專利名稱：基于空氣中聲傳感器陣列的水下低頻聲源定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及水下低頻聲源的定位方法，尤其是涉及一種通過在空氣中布放聲傳感器陣列 對水下低頻聲源實現(xiàn)定位的方法。
二背景技術：
水下聲源定位主要應用場合有潛艇、魚雷和無人水下航行器的偵察與反偵察；海底地 震、火山爆發(fā)等各類水下地殼運動的環(huán)境監(jiān)視；水下魚群活動區(qū)域的探測。水和空氣特性阻 抗差異巨大，傳統(tǒng)的聲學理論認為水中的聲信號在到達水-空氣分界面時，發(fā)生全反射而無法 透射到空氣中。因此現(xiàn)有技術都是基于水聲信號應答、水聲信號的空間特性分析實現(xiàn)水下聲 源定位。
中國專利公開CN1971649、 CN101246215、 CN1547039都是集合了水聲信號問答和全球 定位系統(tǒng)(GPS)實現(xiàn)水下目標的定位。此外CN1704767提出了一種利用耐壓艙正浮力的水 下全球定位系統(tǒng)接收裝置。CN1614441提供的水下目標自動定位系統(tǒng)的工作過程是先將水下 電視探頭、水深探頭、水下聲波發(fā)射頭沉入目標水域，水下電視探頭尋找到所需定位目標的 圖像后，水深探頭測得目標深度，聲波發(fā)射頭向水面上六個聲波接收器組成的線陣發(fā)射信號， 根據(jù)信號的時延實現(xiàn)目標的水平投影定位。在水下目標不可視的條件下，該系統(tǒng)將不再適用。
2006年美國學者首次發(fā)現(xiàn)在低頻時存在著水下聲能量到空氣中的異常透射現(xiàn)象(Godin, "Anomalous transparency of water-air interface for low-frequency sound", Physical review letters 97, 164301, 2006)。此后關于低頻聲透射的研究僅局限于其能量機制和對低頻透射聲場空間分 布的分析。目前尚未見到應用該異常現(xiàn)象，基于空氣中測得的聲信息實現(xiàn)水下聲源的定位的 報道。
三
發(fā)明內(nèi)容
1、 發(fā)明冃的本發(fā)明的目的在于提供一種基于空氣中聲傳感器陣列的測量信息實現(xiàn)水下 低頻聲源定位的方法。
2、 技術方案為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所述的基于空氣中聲傳感器陣列的水下低頻
聲源定位方法，其特征在于該方法包括以下步驟
(1)在聲源深度遠小于水下聲波波長時，存在著一種反常的聲透射現(xiàn)象，可以在空氣中
測得從水下透射出來的聲壓。假定z^0區(qū)域的媒質(zhì)為空氣，2<0區(qū)域內(nèi)的媒質(zhì)為水，點聲 源頻率/為100 Hz且深度z。為0.24 m時，取參考聲壓； re, = 2x10—5 Pa空間聲壓級分布見圖 1，單位為dB，其中波數(shù)A:-2^7q , q為水下聲波速度。
在空氣中任意一個水平面內(nèi)布放兩個圓形聲傳感器陣列，每個陣列由在圓周上等角度間隔的^ + l個聲壓傳感器構成，其中S為大于1的任意奇數(shù)。在以第/個陣列的中心為原點的極 坐標系中，方位角為0處的聲傳感器測得聲壓的頻域幅度為A(^)，方位角為e + ;r處的傳感器 測得聲壓的頻域幅度為A(^ +力，以A(0為元素組成的序列記錄為P,，以p,W +冗)為元素 組成的序列為p〖，冗為180°，其中"1，2。 fe。很小時任意水平面內(nèi)，聲壓級在聲源投影處最 大，且隨著觀察點離投影的水平距離的增大而減少。以&。=0.1為例，不同高度的水平面內(nèi) 聲壓隨水平距離的變化曲線如圖2所示。因此水平圓形陣列中，離聲源投影最近的傳感器測 得的聲壓最大。如果將陣列中傳感器按方位角相差180°的條件分組，位于聲源投影和陣列中 心連線上的那一組傳感器測得的聲壓差最大。對于第/個陣列中各個傳感器計算物理量/,W)，
max(p,.) max(p,. - p〖)
其中max()表示對^求最大值。J,(0組成的序列J,中，最大值對應的方位角《，即為水平面 內(nèi)聲源投影到陣列中心波達方向D04,.的估計值。由兩個陣列中心和對應的波達方向估計值作 兩條直線，如果兩條直線相交，交點就是水平面內(nèi)聲源投影的位置；若兩條直線平行，則需 要在同一水平面內(nèi)現(xiàn)有兩個陣列中心連線以外，任意選取一點作為中心，重新布置圓形傳感 器陣列估計波達方向，由陣列中心和波達方向作出兩條相交的直線，得到水平面內(nèi)聲源投影 的位置。
(2)根據(jù)水平面內(nèi)聲源投影的位置，建立以聲源在水面投影為原點的直角坐標系。在某 個陣列中任意選取兩個傳感器，位置坐標分別為(x。,y。，z)、 (A,A,z)，測得聲壓的頻域幅度 為P。和JV差值A; -201og』;7。/Al)。在聲源頻率/、水和空氣的密度比w、水和空氣中的 聲速c,和c，已知的條件下，利用公式，
Ap' = 201og
10
fjV(w。，)丄『e勿-ft,一2
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f f e) J_『e Awaz。)兩兩2
(2)
計算出聲壓差值Ap'隨聲源深度z。的變化曲線，其中仏、《2為積分變量，聲透射系數(shù)
『2附a/0^+^)， ^和//2為水和空氣中豎直方向的波數(shù)分量，//,2 =W -仏2 ，
A:,;2; 77c,， , = 1,2。在的變化曲線中搜索△//= 時對應的z。，確定水下聲源可能的深 度^,z。2,…,《，上標"為正整數(shù)， 〃是變化曲線中厶;/ = ~的個數(shù)。
(3)除去已選用的兩個傳感器，該陣列剩余s-l個傳感器的位置坐標為(X2,力,z)， (X3,少3，z)，…,0c^,:^—,，z)，測得聲壓的頻域幅度為;72,"3,…A。聲源深度為《時，陣列各 傳感器測得聲壓與p。的差值為AK^201og"/ 。/;^，其中"=0,1,..,"上標"為小于iV的 正整數(shù)。再利用Ap'的計算公式(2)，可以得到聲壓差的理論值A^:，對每一個《計算并記 錄e(OT)，<附)=g (△《-AP:: )2 附=1,2,…,iV (3)
e(加)對m的最小值所對應的深度即為水下聲源的深度。
3、有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點是在于(l)僅通過空氣中低頻聲信 息的測量就可以定位水下聲源。(2)空氣中傳感器布放形式簡單，只要求在任意一個水平面內(nèi) 布放兩個圓形聲傳感器陣列。
四

圖1是fe。 =0.1時水下低頻聲源透射在豎直剖面上的聲壓分布圖。
圖2是fo。 = 0.1時空氣中不同水平面內(nèi)聲壓隨水平距離的變化曲線。
圖3是本發(fā)明的傳感器布放示意圖。
圖4是具體實施例子中水平面內(nèi)波達方向估計的結果。
圖5是具體實施例子中水平面內(nèi)兩點聲壓差隨聲源深度的變化曲線。
五具體實施例方式
下面以水下0.24m深，直角坐標為(O，0,-0.24)(直角坐標的單位均為m)的100 Hz點 聲源的定位為例，對本發(fā)明作詳細說明。設定z》0區(qū)域的媒質(zhì)為空氣，2<0區(qū)域內(nèi)的媒質(zhì) 為水。
1、 在高度、為lm的水平面內(nèi)任意放置一個傳感器，假設測得的聲壓為100Hz的單頻 信號。以該平面內(nèi)任意兩點^和S為圓心布放兩個圓形聲傳感器陣列A點直角坐標為 (1.7,2.94,1)， B點直角坐標為(5.89,3.4,1)，兩個陣列的半徑均取100 Hz聲波在空氣中波長的 1/2， B口1.7m，每個陣列含12個聲傳感器，等角度間隔分布，具體配置圖見圖3。
2、 對于傳感器陣列J，以式(l)中的量為觀察值，觀察值的變化曲線如圖4。可以發(fā)現(xiàn)圖 4中J的最大值出現(xiàn)在240。，因此在以j為原點的極坐標系內(nèi)，聲源投影到位于方位角為2400 的直線上；類似地可以得到聲源投影在以5為原點的極坐標系內(nèi)位于方位角為30°的直線上， 兩條直線的交點(O,O,l)即為投影位置。
3、 以投影位置作垂線，與水平面2 = 0的交點為坐標原點，建立直角坐標系如圖3所示 (本例中新建的直角坐標系剛好與原始坐標系重合)。在陣列^中任意取兩個傳感器，坐標
為(0.85,1.47,1), (2.55,4.42,1)，測得的頻域聲壓幅度記為/7。和A ，兩者的聲壓差為9.4犯。 由式(2)計算得到理論上聲壓差隨水下聲源深度的變化曲線如圖5所示，從該曲線和9.4 dB直 線的交點查得聲源可能的深度為z; =0.24 111或^=3.35 m。
4、 將可能深度^ = 0.24 m和z。2 = 3.35 m依次代入式(3),計算陣列^中12個傳感器測得的聲壓與(0.85,1.47,1)處傳感器測得的聲壓差AK^201og,。(]/7。/;7nl)，其中"=0,1，…,11 ' w = l,2。再根據(jù)式(2)計算得到計算出理論上的聲壓差值A;/，由式(3)計算聲壓差的平均誤差， 得到<1) = 0 dB， e(2)=0.9dB，因為e(l)〈e(2)，所以聲源深度為0.24m。考慮到聲源在^ = 1 m的平面內(nèi)投影坐標為(O，O，l)，因此確定聲源坐標為(O, 0,-2.4)。 結果分析-
采用本發(fā)明提供的水下聲源定位方法，定位結果與實際聲源的位置完全一致。因此采用 本發(fā)明提供的方法實現(xiàn)低頻水下聲源的定位是完全可行的。
權利要求
1、一種定位水下聲源的方法，其特征在于它包括以下步驟①在空氣中任一水平面內(nèi)布放聲傳感器陣列，在頻域測量聲壓的幅度；②通過估計該水平面內(nèi)聲源豎直投影位置到兩個傳感器陣列中心的波達方向確定聲源投影的位置；③任意選取一個陣列，根據(jù)其中任意兩個傳感器測得的聲壓差，估計水下聲源深度。針對該陣列，通過比較各個估計深度的傳感器間聲壓差的平均偏差，確定聲源的深度。
2、 如權利要求1所述的聲傳感器布放方式，其特征在于在空氣中任意一個水平面內(nèi)布放 兩個圓形傳感器陣列，每個陣列由偶數(shù)(大于2)個傳感器組成，傳感器均勻布放在以陣列 中心為圓心的圓弧上。
3、 如權利要求1所述的聲源豎直投影位置的估計方法，其特征在于計算<formula>formula see original document page 2</formula>其屮，i為陣列序號，i = l,2。以第!'個陣列中心為原點的極坐標系中，方位角為^處的聲傳 感器測得聲壓的頻域幅度為方位角為0 + ;r處的傳感器測得聲壓的頻域幅度為 A(e + ;r)，以A(e)為元素組成的序列記錄為p,，序列中e為自變量，取值數(shù)目為陣列中傳 感器的個數(shù)；類似地，以A(0 + O為元素組成的序列為P「，兀為180°， max()表示對^求最 大值。J,(0組成的序列J,中最大值對應的方位角即為聲源投影到陣列中心的波達方向，由兩 個陣列中心和對應的波達方向估計值作兩條直線，如果兩條直線相交，交點就是水平面內(nèi)聲源投影的位置；若兩條直線平行，則需要在同一水平面內(nèi)現(xiàn)有兩個陣列中心連線以外，任意 選取一點作為中心，重新布置圓形傳感器陣列估計波達方向，由陣列中心和波達方向作出兩 條相交的直線，得到水平面內(nèi)聲源投影的位置。
4、 如權利要求1所述的聲源深度估計方法，其特征在于建立以聲源在水面投影為原點的 直角坐標系,任意選取某一個包含^ + l個傳感器的圓形陣列，^為大于1的任意奇數(shù)。選擇其 中任意兩個位于(x。^。,z)和(x,，^,z)的傳感器，測得的聲壓頻域幅度為; 。和a ，計算聲壓差 值<formula>formula see original document page 2</formula>在聲源頻率/、水和空氣的密度比m、水和空氣中的聲速q和C2己知的條件下，利用公式，<formula>formula see original document page 2</formula>計算出聲壓差值Ap'隨聲源深度z。的變化曲線，其中a、《2為積分變量，聲透射系數(shù)<formula>formula see original document page 2</formula> a和〃2為水和空氣中豎直方向的波數(shù)分量，<formula>formula see original document page 2</formula>& =2</c,， z' = l,2。在 '的變化曲線中搜索 '=/^時對應的2。，確定水下聲源可能的深 度^，^2,…,《，上標"為正整數(shù)。針對每個可能深度《，計算陣列各傳感器測得聲壓與p。的差值 《-SOlog^A/^l), 其中上標""為小于iV的正整數(shù)，"=0,1,…,s ， A，p3,…凡為陣列中其它位于(X2,h,z)， (x3,y3,Z)，…,(XH,凡q,z)處的傳感器測得的聲壓頻域幅度。再次利用Ap'的計算公式，可以 得到相應聲壓差的理論值。對每一個《計算并記錄,對所有/n, e(m)最小值所對應的深度即為水下聲源的深度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在空氣中布放聲傳感器陣列定位水下低頻聲源的方法，該方法包括以下步驟(1)在空氣中的任意一個水平面內(nèi)布放兩個圓形聲傳感器陣列，測得聲壓信號估計出聲源在該水平面內(nèi)投影位置到傳感器陣列的波達方向，根據(jù)兩個波達方向確定水平面內(nèi)聲源投影的位置；(2)任意選取某個陣列中的兩個傳感器，基于水下點源低頻聲透射的規(guī)律，給出這兩點處聲壓差隨聲源深度的變化曲線，根據(jù)實際測得的聲壓差，通過一維搜索，確定水下聲源的可能深度。(3)通過計算并比較在各種可能深度下，該陣列中所有傳感器間聲壓差的實測值與理論值的平均偏差，確定水下聲源的深度。本發(fā)明能夠低成本、簡便地定位水下目標聲源，具有極大的實用價值。
文檔編號G01S11/14GK101592728SQ20091003358
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月24日 優(yōu)先權日2009年6月24日
發(fā)明者邱小軍, 陶建成 申請人:南京大學