海底反射信号的干扰，如果定位节点只有一个水听器，无法区分信号是直达波还是反射波，将会引起时延差估计错误，影响最终的水声定位结果的问题。将多个基阵作为定位节点布放在海底，监测多个定位节点在水中的坐标；采用波束形成方法测量多种声波信号到达基阵的俯仰角度，利用垂直直线阵波束形成将各基阵接收到的声源直达波和反射波分离开，然后求互相关得到时延，再进行位置解算，从而得到声源位置。它用于准确获得声源位置。

Description

基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法，属于水声定位领域。

背景技术

非合作目标的水声定位技术是水声研究的一个重要问题。通常的做法是通过测量目标信号到达各定位节点之间的时延差，进而求得目标与各定位节点之间的距离差。在深海的条件下，已有的方法均是针对直达声进行分析，并结合声速剖面进行声线弯曲修正。但是在实际的水声定位时，信号经常收到海面海底反射信号的干扰，如果定位节点只有一个水听器，无法区分信号是直达波还是反射波，将会引起时延差估计的错误，影响最终的水声定位结果。

发明内容

本发明是为了解决现有的水声定位方法中定位信号经常受海面海底反射信号的干扰，如果定位节点只有一个水听器，无法区分信号是直达波还是反射波，将会引起时延差估计错误，影响最终的水声定位结果的问题。现提供基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法。

基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、将多个基阵作为定位节点布放在海底，监测多个定位节点在水中的坐标；

当声源目标发出辐射声时，每个基阵均接收到一种或者多种声波信号，采用波束形成方法测量多种声波信号到达基阵的俯仰角度，根据得到的俯仰角度区分直达波、一次海面反射波和一次海底反射波；

步骤二、对每两个基站的直达波做互相关、一次海面反射波做互相关或一次海底反射波做互相关，得到声源信号到达每两个基站之间的时延差；

步骤三、根据声源信号到达每两个基站之间的延时差、多个定位节点在水中的坐标和双曲定位方程，获得声源水平位置的初值，根据声源水平位置的初值和声源目标的深度，获得声源位置的初值；

步骤四、根据声速剖面信号和snell定律，得到声源从声源位置的初值到各基阵之间的时延差，将该时延差与步骤二中得到的时延差做差，得到时延差误差，根据时延差误差和偏微分方程，得到声源位置的偏差，用该偏差不断修正声源位置的初值，直至声源位置的偏差小于设定值，从而得到声源位置。

本发明的有益效果为：

该定位方法是在深海多途条件下，声源位置固定，利用垂直直线阵波束形成将各基阵接收到的声源直达波和反射波分离开，然后求互相关得到时延，再进行位置解算，从而得到声源位置。本申请采用多个基阵，利用波束形成方法，将直达波和反射波分离，再将分离后的直达波做互相关或对反射波做互相关，得到声源信号到达每两个基站之间的时延差；采用此方式获得的时延差准确，因此，使最终获得的声源位置准确。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法的流程图；

图2为多节点定位几何配置示意图；

图3为单定位节点的组成；

图4为定位算法实现的流程图；

图5为深海声线传播图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、将多个基阵作为定位节点布放在海底，监测多个定位节点在水中的坐标；

当声源目标发出辐射声时，每个基阵均接收到一种或者多种声波信号，采用波束形成方法测量多种声波信号到达基阵的俯仰角度，根据得到的俯仰角度区分直达波、一次海面反射波和一次海底反射波；

步骤二、对每两个基站的直达波做互相关、一次海面反射波做互相关或一次海底反射波做互相关，得到声源信号到达每两个基站之间的时延差；

步骤三、根据声源信号到达每两个基站之间的延时差、多个定位节点在水中的坐标和双曲定位方程，获得声源水平位置的初值，根据声源水平位置的初值和声源目标的深度，获得声源位置的初值；

步骤四、根据声速剖面信号和snell定律，得到声源从声源位置的初值到各基阵之间的时延差，将该时延差与步骤二中得到的时延差做差，得到时延差误差，根据时延差误差和偏微分方程，得到声源位置的偏差，用该偏差不断修正声源位置的初值，直至声源位置的偏差小于设定值，从而得到声源位置。

本实施方式中，对于每个基阵，直达波与反射波到达基阵的角度均可以测出来。以直达波为例，再次进行波束形成，只对其到达基阵的角度方向做补偿，可以得到该方向上的信号，即直达波信号；同样地，可以得到反射波信号，这样就将直达波与反射波分离开来。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法作进一步说明，本实施方式中，基阵数量为4个，4个基阵均为垂直直线阵。

本实施方式中，为实现本发明的目的，声源距水面较近，各定位节点需要布放在距离海面较远的位置。

为实现本发明的目的，定位节点由对定位用的信号有一定方位分辨能力的垂直线阵组成。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中，采用波束形成方法测量多种声波信号到达基阵的俯仰角度的过程为：

每个垂直直线阵利用波束形成方法测量直达波、一次海面反射波和一次海底反射波的俯仰角度的方式均相同，以一个垂直直线阵为例，利用该垂直阵作波束形成可得到直达波、一次海面反射波或一次海底反射波到达接收基阵的角度为：

利用垂直直线阵对接收到的来自K个不同方向的信号进行常规波束形成，假设垂直直线阵的阵元数为N，阵元间距为d，第n号阵元接收到的信号为X_n(t)，n＝1,2,…,N：

式中，s_k(t)表示第k个信源产生信号的时间序列，τ_kn1为第k个信源的信号在第n通道和第1通道的时延差，表示为：

式中，c为水中声速，θ_k为第k个信源信号的入射方向与水平面的夹角，向上为正，向下为负，其取值范围是-90°～90°；

假定信号入射角为θ，则信号在第n通道和第1通道的时延差为：

对各通道进行时延补偿，平均得到θ方向波束输出：

当θ＝θ_k时，波束对准θ_k方向，B(θ,t)中第k个信源信号输出达到最大，定义B(θ,t)的功率谱为：

则当θ＝θ_k时，B_p(θ)为局部最大，因此通过计算不同θ方向的波束功率输出，取局部最大值方向对应的角度为声波信号的俯仰角度。

本实施方式中，每个信源信号输出都对应一个功率谱，从得到的多个功率谱中选取多个不同的峰值(最大值)，每个峰值对应一个声波信号的俯仰角度，从而得到多种声波信号的俯仰角度。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，获得声源位置的初值的具体过程为：

4个垂直直线阵的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)，声源坐标为(x,y,z)，

根据双曲定位方程：

获得声源水平位置(x,y)的初值，

式中，t₂₁为声源信号到达一号基阵与二号基阵的时延差，t₃₁为声源信号到达一号基阵与三号基阵的时延差，t₄₁为声源信号到达一号基阵与四号基阵的时延差。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，根据声源水平位置的初值和声源目标的深度，获得声源位置的初值的具体过程为：

根据snell定律，获得不同深度下声源目标到各定位节点的直达波、一次海面反射波或一次海底反射波的接收角度，该角度与步骤一中测量出的俯仰角度做差，差值最小时的深度值作为声源目标的深度。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四中，得到声源位置的具体过程为：

根据声速剖面信号和snell定律，获得声源从声源位置的初值直达基阵与声源位置的初值经一次海底反射达到基站的时延差t₂₁′,t₃₁′,t₄₁′，将该时延差与步骤二中得到的时延差做差，得到时延差误差Δt₂₁,Δt₃₁,Δt₄₁，将该时延差误差Δt₂₁,Δt₃₁,Δt₄₁带入偏微分方程：

得到声源水平位置(x,y)的偏差(Δx,Δy)，

式中，

t'₂₁，t'₃₁和t'₄₁是根据射线理论求得位置(x₁,y1,z₁)与测量点之间的特征声线得到的，ε₁、ε₂和ε₃是高阶小量，

将声源位置偏差加在声源位置初值上，利用snell定律求时延差，进而得到新的声源位置偏差，重复此过程，直到y的偏差小于设定值，从而得到声源位置。

实施例1：

基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法，所述包括以下步骤：

步骤一、将由垂直直线阵构成的的定位节点由无人船布放到一定的海深处，并用超短基线定位***和深度计实时监测节点在水中的位置和阵型；

各定位节点利用垂直直线阵对非合作目标的信号进行检测，检测到信号后对信号进行方位估计，根据公式1至公式5提取海底反射信号的俯仰方位；

步骤二、在反射信号的俯仰方位进行波束形成，提取海底一次反射信号波形，对各节点的海底一次反射信号波形进行相关，获得时延差；

步骤三、根据定位方程和偏微分方程，获得公式6中的位置偏差与时延差误差的关系方程，假设海域声速均匀，声速值为1500米/秒，将从该关系方程中解算出的声源水平位置作为初值，初值为(1515,2965.5)；

步骤四、根据声速剖面信号和snell定律，求不同深度下目标信号到定位节点的直达声与一次反射声的接收角度，与步骤一中实测的俯仰方位值比较，相差最小的深度值为目标深度，求得的声源深度为194米，根据声源水平位置的初值和声源目标的深度，获得声源位置的初值，初值位置为(1515,2965.5,194)；

利用声速剖面，根据snell定律，求得该深度的声源位置到各定位节点经一次海底反射的时延值，得到信号从目标到各节点之间的时延差，并与步骤二中实测的时延差比较得到时延差误差；

将时延差误差代入公式7中的偏微分方程求得位置偏差，利用该位置偏差对初值进行修正和更新，重复步骤四操作，直到y的偏差小于1米，该位置就是目标位置估计结果。

Claims (4)

1.基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、将多个基阵作为定位节点布放在海底，监测多个定位节点在水中的坐标；

当声源目标发出辐射声时，每个基阵均接收到一种或者多种声波信号，采用波束形成方法测量多种声波信号到达基阵的俯仰角度，根据得到的俯仰角度区分直达波、一次海面反射波和一次海底反射波；

步骤二、对每两个基站的直达波做互相关、一次海面反射波做互相关或一次海底反射波做互相关，得到声源信号到达每两个基站之间的时延差；

步骤三、根据声源信号到达每两个基站之间的延时差、多个定位节点在水中的坐标和双曲定位方程，获得声源水平位置的初值，根据声源水平位置的初值和声源目标的深度，获得声源位置的初值；

步骤四、根据声速剖面信号和snell定律，得到声源从声源位置的初值到各基阵之间的时延差，将该时延差与步骤二中得到的时延差做差，得到时延差误差，根据时延差误差和偏微分方程，得到声源位置的偏差，用该偏差不断修正声源位置的初值，直至声源位置的偏差小于设定值，从而得到声源位置；

步骤一中，采用波束形成方法测量多种声波信号到达基阵的俯仰角度的过程为：

每个垂直直线阵利用波束形成方法测量直达波、一次海面反射波和一次海底反射波的俯仰角度的方式均相同，以一个垂直直线阵为例，利用该垂直阵作波束形成可得到直达波、一次海面反射波或一次海底反射波到达接收基阵的角度为：

利用垂直直线阵对接收到的来自K个不同方向的信号进行常规波束形成，假设垂直直线阵的阵元数为N，阵元间距为d，第n号阵元接收到的信号为X_n(t)，n＝1,2,…,N：

式中，s_k(t)表示第k个信源产生信号的时间序列，τ_kn1为第k个信源的信号在第n通道和第1通道的时延差，表示为：

式中，c为水中声速，θ_k为第k个信源信号的入射方向与水平面的夹角，向上为正，向下为负，其取值范围是-90°～90°；

假定信号入射角为θ，则信号在第n通道和第1通道的时延差为：

对各通道进行时延补偿，平均得到θ方向波束输出：

当θ＝θ_k时，波束对准θ_k方向，B(θ,t)中第k个信源信号输出达到最大，定义B(θ,t)的功率谱为：

则当θ＝θ_k时，B_p(θ)为局部最大，因此通过计算不同θ方向的波束功率输出，取局部最大值方向对应的角度为声波信号的俯仰角度；

步骤四中，得到声源位置的具体过程为：

根据声速剖面信号和snell定律，获得声源从声源位置的初值直达基阵与声源位置的初值经一次海底反射达到基站的时延差t₂₁′,t₃₁′,t₄₁′，将该时延差与步骤二中得到的时延差做差，得到时延差误差Δt₂₁,Δt₃₁,Δt₄₁，将该时延差误差Δt₂₁,Δt₃₁,Δt₄₁带入偏微分方程：

得到声源水平位置(x,y)的偏差(Δx,Δy)，

式中，

t'₂₁，t'₃₁和t'₄₁是根据射线理论求得位置(x₁,y₁,z₁)与测量点之间的特征声线得到的，ε₁、ε₂和ε₃是高阶小量，

将声源水平位置偏差加在声源位置初值上，利用snell定律求时延差，进而得到新的声源位置偏差，重复此过程，直到y的偏差小于设定值，从而得到声源位置。

2.根据权利要求1所述的基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法，其特征在于，基阵数量为4个，4个基阵均为垂直直线阵。

3.根据权利要求1或2所述的基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法，其特征在于，步骤三中，获得声源水平位置的初值的具体过程为：

4个垂直直线阵的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)，声源坐标为(x,y,z)，

根据双曲定位方程：

获得声源水平位置的初值(x,y)，

式中，t₂₁为声源信号到达一号基阵与二号基阵的时延差，t₃₁为声源信号到达一号基阵与三号基阵的时延差，t₄₁为声源信号到达一号基阵与四号基阵的时延差。

4.根据权利要求3所述的基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法，其特征在于，步骤三中，根据声源水平位置的初值和声源目标的深度，获得声源位置的初值的具体过程为：

根据snell定律，获得不同深度下声源目标到各定位节点的直达波、一次海面反射波或一次海底反射波的接收角度，该角度与步骤一中测量出的俯仰角度做差，差值最小时的深度值作为声源目标的深度。

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