[发明专利]基于深海海底反射声的非合作目标多节点水声定位方法

权利要求书

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。