CN116699579B - 一种基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，所述方法包括：将矢量垂直线列阵布放入水中接收目标声源辐射的宽带声压和矢量信号；利用矢量传感器姿态仪记录的数据对矢量通道信号进行修正；对声压通道和修正后矢量通道信号进行空间功率谱估计，获得目标的到达角估计值和宽带波束输出声场；获得X方向和Y方向的复声强，利用复声强比值估计目标方位；将目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值进行匹配估计目标的距离；获得多途到达时延估计值，将多途到达时延估计值与不同声源深度下的模板值进行匹配估计目标声源的深度。本发明突破了传统深海标量垂直阵仅能给出目标距离和深度信息，而不能给出目标方位的限制。

Description

一种基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法

技术领域

本发明属于水声探测、声呐技术等领域，具体涉及一种基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法。

背景技术

深海目标被动定位是近些年水声学研究的热点问题，垂直阵由于其易于布放的特点，是深海环境下目标探测及定位的常用阵型之一。但是已有工作主要是基于只能测量目标辐射声场声压数据的标量垂直阵，仅能实现目标距离和深度的估计，无目标方位估计能力，无法实现目标的三维定位。如文献1(Aperformancestudyof acousticinterferencestructureapplicationsonsourcedepthestimationindeepwater，2019年2月发表在《J.Acoust.Soc.Am.》第145期，起始页码为903)、文献2(“Performance metricsfordepth-basedsignalseparationusingdeepverticallinearrays”，2016年1月发表在《J.Acoust.Soc.Am.》第139期，起始页码为418)、文献3(“Passivesource localizationbasedonmultipatharrivalangleswithaverticallinearrayusingsparseBayesianlearning”，2023年3月发表在《J.Acoust.Soc.Am.》第153期，起始页码为773)均是基于标量水听器阵列来实现目标的距离和深度估计。深海标量垂直阵由于无法实现目标方位的估计，仅能给出目标距离深度信息但无法给出目标的具体坐标信息，限制了其进一步的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有深海标量垂直阵由于无法实现目标方位的估计，仅能给出目标距离深度信息但无法给出目标的具体坐标信息的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，基于矢量垂直阵实现，所述矢量垂直阵包括声压通道和矢量通道；每个阵元上设置矢量传感器姿态仪；

所述方法包括：

步骤1：矢量垂直阵采集待定位目标发出的声压通道信号时域波形以及三个方向矢量通道信号时域波形；

步骤2：利用每个矢量传感器姿态仪记录的俯仰角、横滚角和方位角，修正所有阵元的三个方向矢量通道信号；

步骤3：处理声压通道信号时域波形和矢量通道信号时域波形，获得声压通道信号频谱和矢量通道信号频谱；

步骤4：处理声压通道信号频谱和矢量通道信号频谱，获得声压和三个方向矢量通道的空间功率谱估计结果；

步骤5：取声压或三个方向矢量通道中的任一通道，结合空间功率谱估计结果获得目标到达角估计值和目标到达角上的波束输出声场强度/>

步骤6：计算声压通道和三个方向矢量通道的波束输出声场，利用复声强比值估计目标的方位；

步骤7：结合海水声速剖面，计算不同假设声源距离下的直达波与海面反射波到达角模板值，将目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值进行匹配，估计待定位目标的距离；

步骤8：结合海水声速剖面，计算目标估计距离处不同假设声源深度对应的多途到达时延模板值；

步骤9：取声压或三个方向矢量通道中的任一通道，对其在目标到达角上的宽带波束输出声场强度沿频率轴进行谱分析，获得待定位目标多途到达时延估计值

步骤10：将多途到达时延估计值与不同假设声源深度下的多途到达时延模板值进行匹配，得到待定位目标深度估计值。

作为上述方法的一种改进，以矢量垂直阵轴线与海平面的交点为坐标原点建立三维坐标系，垂直于海平面向下为Z轴正方形，X、Y轴组成的平面与海平面重合；

所述三个方向矢量通道信号为X、Y、Z三个方向矢量通道信号，X、Y、Z三个方向分别为X、Y、Z三个坐标轴的正方向。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2具体包括：修正后的X、Y、Z三个方向矢量通道信号为：

其中，矩阵中各元素含义如下：

a₁₁＝cosα₁(n,k,t)cosα₃(n,k,t)

a₁₂＝sinα₁(n,k,t)cosα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)-sinα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)

a₁₃＝sinα₁(n,k,t)cosα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)+sinα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)

a₂₁＝cosα₁(n,k,t)sinα₃(n,k,t)

a₂₂＝sinα₁(n,k,t)sinα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)+cosα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)

a₂₃＝sinα₁(n,k,t)sinα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)-cosα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)

a₃₁＝-sinα₁(n,k,t)

a₃₂＝cosα₁(n,k,t)sinα₂(n,k,t)

a₃₃＝cosα₁(n,k,t)cosα₂(n,k,t)

n＝1,2,...,N表示矢量垂直阵阵元编号，N表示矢量垂直阵阵元个数，k＝1,2,...,K表示信号快拍数序号，K表示信号总快拍数，t表示时间；

S_x(n,k,t)表示修正后的X方向矢量通道信号；S_y(n,k,t)表示修正后的Y方向矢量通道信号；S_z(n,k,t)表示修正后的Z方向矢量通道信号；S_x0(n,k,t)表示矢量垂直阵接收的X方向矢量通道信号时域波形；S_y0(n,k,t)表示矢量垂直阵接收的Y方向矢量通道信号时域波形；S_z0(n,k,t)表示矢量垂直阵接收的Z方向矢量通道信号时域波形；

α₁(n,k,t)表示矢量传感器姿态仪记录的俯仰角；α₂(n,k,t)表示矢量传感器姿态仪记录的横滚角；α₃(n,k,t)表示矢量传感器姿态仪记录的方位角。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3具体包括：

对矢量垂直阵列采集的声压通道信号和矢量通道时域信号进行快速傅里叶变换获得声压通道信号频谱s_p(n,k,f_l)、以及X、Y、Z三通道的矢量通道信号频谱s_x(n,k,f_l)、s_y(n,k,f_l)和s_z(n,k,f_l)，l＝1,2,...,L，f₁和f_L表示信号处理频段的上下界，L表示处理频段内包含的频点个数，f_l表示第l个信号处理频段频率；进而获得第k拍、第l个频点处整个矢量垂直阵声压通道的频谱数据向量s_p(k,f_l)和X、Y、Z三通道的矢量通道频谱数据向量s_x(k,f_l)、s_y(k,f_l)和s_z(k,f_l)：

s_p(k,f_l)＝[s_p(1,k,f_l),s_p(2,k,f_l),...,s_p(N,k,f_l)]^T

s_x(k,f_l)＝[s_x(1,k,f_l),s_x(2,k,f_l),...,s_x(N,k,f_l)]^T

s_y(k,f_l)＝[s_y(1,k,f_l),s_y(2,k,f_l),...,s_y(N,k,f_l)]^T

s_z(k,f_l)＝[s_z(1,k,f_l),s_z(2,k,f_l),...,s_z(N,k,f_l)]^T

其中，上标T表示矩阵或向量的转置。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4具体为：

利用空间功率谱估计方法分别对声压通道信号频谱和矢量通道信号频谱进行处理，获得声压和矢量X、Y、Z三通道的空间功率谱估计结果B_p(θ,f_l)、B_x(θ,f_l)、B_y(θ,f_l)和B_z(θ,f_l)，θ为目标到达角搜索值；频率为f_l处的空间功率谱估计公式为：

B_p(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_p(f_l)a(f_l,θ)

B_x(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_x(f_l)a(f_l,θ)

B_y(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_y(f_l)a(f_l,θ)

B_z(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_z(f_l)a(f_l,θ)

其中，a(f_l,θ)为导向矢量：

其中，d_n为矢量垂直阵第n个阵元与第1个阵元的间距，c表示声速；e表示自然常数；R_p(f_l)、R_x(f_l)、R_y(f_l)、R_z(f_l)分别是由频率分量为f_l的矢量垂直阵声压通道和X、Y、Z三分量矢量通道信号频谱估计的互谱密度矩阵；

其中，上标H代表矩阵的共轭转置。

作为上述方法的一种改进，所述步骤5具体为：对多频点的声压通道空间功率谱估计结果进行求和平均，获得宽带空间功率谱估计平均结果取/>中目标所对应峰值处的到达角为目标到达角估计值/>为目标到达角上的波束输出声场强度。

作为上述方法的一种改进，所述步骤6包括：

利用以下公式计算声压通道的波束输出声场X、Y、Z三通道的波束输出声场/>和/>

其中，

利用声压通道以及X、Y两个矢量通道在目标到达角上的波束输出声场，获得X方向和Y方向的复声强，利用复声强比值获得目标估计方位

作为上述方法的一种改进，当矢量通道测量质点振速时目标估计方位公式为：

其中，Re[·]表示取实部，上标*表示复共轭算符。

作为上述方法的一种改进，当矢量通道测量质点加速度时目标估计方位公式为：

其中，Im[·]表示取虚部，上标*表示复共轭算符，A(f_l)表示声压通达和矢量通道在频点f_l处由灵敏度差异引入的幅度差异比值。

作为上述方法的一种改进，所述步骤7具体包括：

结合海水声速剖面，利用声场计算模型BELLHOP计算不同假设声源距离下的直达波与海面反射波到达角模板值θ_mod(r_s)，将目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值进行匹配估计目标的距离，距离估计代价函数定义为：

代价函数最大值对应的距离为声源距离估计值，即

作为上述方法的一种改进，所述步骤8具体包括：

结合海水声速剖面，利用声场计算模型BELLHOP计算声源估计距离处不同假设声源深度对应的多途到达时延模板值z_s表示假设声源深度。

作为上述方法的一种改进，所述步骤9具体为：

首先将波束输出声场强度在频域内进行去均值处理，利用下式获得去均值后的声场强度谱/>

利用反傅里叶变换或MUSIC等谱分析方法对多频点的声场强度谱进行二重谱分析，获得到达时延谱Q₁(τ_j)，到达时延谱中最大值对应的时延为多途到达时延估计值τ_j表示时间到达时延。

作为上述方法的一种改进，所述步骤10包括：

将多途到达时延估计值与不同假设声源深度下的多途到达时延模板值进行匹配，定义深度估计代价函数为：

代价函数最大值对应的深度为声源深度估计值，即

本申请还提供一种基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位装置，基于上述方法实现，所述装置包括：矢量垂直阵和三维定位***；

所述矢量垂直阵包括声压通道和矢量通道；每个阵元上设置矢量传感器姿态仪；所述矢量垂直阵采集目标发出的声压通道信号时域波形以及三个方向矢量通道信号时域波形；

所述三维定位***包括：

角度修正模块，用于利用每个矢量传感器姿态仪记录的俯仰角、横滚角和方位角，修正所有阵元的三个方向矢量通道信号；

声压通道和矢量通道信号频谱计算模块，用于处理声压通道信号和矢量通道信号，获得声压通道信号频谱和矢量通道信号频谱；

空间功率谱估计模块，用于处理声压通道信号频谱和矢量通道信号频谱，获得声压和三个方向矢量通道的空间功率谱估计结果；

目标到达角估计值和波束输出声场强度计算模块，用于取声压或三个方向矢量通道中的任一通道，结合空间功率谱估计结果获得目标到达角估计值和目标到达角上的波束输出声场强度/>

波束输出声场计算模块，用于计算声压通道和三个方向矢量通道的波束输出声场，利用复声强比值估计目标的方位；

目标距离估计模块，用于结合海水声速剖面，计算不同假设声源距离下的直达波与海面反射波到达角模板值，将目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值进行匹配估计目标的距离；

多途到达时延模板值计算模块，用于结合海水声速剖面，计算目标估计距离处不同假设声源深度对应的多途到达时延模板值；

多途到达时延估计值计算模块，用于取声压或三个方向矢量通道中的任一通道，对其在目标到达角上的宽带波束输出声场强度沿频率轴进行谱分析，获得目标多途到达时延估计值和

声源深度估计模块，用于将多途到达时延估计值与不同假设声源深度下的多途到达时延模板值进行匹配，得到声源深度估计值。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提供了一种基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，通过引入了具有方位估计能力的矢量通道，可实现深海环境下目标距离、深度和方位的三维被动定位，解决了现有标量垂直阵无目标方位估计能力的问题。

附图说明

图1所示为基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法流程图；

图2所示为深海大深度接收环境下垂直阵接收的声场多途到达结构示意图；

图3所示为本发明实施例中海上实验实测的声速剖面；

图4所示为本发明实施例中整个实验期间利用声压通道信号获得的空间功率谱估计结果；

图5所示为本发明实施例中整个实验期间目标到达角估计结果；

图6所示为本发明实施例中整个实验期间目标方位角估计结果；

图7所示为本发明实施例中利用声场计算模型BELLHOP计算的不同假设声源距离对应的目标到达角模板值；

图8所示为本发明实施例中08时30分目标距离估计代价函数；

图9所示为本发明实施例中整个实验期间的目标距离估计结果；

图10所示为本发明实施例中声源距离为6km时，利用声场计算模型BELLHOP计算的不同假设声源深度对应的多途到达时延模板值；

图11所示为本发明实施例中08时30分目标深度估计代价函数；

图12所示为本发明实施例中整个实验期间目标深度估计结果；

图13所示为本发明实施例中整个实验期间目标运动轨迹估计结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明提供的一种基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，基于深海矢量垂直阵，实现了海洋中目标距离、深度和方位的三维被动定位。矢量垂直阵接收***布放于深海，其包括声压通道和矢量通道(测量质点振速或者质点加速度)。基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法包括：利用矢量垂直阵接收目标声源辐射的宽带声压和矢量(质点振速或质点加速度)信号；利用每个阵元上设置的矢量传感器姿态仪记录的数据对矢量通道信号进行修正；对修正后矢量X、Y、Z和声压四通道信号进行空间功率谱估计，获得目标的到达角和宽带波束输出声场；利用声压通道和矢量通道在目标到达角上的宽带波束输出声场，获得X方向和Y方向的复声强，利用复声强比值获得目标方位估计结果；结合海水声速剖面，利用声场计算模型计算不同假设声源距离下的直达波与海面反射波到达角平均值模板值，将目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值进行匹配估计目标的距离；利用声场计算模型计算目标估计距离处不同假设声源深度对应的多途时延模板值，对矢量X、Y、Z和声压通道任一通道的宽带波束输出声场沿频率轴进行谱分析，获得多途到达时延估计值，将多途到达时延估计值与不同声源深度下的模板值进行匹配估计目标的深度。

本方法的具体步骤包括：

步骤1:矢量垂直水听器线列阵采集目标发出的声压通道信号时域波形S_p(n,k,t)以及X、Y、Z三个方向矢量通道信号时域波形和/>其中，n＝1,2,...,N为矢量垂直阵阵元编号，N为矢量垂直阵阵元个数，k＝1,2,...,K为信号快拍数序号，K为信号总快拍数，t表示时间；信号的采样率为f_s，其取值范围为100Hz-10kHz。

以矢量垂直阵轴线与海平面的交点为坐标原点建立三维坐标系，垂直于海平面向下为Z轴正方形，X、Y轴组成的平面与海平面重合。X、Y、Z三个方向即为三维坐标系X、Y、Z坐标轴的正方向。

步骤2:利用每个矢量传感器姿态仪记录的俯仰角α₁(n,k,t)，横滚角α₂(n,k,t)和方位角α₃(n,k,t)，按照矢量传感器X、Y、Z三轴方向与姿态仪三轴方向的定义及安装方式，对所有阵元矢量传感器X、Y和Z通道信号进行修正。以X、Y、Z三轴方向与姿态仪三轴方向定义一致且同向安装为例，修正后的矢量三通道信号为：

其中，矩阵中各元素含义如下：

a₁₁＝cosα₁(n,k,t)cosα₃(n,k,t)

a₁₂＝sinα₁(n,k,t)cosα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)-sinα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)

a₁₃＝sinα₁(n,k,t)cosα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)+sinα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)

a₂₁＝cosα₁(n,k,t)sinα₃(n,k,t)

a₂₂＝sinα₁(n,k,t)sinα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)+cosα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)

a₂₃＝sinα₁(n,k,t)sinα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)-cosα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)

a₃₁＝-sinα₁(n,k,t)

a₃₂＝cosα₁(n,k,t)sinα₂(n,k,t)

a₃₃＝cosα₁(n,k,t)cosα₂(n,k,t)

步骤3:对矢量垂直水听器阵列采集的声压通道信号和矢量通道时域信号进行快速傅里叶变换获得声压通道信号频谱s_p(n,k,f_l)、以及矢量通道信号频谱s_x(n,k,f_l)、s_y(n,k,f_l)和s_z(n,k,f_l)，l＝1,2,...,L，f₁和f_L为信号处理频段的上下界，L为处理频段内包含的频点个数，f_l表示第l个信号处理频段频率。进而获得第k拍、第l个频点处整个矢量垂直阵声压通道和矢量三通道的频谱数据向量为

s_p(k,f_l)＝[s_p(1,k,f_l),s_p(2,k,f_l),...,s_p(N,k,f_l)]^T

s_x(k,f_l)＝[s_x(1,k,f_l),s_x(2,k,f_l),...,s_x(N,k,f_l)]^T

s_y(k,f_l)＝[s_y(1,k,f_l),s_y(2,k,f_l),...,s_y(N,k,f_l)]^T

s_z(k,f_l)＝[s_z(1,k,f_l),s_z(2,k,f_l),...,s_z(N,k,f_l)]^T

上式中，上标T表示矩阵或向量的转置。

步骤4:利用空间功率谱估计方法分别对矢量垂直阵记录的声压和矢量三通道信号频谱进行处理，获得声压和矢量三通道的空间功率谱估计结果B_p(θ,f_l)、B_x(θ,f_l)、B_y(θ,f_l)和B_z(θ,f_l)，θ为目标到达角搜索值，θ取值范围为0°至90°。以常规波束形成这种经典的空间功率谱估计方法为例，频率为f_l处的空间功率谱估计公式为

B_p(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_p(f_l)a(f_l,θ)

B_x(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_x(f_l)a(f_l,θ)

B_y(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_y(f_l)a(f_l,θ)

B_z(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_z(f_l)a(f_l,θ)

其中，a(f_l,θ)为导向矢量，d_n为垂直阵第n个阵元与第一个阵元的间距，c为声速，e表示自然常数。R_p(f_l)、R_x(f_l)、R_y(f_l)、R_z(f_l)分别是由频率分量为f_l的垂直阵声压通道和三分量矢量通道信号频谱估计的互谱密度矩阵(CSDM)，

其中，上标H代表矩阵的共轭转置。

步骤5:取声压或矢量X、Y、Z通道中的任一通道，结合步骤4估计的空间功率谱估计结果获得目标到达角和波束输出声场强度估计结果。以声压通道为例，对多频点的声压通道空间功率谱估计结果进行求和平均，获得宽带空间功率谱估计平均结果，取/>中目标所对应峰值处的到达角为目标到达角估计值为目标到达角上的波束输出声场强度。

步骤6：利用以下公式计算声压通道、X、Y和Z通道的波束输出声场：

其中，

利用声压通道以及X、Y两个矢量通道在目标到达角上的波束输出声场，获得X方向和Y方向的复声强，利用复声强比值获得目标估计方位对于矢量通道为质点振速传感器的目标方位估计公式为：

对于矢量通道为质点加速度传感器的目标方位估计公式为：

其中，Re[·]表示取实部，Im[·]表示取虚部，上标*表示复共轭算符，A(f_l)为声压通达和矢量通道在频点f_l处由灵敏度差异引入的幅度差异比值。

步骤7：结合海水声速剖面，利用声场计算模型BELLHOP计算不同假设声源距离下的直达波与海面反射波到达角模板值θ_mod(r_s)，将目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值进行匹配估计目标的距离，距离估计代价函数定义为：

代价函数最大值对应的距离为声源距离估计值，即

步骤8：获得目标估计距离后，结合海水声速剖面，利用声场计算模型BELLHOP计算该距离处不同假设声源深度对应的多途到达时延模板值/>z_s表示假设声源深度。

步骤9：取声压或X、Y、Z矢量通道中的任一通道，对其在目标到达角上的宽带波束输出声场强度沿频率轴进行谱分析，获得目标多途到达时延估计值。以声压通道为例，首先将宽带波束输出声场强度在频域内进行去均值处理，利用下式获得去均值后的声场强度谱：

利用反傅里叶变换或MUSIC等谱分析方法对多频点的声场强度谱进行二重谱分析，获得到达时延谱Q₁(τ_j)，到达时延谱中最大值对应的时延为多途到达时延估计值τ_j表示时间到达时延。

步骤10：将多途到达时延估计值与不同假设声源深度下的多途到达时延模板值/>进行匹配，定义深度估计代价函数为：

代价函数最大值对应的深度为声源深度估计值，即

利用本发明一种基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法进行的一个实例：首先将能够测量声压信息和矢量(质点振速或者质点加速度)信息的矢量垂直水听器阵列布放于深海大深度位置，接收目标发出的宽带声压和矢量通道信号，通过空间功率谱估计、复声强估计、直达波和海面反射波到达角均值匹配、多途到达时延匹配等处理来实现目标方位、距离和深度的估计。其中，目标声源深度范围为1-1000m，垂直阵布放深度范围为500-6000m，声源与垂直阵的水平距离小于5倍的垂直阵中心深度与声源深度差。其过程分为以下步骤：

步骤1：目标声源进入矢量垂直阵接收范围内，矢量垂直水听器线列阵采集目标辐射声场声压信号和质点振速或质点加速度信号波形。对垂直阵接收的每段信号进行分拍处理，获得多快拍的声压通道信号时域波形S_p(n,k,t)以及X、Y、Z三个方向矢量通道信号时域波形和/>其中，n＝1,2,...,N为矢量垂直阵阵元编号，N为矢量垂直阵阵元个数，k＝1,2,...,K为信号快拍数序号，K为信号总快拍数，t表示时间；信号的采样频率为f_s，其取值范围为100Hz-10kHz。此时声源和矢量垂直阵的水平距离为0km-20km，声源深度在1m-1000m之间，信号中对声场起主要作用的是直达波和海面反射波两个路径，参照图2。图3给出了本实例一次海上实验实测的海水声速剖面，实验海域海底近似平坦，海深约为4152m。实验中24元间距为7.5m的矢量垂直阵布放于近海底附近，用于接收船载拖曳声源发出的线性调频信号，垂直阵最下面阵元距离海底100m，垂直阵采样频率设置为4kHz。本实施例中矢量垂直阵信号采集起始时间为8时30分，结束时间为12时30分。实验期间声源由北向南运动，近距离过顶经过矢量垂直阵。

步骤2:利用每个矢量传感器姿态仪记录的俯仰角α₁(n,k,t)，横滚角α₂(n,k,t)和方位角α₃(n,k,t)，按照矢量传感器X、Y、Z三轴方向与姿态仪三轴方向的定义及安装方式，对所有阵元矢量传感器X、Y和Z通道信号进行修正。以X、Y、Z三轴方向与姿态仪三轴方向定义一致且同向安装为例，修正后的矢量三通道信号为：

其中，矩阵中各元素含义如下：

a₁₁＝cosα₁(n,k,t)cosα₃(n,k,t)

a₁₂＝sinα₁(n,k,t)cosα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)-sinα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)

a₁₃＝sinα₁(n,k,t)cosα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)+sinα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)

a₂₁＝cosα₁(n,k,t)sinα₃(n,k,t)

a₂₂＝sinα₁(n,k,t)sinα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)+cosα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)

a₂₃＝sinα₁(n,k,t)sinα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)-cosα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)

a₃₁＝-sinα₁(n,k,t)

a₃₂＝cosα₁(n,k,t)sinα₂(n,k,t)

a₃₃＝cosα₁(n,k,t)cosα₂(n,k,t)

步骤3:对矢量垂直水听器阵列采集的声压和矢量通道时域信号进行快速傅里叶变换获得声压通道信号频谱s_p(n,k,f_l)、以及矢量通道信号频谱s_x(n,k,f_l)、s_y(n,k,f_l)和s_z(n,k,f_l)，l＝1,2,...,L，f₁和f_L分别为信号处理频段的上界和下界，L为处理频段内包含的频点个数。进而获得第k拍、第l个频点处整个矢量垂直阵声压通道和矢量三通道的频谱数据向量为：

s_p(k,f_l)＝[s_p(1,k,f_l),s_p(2,k,f_l),...,s_p(N,k,f_l)]^T

s_x(k,f_l)＝[s_x(1,k,f_l),s_x(2,k,f_l),...,s_x(N,k,f_l)]^T

s_y(k,f_l)＝[s_y(1,k,f_l),s_y(2,k,f_l),...,s_y(N,k,f_l)]^T

s_z(k,f_l)＝[s_z(1,k,f_l),s_z(2,k,f_l),...,s_z(N,k,f_l)]^T

上式中，上标T表示矩阵或向量的转置。本实施例中信号处理频段为300Hz-500Hz。

步骤4:利用空间功率谱估计方法分别对矢量垂直阵记录的声压和矢量三通道信号频谱进行处理，获得声压和矢量三通道的空间功率谱估计结果B_p(θ,f_l)、B_x(θ,f_l)、B_y(θ,f_l)和B_z(θ,f_l)，θ为目标到达角搜索值，θ取值范围为0°至90°。本实施例中θ取值间隔为0.1°。以常规波束形成这种经典的空间功率谱估计方法为例，频率为f_l处的空间功率谱估计公式为：

B_p(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_p(f_l)a(f_l,θ)

B_x(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_x(f_l)a(f_l,θ)

B_y(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_y(f_l)a(f_l,θ)

B_z(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_z(f_l)a(f_l,θ)

其中，a(f_l,θ)为导向矢量，d_n为垂直阵第n个阵元与第一个阵元的间距。R_p(f_l)、R_x(f_l)、R_y(f_l)、R_z(f_l)分别是由频率分量为f_l的垂直阵声压通道和三分量矢量通道信号频谱估计的互谱密度矩阵(CSDM)，/>

其中，上标H代表矩阵的共轭转置。

步骤5:取声压或矢量X、Y、Z通道中的任一通道，结合步骤4估计的空间功率谱估计结果获得目标到达角和波束输出声场强度估计结果。以声压通道为例，对多频点的声压通道空间功率谱估计结果进行求和平均，获得宽带空间功率谱估计平均结果，取/>中目标所对应峰值处的到达角为目标到达角估计值为目标到达角处的波束输出声场强度。图4给出了8时30分至12时30分整个实验期间利用垂直阵声压通道获得的空间功率谱估计结果历程图。图5给出了由空间功率谱结果中的峰值提取的目标到达角估计结果。

步骤6：利用以下公式计算声压通道、X、Y和Z通道在目标到达角处的波束输出声场：

利用声压通道以及X、Y两个矢量通道在目标到达角上的波束输出声场，获得X方向和Y方向的复声强，利用复声强比值获得目标估计方位对于矢量通道为质点振速传感器的目标方位估计公式为：

对于矢量通道为质点加速度传感器的目标方位估计公式为：

其中，Re[·]表示取实部，Im[·]表示取虚部，上标*表示复共轭算符，A(f_l)为声压通达和矢量通道在频点f_l处由灵敏度差异引入的幅度差异比值。图6给出了整个实验期间的目标方位角估计结果。可以看出，目标估计方位与实际方位符合较好。

步骤7：结合海水声速剖面，利用声场计算模型BELLHOP计算不同假设声源距离下的直达波与海面反射波到达角平均值模板值θ_mod(r_s)，图7给出了由BELLHOP计算的声源深度固定为10m时，不同假设声源距离处的直达波与海面反射波到达角平均值的模板值。声源假设距离范围为0-20km，间隔为0.01km。将目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值θ_mod(r_s)进行匹配估计目标的距离，距离估计代价函数定义为：

代价函数最大值对应的距离为声源距离估计值，即以起始时间8时30分为例，从图4可以看出，该时间目标估计到达角为31.2°。图8给出了将到达角估计值31.2°与图7中的到达角模板值进行匹配的目标距离估计代价函数，从图中可以看出，8时30分目标估计距离/>为6km。图9给出了整个实验期间的目标距离结果，可以看出，目标估计距离与实际距离符合较好。

步骤8：获得目标估计距离后，结合海水声速剖面，利用声场计算模型BELLHOP计算该距离处不同假设声源深度对应的多途到达时延模板值/>以起始时间8时30分为例，由步骤7可知，该时间目标估计距离为6km，图10给出了声场计算模型BELLHOP计算的声源距离为6km时，不同假设声源深度对应的直达波和海面反射波到达时延。其中，假设声源深度计算范围为1-600m，间隔为1m。

步骤9：取声压或X、Y、Z矢量通道中的任一通道，对其在目标到达角上的宽带波束输出声场强度沿频率轴进行谱分析，获得目标多途到达时延估计值。以声压通道为例，首先将宽带波束输出声场强度在频域内进行去均值处理，利用下式获得去均值后的声场强度谱：

利用反傅里叶变换或MUSIC等谱分析方法对多频点的声场强度谱进行二重谱分析，获得到达时延谱Q₁(τ_j)，到达时延谱中最大值对应的时延为到达时延估计值以起始时间8时30分为例，该时间到达时延估计值为0.02267s。

步骤10：将多途到达时延估计值与不同假设声源深度下的模板值/>进行匹配，定义深度估计代价函数为：

代价函数最大值对应的深度为声源深度估计值，即以起始时间8时30分为例，将到达时延估计值0.02267s与图10中的到达时延模板值进行匹配，图11给出了8时30分的深度估计代价函数，从图中可以看出该时间声源深度估计值为34m。图12给出了整个实验期间的深度估计结果与实测深度对比，可以看出，估计深度与实际深度符合较好。

利用图6中估计的目标方位角结合图9中估计的目标距离，可以估计目标的运动轨迹。图13给出了整个实验期间估计的目标运动轨迹与实际运动轨迹的对比，可以看出，两者符合较好。实测数据验证表明，本发明的方法可以有效实现目标三维被动定位。

本申请还提供一种基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位装置，基于上述方法实现，所述装置包括：矢量垂直阵和三维定位***；

所述矢量垂直阵包括声压通道和矢量通道；每个阵元上设置矢量传感器姿态仪；所述矢量垂直阵采集目标发出的声压通道信号时域波形以及三个方向矢量通道信号时域波形；

所述三维定位***包括：

角度修正模块，用于利用每个矢量传感器姿态仪记录的俯仰角、横滚角和方位角，修正所有阵元的三个方向矢量通道信号；

声压通道和矢量通道信号频谱计算模块，用于处理声压通道信号和矢量通道信号，获得声压通道信号频谱和矢量通道信号频谱；

空间功率谱估计模块，用于处理声压通道信号频谱和矢量通道信号频谱，获得声压和三个方向矢量通道的空间功率谱估计结果；

目标到达角估计值和波束输出声场强度计算模块，用于取声压或三个方向矢量通道中的任一通道，结合空间功率谱估计结果获得目标到达角估计值和目标到达角上的波束输出声场强度/>

波束输出声场计算模块，用于计算声压通道和三个方向矢量通道的波束输出声场，利用复声强比值估计目标的方位；

目标距离估计模块，用于结合海水声速剖面，计算不同假设声源距离下的直达波与海面反射波到达角模板值，将目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值进行匹配估计目标的距离；

多途到达时延模板值计算模块，用于结合海水声速剖面，计算目标估计距离处不同假设声源深度对应的多途到达时延模板值；

多途到达时延估计值计算模块，用于取声压或三个方向矢量通道中的任一通道，对其在目标到达角上的宽带波束输出声场强度沿频率轴进行谱分析，获得目标多途到达时延估计值

声源深度估计模块，用于将多途到达时延估计值与不同假设声源深度下的多途到达时延模板值进行匹配，得到声源深度估计值。

本发明还可提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器、存储器、至少一个网络接口和用户接口。该设备中的各个组件通过总线***耦合在一起。可理解，总线***用于实现这些组件之间的连接通信。总线***除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。

其中，用户接口可以包括显示器、键盘或者点击设备。例如，鼠标，轨迹球(trackball)、触感板或者触摸屏等。

可以理解，本申请公开实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DoubleDataRateSDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(EnhancedSDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(SynchlinkDRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambusRAM，DRRAM)。本文描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

在一些实施方式中，存储器存储了如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作***和应用程序。

其中，操作***，包含各种***程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序，包含各种应用程序，例如媒体播放器(MediaPlayer)、浏览器(Browser)等，用于实现各种应用业务。实现本公开实施例方法的程序可以包含在应用程序中。

在本上述的实施例中，还可通过调用存储器存储的程序或指令，具体的，可以是应用程序中存储的程序或指令，处理器用于：

执行上述方法的步骤。

上述方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行上述公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合上述公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

可以理解的是，本发明描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、数字信号处理设备(DSPDevice，DSPD)、可编程逻辑设备(ProgrammableLogic Device，PLD)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。

对于软件实现，可通过执行本发明的功能模块(例如过程、函数等)来实现本发明技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。

本发明还可提供一种非易失性存储介质，用于存储计算机程序。当该计算机程序被处理器执行时可以实现上述方法实施例中的各个步骤。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，基于矢量垂直阵实现，所述矢量垂直阵包括声压通道和矢量通道；每个阵元上设置矢量传感器姿态仪；

所述方法包括：

步骤1：矢量垂直阵采集待定位目标发出的声压通道信号时域波形以及三个方向矢量通道信号时域波形；

步骤2：利用每个矢量传感器姿态仪记录的俯仰角、横滚角和方位角，修正所有阵元的X、Y、Z三个方向矢量通道信号；

步骤3：处理声压通道信号时域波形和矢量通道信号时域波形，获得声压通道信号频谱和矢量通道信号频谱；

步骤4：处理声压通道信号频谱和矢量通道信号频谱，获得声压和三个方向矢量通道的空间功率谱估计结果；

步骤5：取声压或三个方向矢量通道中的任一通道，结合空间功率谱估计结果获得目标到达角估计值和目标到达角上的波束输出声场强度/>

步骤6：计算声压通道和三个方向矢量通道的波束输出声场，利用复声强比值估计目标的方位；

步骤7：结合海水声速剖面，计算不同假设声源距离下的直达波与海面反射波到达角模板值，将目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值进行匹配，估计待定位目标的距离；

步骤8：结合海水声速剖面，计算目标估计距离处不同假设声源深度对应的多途到达时延模板值；

步骤9：取声压或三个方向矢量通道中的任一通道，对其在目标到达角上的宽带波束输出声场强度沿频率轴进行谱分析，获得待定位目标多途到达时延估计值

步骤10：将多途到达时延估计值与不同假设声源深度下的多途到达时延模板值进行匹配，得到待定位目标深度估计值；

所述步骤6包括：

利用以下公式计算声压通道的波束输出声场X、Y、Z三通道的波束输出声场和/>

其中，f_l表示第l个信号处理频段频率；s_p(k,f_l)表示第k拍、第l个频点处整个矢量垂直阵声压通道的频谱数据向量；s_x(k,f_l)、s_y(k,f_l)和s_z(k,f_l)分别表示X、Y、Z三通道的矢量通道频谱数据向量；上标H代表矩阵的共轭转置；

d_n为矢量垂直阵第n个阵元与第1个阵元的间距；N表示矢量垂直阵阵元个数；c表示声速；e表示自然常数；上标T表示矩阵或向量的转置；

利用声压通道以及X、Y两个矢量通道在目标到达角上的波束输出声场，获得X方向和Y方向的复声强，利用复声强比值获得目标估计方位

当矢量通道测量质点振速时目标估计方位公式为：

其中，K表示信号总快拍数；L表示处理频段内包含的频点个数；Re[·]表示取实部，上标*表示复共轭算符；

当矢量通道测量质点加速度时目标估计方位公式为：

其中，Im[·]表示取虚部，A(f_l)表示声压通道和矢量通道在频点f_l处由灵敏度差异引入的幅度差异比值。

2.根据权利要求1所述的基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，其特征在于：

以矢量垂直阵轴线与海平面的交点为坐标原点建立三维坐标系，垂直于海平面向下为Z轴正方形，X、Y轴组成的平面与海平面重合；

所述三个方向矢量通道信号为X、Y、Z三个方向矢量通道信号，X、Y、Z三个方向分别为X、Y、Z三个坐标轴的正方向。

3.根据权利要求2所述的基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：修正后的X、Y、Z三个方向矢量通道信号为：

其中，矩阵中各元素含义如下：

a₁₁＝cosα₁(n,k,t)cosα₃(n,k,t)

a₁₂＝sinα₁(n,k,t)cosα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)-sinα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)

a₁₃＝sinα₁(n,k,t)cosα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)+sinα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)

a₂₁＝cosα₁(n,k,t)sinα₃(n,k,t)

a₂₂＝sinα₁(n,k,t)sinα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)+cosα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)

a₂₃＝sinα₁(n,k,t)sinα₃(n,k,t)cosα₂(n,k,t)-cosα₃(n,k,t)sinα₂(n,k,t)

a₃₁＝-sinα₁(n,k,t)

a₃₂＝cosα₁(n,k,t)sinα₂(n,k,t)

a₃₃＝cosα₁(n,k,t)cosα₂(n,k,t)

n＝1,2,...,N表示矢量垂直阵阵元编号，N表示矢量垂直阵阵元个数；k＝1,2,...,K表示信号快拍数序号，K表示信号总快拍数；t表示时间；

S_x(n,k,t)表示修正后的X方向矢量通道信号；S_y(n,k,t)表示修正后的Y方向矢量通道信号；S_z(n,k,t)表示修正后的Z方向矢量通道信号；表示矢量垂直阵接收的X方向矢量通道信号时域波形；/>表示矢量垂直阵接收的Y方向矢量通道信号时域波形；Sz₀(n,k,t)表示矢量垂直阵接收的Z方向矢量通道信号时域波形；

α₁(n,k,t)表示矢量传感器姿态仪记录的俯仰角；α₂(n,k,t)表示矢量传感器姿态仪记录的横滚角；α₃(n,k,t)表示矢量传感器姿态仪记录的方位角。

4.根据权利要求3所述的基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

对矢量垂直阵列采集的声压通道信号和矢量通道时域信号进行快速傅里叶变换获得声压通道信号频谱s_p(n,k,f_l)、以及X、Y、Z三通道的矢量通道信号频谱s_x(n,k,f_l)、s_y(n,k,f_l)和s_z(n,k,f_l)，l＝1,2,...,L，f₁和f_L表示信号处理频段的上下界，L表示处理频段内包含的频点个数，f_l表示第l个信号处理频段频率；进而获得第k拍、第l个频点处整个矢量垂直阵声压通道的频谱数据向量s_p(k,f_l)和X、Y、Z三通道的矢量通道频谱数据向量s_x(k,f_l)、s_y(k,f_l)和s_z(k,f_l)：

s_p(k,f_l)＝[s_p(1,k,f_l),s_p(2,k,f_l),...,s_p(N,k,f_l)]^T

s_x(k,f_l)＝[s_x(1,k,f_l),s_x(2,k,f_l),...,s_x(N,k,f_l)]^T

s_y(k,f_l)＝[s_y(1,k,f_l),s_y(2,k,f_l),...,s_y(N,k,f_l)]^T

s_z(k,f_l)＝[s_z(1,k,f_l),s_z(2,k,f_l),...,s_z(N,k,f_l)]^T

其中，上标T表示矩阵或向量的转置。

5.根据权利要求4所述的基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

利用空间功率谱估计方法分别对声压通道信号频谱和矢量通道信号频谱进行处理，获得声压和矢量X、Y、Z三通道的空间功率谱估计结果B_p(θ,f_l)、B_x(θ,f_l)、B_y(θ,f_l)和B_z(θ,f_l)，θ为目标到达角搜索值；频率为f_l处的空间功率谱估计公式为：

B_p(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_p(f_l)a(f_l,θ)

B_x(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_x(f_l)a(f_l,θ)

B_y(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_y(f_l)a(f_l,θ)

B_z(θ,f_l)＝a^H(f_l,θ)R_z(f_l)a(f_l,θ)

其中，a(f_l,θ)为导向矢量：

其中，d_n为矢量垂直阵第n个阵元与第1个阵元的间距；c表示声速；e表示自然常数；R_p(f_l)、R_x(f_l)、R_y(f_l)、R_z(f_l)分别是由频率分量为f_l的矢量垂直阵声压通道和X、Y、Z三分量矢量通道信号频谱估计的互谱密度矩阵；

其中，上标H代表矩阵的共轭转置。

6.根据权利要求5所述的基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，其特征在于，所述步骤5具体为：对多频点的声压通道空间功率谱估计结果进行求和平均，获得宽带空间功率谱估计平均结果取/>中目标所对应峰值处的到达角为目标到达角估计值/>为目标到达角上的波束输出声场强度。

7.根据权利要求1所述的基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，其特征在于，所述步骤7具体包括：

结合海水声速剖面，利用声场计算模型BELLHOP计算不同假设声源距离下的直达波与海面反射波到达角模板值θ_mod(r_s)，将目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值进行匹配估计目标的距离，距离估计代价函数定义为：

代价函数最大值对应的距离为声源距离估计值，即

8.根据权利要求7所述的基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，其特征在于，所述步骤8具体包括：

结合海水声速剖面，利用声场计算模型BELLHOP计算声源估计距离处不同假设声源深度对应的多途到达时延模板值z_s表示假设声源深度。

9.根据权利要求8所述的基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，其特征在于，所述步骤9具体为：

首先将波束输出声场强度在频域内进行去均值处理，利用下式获得去均值后的声场强度谱/>

利用反傅里叶变换或MUSIC谱分析方法对多频点的声场强度谱进行二重谱分析，获得到达时延谱Q₁(τ_j)，到达时延谱中最大值对应的时延为多途到达时延估计值τ_j表示时间到达时延。

10.根据权利要求8所述的基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法，其特征在于，所述步骤10包括：

将多途到达时延估计值与不同假设声源深度下的多途到达时延模板值/>进行匹配，定义深度估计代价函数为：

代价函数最大值对应的深度为声源深度估计值，即

11.一种基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位装置，基于权利要求1-10任一所述方法实现，其特征在于，所述装置包括：矢量垂直阵和三维定位***；

所述矢量垂直阵包括声压通道和矢量通道；每个阵元上设置矢量传感器姿态仪；所述矢量垂直阵采集目标发出的声压通道信号时域波形以及三个方向矢量通道信号时域波形；

所述三维定位***包括：

角度修正模块，用于利用每个矢量传感器姿态仪记录的俯仰角、横滚角和方位角，修正所有阵元的三个方向矢量通道信号；

声压通道和矢量通道信号频谱计算模块，用于处理声压通道信号和矢量通道信号，获得声压通道信号频谱和矢量通道信号频谱；

空间功率谱估计模块，用于处理声压通道信号频谱和矢量通道信号频谱，获得声压和三个方向矢量通道的空间功率谱估计结果；

目标到达角估计值和波束输出声场强度计算模块，用于取声压或三个方向矢量通道中的任一通道，结合空间功率谱估计结果获得目标到达角估计值和目标到达角上的波束输出声场强度/>

波束输出声场计算模块，用于计算声压通道和三个方向矢量通道的波束输出声场，利用复声强比值估计目标的方位；

目标距离估计模块，用于结合海水声速剖面，计算不同假设声源距离下的直达波与海面反射波到达角模板值，将目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值进行匹配估计目标的距离；

多途到达时延模板值计算模块，用于结合海水声速剖面，计算目标估计距离处不同假设声源深度对应的多途到达时延模板值；

多途到达时延估计值计算模块，用于取声压或三个方向矢量通道中的任一通道，对其在目标到达角上的宽带波束输出声场强度沿频率轴进行谱分析，获得目标多途到达时延估计值和

声源深度估计模块，用于将多途到达时延估计值与不同假设声源深度下的多途到达时延模板值进行匹配，得到声源深度估计值。