CN113126029B - 适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法，通过计算各传感器接收信号的频谱幅度震荡周期，根据各传感器位置和假设的声源位置构造代价函数，对感兴趣区域进行二维扫描，得到目标位置模糊表面，模糊表面峰值所在位置即为目标二维定位结果。确定目标二维位置后再利用可靠声路径环境下接收信号的宽带干涉特征对目标深度进行估计，从而实现目标的三维定位。相比于现有多传感器定位方法，本发明所提方法不需要多传感器之间时钟同步，也不需要声场模型计算辅助，本方法简单易实现。此外，各传感器仅需要一个全向声压水听器就可以实现声源三维定位，在实际应用中布放简单且硬件成本较低。

Description

适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法

技术领域

本发明属于海洋工程、水声工程、阵列信号处理和声呐技术等领域，涉及一种深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法，适用于深海大深度多传感器对海面附近宽带脉冲声源的三维被动定位。

背景技术

在深海，对水下目标实施精确的三维定位，对于水下信息作战、海洋工程、海洋资源开发等领域均具有重要意义。相比于单传感器，多传感器网络具有更大的覆盖面积和更强的探测能力，网络化、协同化是未来水声警戒与探测的发展趋势。近年来，利用多传感器的目标定位方法受到持续关注，目前已有很多研究成果，包括基于纯目标方位的定位方法、基于目标信号时延差的定位方法和基于多阵列匹配场处理的定位方法等。但是由于深海环境的复杂性，如波导起伏、声线弯曲等，现有定位方法在应用时存在稳健性较差的问题。现有多传感器定位方法的特点具体如下：

(1)第一类方法是在平面波假设下，根据各传感器观测到的目标方位，构造目标位置所满足的方程组，然后使用最小二乘或最大似然估计器对目标位置进行解算。这类方法需要每个传感器都具有目标方位估计能力，因此需要较大孔径的体积阵列；此外，在深海环境下，由于声线弯曲，目标方位估计角度与真实角度之间存在偏差，从而导致定位结果误差较大。

(2)第二类方法是在球面波假设下，通过测量目标信号到达各传感器之间的时延差完成目标定位。这类方法需要各传感器之间具有高的时钟精度，时钟偏差以及信号时延估计误差均会导致定位偏差。

(3)第三类方法是多阵列匹配场定位方法。该方法通过匹配各阵列接收声场与模型计算拷贝场实现目标定位。这种方法需要声场模型辅助计算，计算量较大且需要环境信息作为模型输入。此外，该类方法也需要足够大的阵列孔径以实现对声传播模态的充分采样。

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，本发明提出一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法，解决现有多传感器目标定位方法定位误差大、计算速度慢等问题。

技术方案

一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法，其特征在于：多传感器位于海底附近，且在水平面内不共线，个数不小于三；被定位声源位于海面附近，其深度不大于300m；定位步骤如下：

步骤1：使用若干个传感器接收来自于海面附近的宽带脉冲信号，记第m个传感器的位置为p_m＝[x_m,y_m]^T，深度为z_m，采样频率为f_s，接收信号为x_m(n)，其中m＝1,2,…,M，M为传感器数量，n为采样时刻；

步骤2：对x_m(n)依次进行快速傅立叶变换、取模以及去均值，获得第m个传感器接收信号频谱幅度随频率的起伏，记为AX_m(f)

AX_m(f)＝|FFT{x_m(n)}|-mean{|FFT{x_m(n)}|}

步骤3：对AX_m(f)再次进行快速傅立叶变换，通过变换结果峰值位置获得AX_m(f)随频率的震荡间隔Δf_m：

Δf_m＝B/k

其中B为信号处理带宽，单位为Hz；k为对AX_m(f)进行快速傅立叶变换后峰值出现的位置；

步骤4：设声源处于网格点p_sa＝[x,y]^T处，其中x和y分别表示假设声源位置的横坐标和纵坐标；

步骤5：按照下式计算当前网格点处的代价函数值

其中c为平均声速，

为第m个传感器与假设声源位置之间连线与水平面的夹角；

所述

步骤6：在搜索范围内，按照精度要求划分搜索网格[x_i,y_j],i＝1,2,…,L_x,j＝1,2,…,L_y，其中L_x和L_y分别为x轴和y轴上的网格数目；对所有扫描网格点重复步骤4和步骤5，计算并储存所有扫描网格点对应的代价函数值，得到声源位置模糊表面；模糊表面峰值所在位置即为声源二维定位结果，记声源的二维定位结果为p_se＝[x_e,y_e]^T，其中x_e和y_e分别表示声源估计位置的横坐标和纵坐标；

步骤7：根据声源二维定位结果p_se＝[x_e,y_e]^T，利用下式得到声源深度的估计结果

其中

最终估计得到声源位置为p_se＝[x_e,y_e]^T，声源深度为z_se。

所述声源信号为宽带脉冲信号，信号带宽不小于300Hz。

所述任意两传感器之间的距离不小于2km。

所述声源与任意传感器之间的水平距离不超过40km。

有益效果

本发明提出的一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法，通过计算各传感器接收信号的频谱幅度震荡周期，根据各传感器位置和假设的声源位置构造代价函数，对感兴趣区域进行二维扫描，得到目标位置模糊表面，模糊表面峰值所在位置即为目标二维定位结果。确定目标二维位置后再利用可靠声路径环境下接收信号的宽带干涉特征对目标深度进行估计，从而实现目标的三维定位。相比于现有多传感器定位方法，本发明所提方法不需要多传感器之间时钟同步，也不需要声场模型计算辅助，本方法简单易实现。此外，各传感器仅需要一个全向声压水听器就可以实现声源三维定位，在实际应用中布放简单且硬件成本较低。

本发明的有益效果在于：基于深海大深度接收条件下直达路径和海面反射路径之间的干涉特征，提出了一种深海多传感器脉冲声源三维定位方法。由于在信号处理过程中使用了深海声传播特征，因此能够在各传感器没有方位估计能力或多传感器时钟不同步的情况下实现目标定位，在此情况下，传统的基于声源方位角或声源信号时延差的多传感器定位方法无法应用。定位过程中不需要声场模型的辅助，方法简单易实现，硬件成本低，深海应用难度小。本发明的基本原理和实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明，利用本发明所提出的多传感器声源被动定位方法，能够实现深海海面附近宽带脉冲声源的稳健三维定位。

附图说明

图1是仿真场景中的声速随海深的变化情况。

图2是仿真场景中的多传感器分布情况和声源所处位置。

图3是使用Bellhop声场模型仿真得到的传感器接收信号。

图4是本发明的一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法流程图。

图5是各传感器接收信号在声源带宽内AX_m(f)随频率的起伏情况。

图6是通过快速傅立叶变换提取的各传感器接收信号AX_m(f)对应的震荡间隔Δf_m。

图7是由所有扫描网格点的代价函数值所构成的二维声源位置模糊表面及实际声源位置。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

1.深海波导环境、脉冲声源位置及传感器接收位置。

为验证本发明方法的有效性，利用计算机进行仿真实验。本实施例考虑一个典型深海环境，海深5000m，海水声速剖面为声道轴深度为1000m的Munk声速剖面，如附图1所示，海水密度为1.0g/cm³；海底半空间声速为1600m/s，密度为1.5g/cm³，海底底质压缩波衰减系数为0.14dB/λ。声源位于p_s＝[3,7]^Tkm处，声源深度为z_s＝30m。4个传感器分别布放于p₁＝[-5,0]^Tkm、p₂＝[5,0]^Tkm、p₃＝[5,10]^Tkm和p₄＝[-5,10]^Tkm处，传感器布放深度均为z_m＝4900m。仿真场景中传感器分布情况及声源位置如附图2所示。

2.传感器接收信号

本实施例将声源信号建模为一个脉宽为0.5s的线性调频信号，其带宽为100～1000Hz。使用Bellhop声场模型仿真4个传感器的接收信号：假设声源信号的幅度为1，各个传感器在声源信号发出的同时开始采集，接收机开机时间均为30s，采样频率为f_s＝10kHz。

接收信号的仿真方法为：首先针对不同位置处的接收传感器，使用Bellhop声场模型计算出声源位置与接收传感器位置之间声线的到达时间和幅度。然后使用这些声线到达结构构成信道冲击响应，将声源信号与信道冲击响应进行时域卷积，即可得到传感器接收信号。最后根据信噪比在仿真的接收信号中添加噪声。假设各个传感器在T_R内的接收信噪比均为SNR＝5dB，依次对4个传感器进行上述信号仿真操作，得到传感器接收时域信号如附图3所示。

3.一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法

如附图4所示，本发明所述的一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法具体实施过程如下：

步骤1：使用4个布放深度为z_m＝4900m的传感器接收深度为z_s＝30m的宽带声源所发出的宽带脉冲信号。声源位于p_s＝[3,7]^Tkm处，4个传感器分别处于p₁＝[-5,0]^Tkm,p₂＝[5,0]^Tkm,p₃＝[5,10]^Tkm和p₄＝[-5,10]^Tkm处。传感器采样频率f_s＝10kHz。第m个传感器接收信号为x_m(n)，长度为3×10⁵，其中m＝1,2,3,4。

步骤2：对x_m(n)依次进行快速傅立叶变换、取模以及去均值操作，获得第m个传感器接收信号频谱幅度随频率的起伏，记为AX_m(f)。

AX_m(f)＝|FFT{x_m(n)}|-mean{|FFT{x_m(n)}|} (1)

其中FFT{·}表示快速傅立叶变换，mean{·}表示去均值运算。

依次对4个传感器的接收信号进行上述操作，得到的AX_m(f)长度为3×10⁵，只取声源信号对应的100～1000Hz部分进行后续处理，长度为2.7×10⁴，如附图5所示。

步骤3：对声源带宽内的AX_m(f)进行快速傅立叶变换，变换结果如附图6所示。附图6中传感器1～4所对应AX_m(f)的傅立叶变换峰值位置分别为第15,18,20,29个点，根据式

Δf_m＝(1000-100)/k (2)

可得到传感器1～4接收信号所对应的频域幅度震荡间隔分别为Δf₁＝60Hz,Δf₂＝50Hz,Δf₃＝45Hz,Δf₄＝31.0345Hz。

步骤4：假设声源处于网格点p_sa＝[x,y]^T处，其中x和y分别表示声源假设位置的横坐标和纵坐标。

步骤5：按照式

计算当前声源假设位置处的代价函数值。上式中海水声速取为1500m/s。

为第m个传感器与声源之间的连线与水平面的夹角，由下式计算

其中x_m和y_m分别表示第m个传感器的横坐标和纵坐标，m＝1,2,3,4。

对于本实施例，当假设声源位于p_sa＝[3,7]^Tkm处时，有

带入式(3)可得F(p_sa)＝0.4757；作为对比，当假设声源位于p_sa＝[0,0]^Tkm处时，

带入式(3)可得F(p_sa)＝0.0036。

步骤6：在包含声源所处位置的一定范围内，按照精度要求划分搜索网格[x_i,y_j],i＝1,2,…,L_x,j＝1,2,…,L_y，其中L_x和L_y分别为x轴和y轴上的网格数目。本实施例中，假设声源可能的位置范围为：-15km<x_s<15km，-5km<y_s<20km，其中x_s和y_s分别表示声源的横坐标和纵坐标。将此区域在x和y方向上按照步长0.2km均匀划分网格，即L_x＝151，L_y＝126。声源位置扫描点的总数为L＝L_xL_y＝19026，第一个扫描点为p_sa＝[-15,-5]^Tkm，第二个扫描点为p_sa＝[-14.8,-5]^Tkm，以此类推。

对所有扫描网格点重复步骤四和步骤五，计算并储存所有扫描网格点对应的代价函数值，得到声源位置二维模糊表面，如附图7所示。模糊表面峰值位置即为声源定位结果，本实施例中声源二维定位结果p_se＝[3,7]^Tkm。附图7中真实声源位置由五角星表示。

步骤7：根据声源二维定位结果p_se＝[3,7]^Tkm，利用式

即可得到声源位置估计结果。

对于本实施例，

Δf₁＝60Hz,Δf₂＝50Hz,Δf₃＝45Hz,Δf₄＝31.0345Hz，代入式(5)可得声源深度的估计结果为z_se＝29.966m。

完成以上步骤，最终估计得到声源位置为p_se＝[3,7]^Tkm，声源深度为z_se＝29.966m。通过本实施例可以看出，本发明所提方法可以实现深海可靠声路径环境下海面附近宽带脉冲声源的三维定位。

Claims (4)

1.一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法，其特征在于：多传感器位于海底部，且在水平面内不共线，个数不小于三；被定位声源位于海面深度不大于300m；定位步骤如下：

步骤1：使用若干个传感器接收来自于海面附近的宽带脉冲信号，记第m个传感器的位置为p_m＝[x_m,y_m]^T，深度为z_m，采样频率为f_s，接收信号为x_m(n)，其中m＝1,2,…,M，M为传感器数量，n为采样时刻；

步骤2：对x_m(n)依次进行快速傅立叶变换、取模以及去均值，获得第m个传感器接收信号频谱幅度随频率的起伏，记为AX_m(f)

AX_m(f)＝|FFT{x_m(n)}|-mean{|FFT{x_m(n)}|}

步骤3：对AX_m(f)再次进行快速傅立叶变换，通过变换结果峰值位置获得AX_m(f)随频率的震荡间隔Δf_m：

Δf_m＝B/k

其中B为信号处理带宽，单位为Hz；k为对AX_m(f)进行快速傅立叶变换后峰值出现的位置；

步骤4：设声源处于网格点p_sa＝[x,y]^T处，其中x和y分别表示假设声源位置的横坐标和纵坐标；

步骤5：按照下式计算当前网格点处的代价函数值

其中c为平均声速，

为第m个传感器与假设声源位置之间连线与水平面的夹角；所述

步骤6：在搜索范围内，按照精度要求划分搜索网格[x_i,y_j],i＝1,2,…,L_x,j＝1,2,…,L_y，其中L_x和L_y分别为x轴和y轴上的网格数目；对所有扫描网格点重复步骤4和步骤5，计算并储存所有扫描网格点对应的代价函数值，得到声源位置模糊表面；模糊表面峰值所在位置即为声源二维定位结果，记声源的二维定位结果为p_se＝[x_e,y_e]^T，其中x_e和y_e分别表示声源估计位置的横坐标和纵坐标；

步骤7：根据声源二维定位结果p_se＝[x_e,y_e]^T，利用下式得到声源深度的估计结果

其中

最终估计得到声源位置为p_se＝[x_e,y_e]^T，声源深度为z_se。

2.根据权利要求1所述适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法，其特征在于：所述声源信号为宽带脉冲信号，信号带宽不小于300Hz。

3.根据权利要求1所述适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法，其特征在于：所述多传感器任意两者之间的距离不小于2km。

4.根据权利要求1所述适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法，其特征在于：所述声源与任意传感器之间的水平距离不超过40km。

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