本發(fā)明屬于水聲信號(hào)處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

深?？煽柯暵窂?rap:reliableacousticpath)是深海聲傳播的信道之一。rap出現(xiàn)條件是接收器位于深海，且此處聲速大于海面附近聲速的最大值，即接收器位于臨界深度以下。所謂可靠聲路徑是指當(dāng)聲源深度大于臨界深度時(shí)，聲傳播路徑不受近海面效應(yīng)或海底相互作用的影響，因此與海面附近的海洋環(huán)境特性關(guān)系較小，傳播信號(hào)穩(wěn)定可靠。

rap為聲源定位提供了一個(gè)高信噪比環(huán)境。主要原因有兩個(gè)：(1)rap是目標(biāo)與水聲設(shè)備之間的直達(dá)路徑，因此它對(duì)海面散射和海底反射損失不敏感。rap下的傳播損失(tl:transmissionloss)比其他路徑(如表面反射路徑)下的傳播損失要小得多。(2)遠(yuǎn)處噪聲源產(chǎn)生的噪聲難以到達(dá)臨界深度以下，使得rap下的環(huán)境噪聲級(jí)低于深海中的平均環(huán)境噪聲級(jí)。(ruid,kun-dey,yuan-liangm,etal.areliableacousticpath:physicalpropertiesandasourcelocalizationmethod[j].chinesephysicsb,2012,21(12):124301.)

由于rap的低噪聲優(yōu)點(diǎn)，利用其進(jìn)行定位成為研究的熱點(diǎn)方向之一。目前，相關(guān)人員多研究在深海放置接收水聽(tīng)器，利用rap來(lái)被動(dòng)探測(cè)位于海面或較淺處的目標(biāo)。但是，當(dāng)目標(biāo)的輻射噪聲級(jí)較低時(shí)，利用rap進(jìn)行被動(dòng)探測(cè)的方法面臨著接收信號(hào)級(jí)較弱的問(wèn)題，導(dǎo)致探測(cè)性能下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)利用可靠聲路徑進(jìn)行被動(dòng)探測(cè)時(shí)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種利用可靠聲路徑使用目標(biāo)回波時(shí)延及目標(biāo)回波到達(dá)角度的主動(dòng)定位方法。所提方法采用單個(gè)發(fā)射換能器和一個(gè)多元接收陣(兩者組成單基地聲納并位于臨界深度以下)，單個(gè)發(fā)射換能器發(fā)射脈沖信號(hào)并向上照射目標(biāo)。接收陣采集目標(biāo)的目標(biāo)回波，并確定發(fā)射換能器-目標(biāo)-接收陣路徑的回波到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角度(后面簡(jiǎn)稱為直達(dá)波到達(dá)時(shí)延和直達(dá)波到達(dá)角度)，利用離線計(jì)算得到的直達(dá)波到達(dá)時(shí)延和直達(dá)波到達(dá)角度與實(shí)際采集的直達(dá)波到達(dá)時(shí)延和直達(dá)波到達(dá)角度進(jìn)行匹配處理，獲得目標(biāo)定位結(jié)果。本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于可靠聲路徑下目標(biāo)回波到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角度的主動(dòng)定位方法，包括以下步驟：

步驟一：利用聲場(chǎng)軟件進(jìn)行離線仿真計(jì)算，包括以下步驟；

子步驟一：由單個(gè)發(fā)射換能器和n個(gè)水聽(tīng)器組成單基地主動(dòng)聲納系統(tǒng)，該系統(tǒng)位于深海臨界深度下；發(fā)射換能器發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)，表達(dá)式為

其中，f為中心頻率，k為調(diào)頻斜率，τ0為脈寬，t為發(fā)射周期；

子步驟二：將需要觀測(cè)的距離-深度空間劃分網(wǎng)格，假設(shè)目標(biāo)位于某一網(wǎng)格點(diǎn)，利用射線模型離線計(jì)算從該網(wǎng)格點(diǎn)到達(dá)接收陣幾何中心點(diǎn)處的直達(dá)波雙程時(shí)延以及到達(dá)角度；設(shè)沿著距離方向網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為i，沿著深度方向網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為j。以第i(i＝1,2,…,i)個(gè)水平距離第j(j＝1,2,…,j)個(gè)深度處的對(duì)應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)為例，從該網(wǎng)格點(diǎn)到達(dá)接收陣幾何中心處的直達(dá)波雙程到達(dá)時(shí)延為τi,j，從該網(wǎng)格點(diǎn)到達(dá)接收陣幾何中心處的直達(dá)波到達(dá)角為θi,j。對(duì)所有網(wǎng)格點(diǎn)做上述計(jì)算，并對(duì)到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角的信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

步驟二：對(duì)多元水聽(tīng)器陣實(shí)際采集到的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行處理，提取回波到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角信息；其中實(shí)際進(jìn)行采集時(shí)，所使用的單基地聲納系統(tǒng)構(gòu)成以及發(fā)射換能器發(fā)出的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)表達(dá)公式與仿真中的單基地聲納系統(tǒng)構(gòu)成以及發(fā)射換能器發(fā)出的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)表達(dá)公式相同；發(fā)射換能器發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)，對(duì)多元水聽(tīng)器陣接收到的回波信號(hào)進(jìn)行提取處理，獲得直達(dá)波的到達(dá)時(shí)延信息和直達(dá)波到達(dá)角度信息，包括以下子步驟：

子步驟一：對(duì)水聽(tīng)器陣采集到的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，其中對(duì)每個(gè)水聽(tīng)器用公式(1)對(duì)應(yīng)的匹配濾波器對(duì)帶通濾波輸出信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，得到匹配濾波輸出

其中，rn(t)為第n個(gè)水聽(tīng)器接收到的回波的帶通濾波輸出信號(hào)，s(t)為(1)式的發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)；

對(duì)得到的rn(τ)求取包絡(luò)，包絡(luò)中第一個(gè)尖峰是直達(dá)波部分處理后得到的波形，尖峰的極大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間為直達(dá)波到達(dá)該水聽(tīng)器的時(shí)延值。

對(duì)所有水聽(tīng)器的直達(dá)波到達(dá)時(shí)延求平均值

其中，τn為第n號(hào)水聽(tīng)器的直達(dá)波到達(dá)時(shí)延，n為總水聽(tīng)器數(shù)。τd即為所需要的直達(dá)波到達(dá)時(shí)延信息。

子步驟二：通過(guò)矩形時(shí)間窗函數(shù)對(duì)接收陣得到的匹配濾波輸出直達(dá)波部分進(jìn)行提取，提取公式為：

其中，矩形時(shí)間窗函數(shù)為

b為發(fā)射信號(hào)帶寬。由式(5)可知，矩形時(shí)間窗函數(shù)w(τ)的中心時(shí)刻為直達(dá)波平均到達(dá)時(shí)刻τd，寬度為0.88/b。

子步驟三：對(duì)進(jìn)行目標(biāo)方位估計(jì)，得到所需要的直達(dá)波到達(dá)角θd；

步驟三：將仿真得到的各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直達(dá)波到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角度分別與實(shí)際接收信號(hào)的直達(dá)波平均到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角度相匹配，即

其中，pi,j為第i個(gè)水平距離第j個(gè)深度處的對(duì)應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)的匹配處理輸出。沿著距離和深度對(duì)匹配處理輸出進(jìn)行搜索，在峰值處獲得目標(biāo)定位結(jié)果，通過(guò)時(shí)延和角度匹配，從峰值處已經(jīng)獲得目標(biāo)位置。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述單基地主動(dòng)聲納系統(tǒng)包括單個(gè)發(fā)射換能器和n(6≤n≤64)個(gè)水聽(tīng)器；n個(gè)水聽(tīng)器構(gòu)成均勻直線陣，陣元間距為發(fā)射信號(hào)中心頻率所對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述n元水聽(tīng)器陣布放方式為水平布放或垂直布放。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：?jiǎn)蝹€(gè)發(fā)射換能器和n元水聽(tīng)器陣的排列方式為：以單個(gè)發(fā)射換能器為球心，n元水聽(tīng)器陣的幾何中心位于半徑為200米的球體(包括球面)內(nèi)某一點(diǎn))。

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：采用適用于直線陣的目標(biāo)方位估計(jì)方法處理

本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述網(wǎng)格點(diǎn)距離間隔在5-100米之間，深度間隔在1-50米之間。

發(fā)明效果

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：本發(fā)明針對(duì)基于可靠聲路徑的被動(dòng)探測(cè)方法的不足，提出將單基地主動(dòng)聲納布置于臨界深度以下，利用可靠聲路徑照射目標(biāo)并利用多元接收陣提取目標(biāo)直達(dá)波到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角，最終獲得有效的目標(biāo)定位結(jié)果。

本發(fā)明的基本原理和實(shí)施方案經(jīng)過(guò)了計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真的驗(yàn)證，其結(jié)果表明：利用本發(fā)明所提出的利用可靠聲路徑的主動(dòng)定位方法可以在深海環(huán)境對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效定位。

附圖說(shuō)明

圖1為可靠聲路徑環(huán)境下主動(dòng)定位方法示意圖，單基地聲納系統(tǒng)包含發(fā)射聲源和多元接收陣；

圖2為該定位方法實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖3為匹配濾波后的實(shí)際接收回波及尖峰示意圖；

圖4為網(wǎng)格點(diǎn)劃分示意圖；

圖5為實(shí)施實(shí)例的定位結(jié)果圖；

圖6為圖5的細(xì)節(jié)放大圖；

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的主要內(nèi)容有：

1)將單基地主動(dòng)聲納放置在深海臨界深度之下，該主動(dòng)聲納由單個(gè)發(fā)射換能器和多元接收陣(水聽(tīng)器數(shù)為6到64之間，包括6和64)構(gòu)成。發(fā)射換能器發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號(hào)(發(fā)射可以有一定的垂直指向性，也可以沒(méi)有)，從下方通過(guò)可靠聲路徑照射目標(biāo)場(chǎng)景。目標(biāo)回波同樣通過(guò)可靠聲路徑返回，到達(dá)多元接收陣。

2)處理多元陣上采集的目標(biāo)回波。多元接收陣接收回波，利用匹配濾波技術(shù)從每個(gè)接收水聽(tīng)器上提取經(jīng)發(fā)射換能器-目標(biāo)-多元接收陣路徑的回波(后面簡(jiǎn)稱為直達(dá)波)到達(dá)時(shí)延，將所有水聽(tīng)器上的時(shí)延求算數(shù)平均值，得到目標(biāo)回波中直達(dá)波平均到達(dá)時(shí)延。將匹配濾波輸出的直達(dá)波部分進(jìn)行截取，即用矩形時(shí)間窗函數(shù)與匹配濾波輸出相乘，其中矩形時(shí)間窗的中心時(shí)刻位于平均到達(dá)時(shí)延(即直達(dá)波的平均到達(dá)時(shí)刻)處，矩形時(shí)間窗寬度為b為發(fā)射信號(hào)帶寬。對(duì)所有水聽(tīng)器上截取出的直達(dá)波進(jìn)行到達(dá)角估計(jì)，獲得直達(dá)波到達(dá)角度。

3)使用匹配處理獲得目標(biāo)定位結(jié)果。將需要觀測(cè)的距離-深度空間劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格點(diǎn)距離間隔在5-100米之間，深度間隔在1-50米之間。利用聲場(chǎng)軟件離線計(jì)算目標(biāo)在各網(wǎng)點(diǎn)上時(shí)目標(biāo)直達(dá)回波到達(dá)多元接收陣幾何中心點(diǎn)處的到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角度，并將結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。將實(shí)際得到的直達(dá)波平均到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角度，與各網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的離線仿真計(jì)算的到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角度，一一做匹配處理，將匹配處理結(jié)果描繪在網(wǎng)格點(diǎn)上，獲得距離-深度二維模糊表面，搜索模糊表面峰值得到定位結(jié)果。

4)通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真給出了本發(fā)明提出方法的定位結(jié)果，從定位結(jié)果證明了本發(fā)明提出的定位方法有較好的定位效果。

本發(fā)明的技術(shù)方案

步驟1)主要涉及單基地主動(dòng)聲納的布置以及信號(hào)的發(fā)射與接收，具體內(nèi)容如下。

發(fā)射換能器和多元接收陣構(gòu)成單基地主動(dòng)聲納，放置于臨界深度之下。發(fā)射換能器可以全向發(fā)射；為了使聲能量更集中，可以以一定的垂直開(kāi)角發(fā)射，避免聲波與海底接觸；調(diào)整發(fā)射開(kāi)角范圍，可以獲得不同的照射范圍。這種布置方式的照射水平距離可達(dá)40千米。

發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)

其中，f為中心頻率，k為調(diào)頻斜率，τ0為脈寬，t為發(fā)射周期。

一般，目標(biāo)位于海表面以下幾十米到幾百米不等，接收陣接收到目標(biāo)多途回波，其中直達(dá)波部分到達(dá)時(shí)間最早、強(qiáng)度最大。目標(biāo)位置可由直達(dá)波到達(dá)時(shí)延與到達(dá)角度唯一確定。因此本發(fā)明主要利用直達(dá)波到達(dá)時(shí)延和回波到達(dá)角進(jìn)行定位。

為了保證足夠的陣增益及各水聽(tīng)器上回波到達(dá)角的一致性，接收陣的水聽(tīng)器個(gè)數(shù)限制在6至64之間，包括6和64，水聽(tīng)器間距為半波長(zhǎng)。

步驟2)主要涉及對(duì)多元接收陣采集的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行處理，提取直達(dá)波到達(dá)時(shí)延信息和直達(dá)波到達(dá)角度信息，具體內(nèi)容如下。

對(duì)接收陣各水聽(tīng)器采集到的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行帶通濾波。用發(fā)射信號(hào)波形對(duì)應(yīng)的匹配濾波對(duì)目標(biāo)回波的帶通濾波輸出進(jìn)行匹配濾波，得到匹配濾波輸出

其中，rn(t)為第n個(gè)水聽(tīng)器接收到的回波的帶通濾波輸出，s(t)為發(fā)射信號(hào)。

對(duì)得到的rn(τ)求取包絡(luò)，包絡(luò)中沿時(shí)間軸的第一個(gè)尖峰是直達(dá)波部分做上述處理后得到的波形(見(jiàn)圖3)，尖峰的極大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間為直達(dá)波到達(dá)該水聽(tīng)器的時(shí)延值。

對(duì)所有水聽(tīng)器的直達(dá)波到達(dá)時(shí)延求平均值

其中，τn為第n號(hào)水聽(tīng)器的直達(dá)波到達(dá)時(shí)延，n為總水聽(tīng)器數(shù)。τd即為所需要的直達(dá)波到達(dá)時(shí)延信息。

用矩形時(shí)間窗函數(shù)對(duì)接收陣得到的匹配濾波輸出直達(dá)波部分進(jìn)行提取，即將各水聽(tīng)器的匹配濾波輸出rn(τ)與矩形時(shí)間窗函數(shù)相乘

其中，矩形時(shí)間窗函數(shù)為

b為發(fā)射信號(hào)帶寬。由式(5)可知，w(τ)的中心時(shí)刻為直達(dá)波平均到達(dá)時(shí)刻τd，寬度為0.88/b。

對(duì)上述處理后所提取的n個(gè)水聽(tīng)器上直達(dá)波匹配濾波輸出進(jìn)行目標(biāo)方位估計(jì)，得到所需要的直達(dá)波到達(dá)角，設(shè)該角度為θd。已有的目標(biāo)方位估計(jì)方法，如常規(guī)波束形成法、capon法、music法(孫超.水下多傳感器陣列信號(hào)處理)等，均可以用來(lái)處理估計(jì)直達(dá)波到達(dá)角。

步驟3)主要涉及利用聲場(chǎng)軟件進(jìn)行離線仿真計(jì)算，具體內(nèi)容如下。

將需要觀測(cè)的距離-深度空間劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格點(diǎn)距離間隔在5-100米之間，深度間隔在1-50米之間。假設(shè)目標(biāo)位于某一網(wǎng)格點(diǎn)，利用bellhop射線模型離線計(jì)算從該網(wǎng)格點(diǎn)到達(dá)接收陣幾何中心點(diǎn)處的直達(dá)波雙程時(shí)延以及到達(dá)角度。設(shè)沿著距離方向網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為i，沿著深度方向網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為j。以第i(i＝1,2,…,i)個(gè)水平距離第j(j＝1,2,…,j)個(gè)深度處的對(duì)應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)為例，從該網(wǎng)格點(diǎn)到達(dá)接收陣幾何中心處的直達(dá)波雙程到達(dá)時(shí)延為τi,j，從該網(wǎng)格點(diǎn)到達(dá)接收陣幾何中心處的直達(dá)波到達(dá)角為θi,j。對(duì)所有網(wǎng)格點(diǎn)做上述計(jì)算，并對(duì)到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角進(jìn)行存儲(chǔ)。

步驟4)主要涉及利用仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際采集數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理，獲得目標(biāo)定位結(jié)果，具體內(nèi)容如下。

將仿真得到的各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直達(dá)波到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角度分別與實(shí)際接收信號(hào)的直達(dá)波平均到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角度相匹配，即

其中，pi,j為第i個(gè)水平距離第j個(gè)深度處的對(duì)應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)的匹配處理輸出。沿著距離和深度對(duì)匹配處理輸出進(jìn)行搜索，在峰值處獲得目標(biāo)定位結(jié)果。

以典型的深海環(huán)境為例，給出本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例。實(shí)施實(shí)例利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真，來(lái)檢驗(yàn)本發(fā)明所提方法的效果。

在實(shí)施實(shí)例中，兩次運(yùn)用聲場(chǎng)軟件進(jìn)行計(jì)算。第一次利用聲場(chǎng)軟件計(jì)算出目標(biāo)回波信號(hào)，將此回波信號(hào)作為實(shí)際采集的信號(hào)；第二次利用聲場(chǎng)軟件計(jì)算出目標(biāo)位于不同網(wǎng)格點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的直達(dá)波到達(dá)時(shí)延和直達(dá)波到達(dá)角度，將作為離線計(jì)算的回波信息。

1)rap環(huán)境

假設(shè)海深5500米，聲速剖面為munk剖面，其臨界深度為4900米。

2)單基地聲納參數(shù)

聲納系統(tǒng)位于臨界深度以下，即5000米深。發(fā)射聲源發(fā)射如式(1)所示的線性調(diào)頻信號(hào)，其中f＝1500hz，k＝25s^-2，τ0＝4s，t＝60s。發(fā)射角度為-24°至5°，此時(shí)聲波不與海底接觸。接收陣為32元水平線列陣。

3)仿真實(shí)際接收信號(hào)及其處理

假設(shè)目標(biāo)位于海面下300米，距離25千米處。使用bellhop射線模型求解直達(dá)波到達(dá)角度θd；發(fā)射換能器-目標(biāo)-接收線列陣路徑回波時(shí)延τd、幅度ad和由海面反射引起的附加相位跳變?chǔ)誨；發(fā)射換能器-海面-目標(biāo)-接收線列陣路徑與發(fā)射換能器-目標(biāo)-海面-接收線列陣路徑回波時(shí)延τs、幅度as和由海面反射引起的附加相位跳變?chǔ)誷；以及發(fā)射換能器-海面-目標(biāo)-海面-接收線列陣路徑回波時(shí)延τds、幅度ads和由海面反射引起的附加相位跳變?chǔ)誨s。對(duì)應(yīng)于四個(gè)路徑，分別將發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)延與相移，幅度調(diào)整為該路徑回波的幅度，得到該路徑的回波波形。將四個(gè)路徑的回波相加，并加上白噪聲，就得到仿真出的接收陣處目標(biāo)回波。將此回波按水聽(tīng)器位置和直達(dá)波到達(dá)角度進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)延，得到各水聽(tīng)器接收的回波波形。將各水聽(tīng)器接收的回波按技術(shù)方案中步驟2)進(jìn)行處理，其中頻域?yàn)V波采用截止頻率為1450hz和1550hz的四階巴特沃斯帶通濾波器，目標(biāo)方位估計(jì)采用capon波束形成算法(孫超.水下多傳感器陣列信號(hào)處理)，最終得到目標(biāo)回波的直達(dá)波平均到達(dá)時(shí)延和直達(dá)波到達(dá)角度。

4)離線計(jì)算不同網(wǎng)格點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)直達(dá)波到達(dá)時(shí)延和直達(dá)波到達(dá)角度

將需要觀測(cè)的距離-深度空間劃分網(wǎng)格點(diǎn)，需要觀測(cè)的距離-深度空間區(qū)域深度從0米至5500米，距離從10米至100千米；深度方向劃分1101個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，距離方向劃分5000個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。假設(shè)目標(biāo)位于某一網(wǎng)格點(diǎn)(i,j)，使用bellhop射線模型求解直達(dá)波到達(dá)角度θi,j和直達(dá)波到達(dá)時(shí)延τi,j。按技術(shù)方案的步驟3)所敘述，得到各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直達(dá)波到達(dá)時(shí)延和到達(dá)角度，并將其存儲(chǔ)。

5)匹配處理及定位

將存儲(chǔ)的各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直達(dá)波到達(dá)時(shí)延和直達(dá)波到達(dá)角度與實(shí)際接收信號(hào)的直達(dá)波平均到達(dá)時(shí)延和直達(dá)波到達(dá)角度按(6)式做匹配，將匹配結(jié)果用二維灰度圖表示。