[发明专利]一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法

说明书

本发明涉及一种基于声线匹配的被动定位方法领域，尤其涉及一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法领域。一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法，所述方法包括如下步骤：利用水听器阵列接收数据组成接收阵列数据矩阵；确定角度阈值为‑15度～15度并据此设计空域滤波器；依据步骤2中设计的空域矩阵滤波器对接收信号进行滤波；利用正交匹配追踪OMP算法提取信道冲激响应；针对空间中的每一个点，计算声信道到达接收水听器的理论模型传播时间；计算代价函数；寻找峰值即为目标位置。本发明的有益效果在于：提高匹配场定位方法的鲁棒性，采用空域矩阵滤波技术滤除大入射角的声线，在保留较强声线信息的同时抑制了部分噪声，提高信噪比。

技术领域

本发明涉及一种基于声线匹配的被动定位方法领域，尤其涉及一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法领域。

背景技术

一、高斯射线束方法

声场建模与拷贝声场计算是匹配场声源定位研究的重要内容之一。匹配场处理中，前向声场的数据就是在假定的模型参数下，运用相应的声场计算理论获得。声场模型的精确性以及拷贝声场的计算精度和速度决定了匹配场声源定位的精度与速度。根据不同的声场模型选择不同的声场计算理论是提高声场计算精度和计算速度的重要方法之一。目前所发展的声场数值预报方法主要有：简正波算法、射线算法、波数计分方法等。在海洋声传播的研究中，在高频声波、近距离情况下，射线声学是主要的研究方法。

在射线声学方法中，高斯波束跟踪方法对于高频水平变化问题特别有吸引力，它很好地解决了射线理论有关声影区和会聚区计算不准确的问题，所提供的结果与全波动模型的结果更为一致。高斯射线束方法是在传统射线理论的基础上，认为声场能量不是相邻两射线之间(即射线管内)平均分配，而是以每条射线为中心，能量在统计上按高斯统计分布变化。

高斯射线束的中心射线遵守标准射线方程。选用柱面坐标系(r,z)，r是水平距离，z是深度。射线方程可以写为

其中r＝r(s)，射线坐标[r(s),z(s)]是弧长s的函数，c(r,z)为声速。

高斯射线束沿中心射线的能量分布(即声束幅值)，可以通过如下的射线动力方程(也叫做p-q方程)来求解，这里只给出最后的表达式

式中，c_nn是声速在射线路径法线方向上的导数。直接给出整个高斯射线束方法所得到的声场表达式为

该方法与实验吻合较好，并且存在成熟的计算软件Bellhop，故可以采用Bellhop软件方便地求得该方法的数值结果。

二、矢量声场匹配场处理器

在矢量声场里，可以用声压、质点振速等多个物理量进行声场的描述，利用声压、质点振速，再结合已有声压匹阵配场处理器可以构造适用于矢量声场的匹配场处理器，这里简称为矢量声场匹配场处理器。

水平声能流和垂直声能流可以表示为

其中，p为声压，v_r为水平质点振速，v_z为垂直质点振速。据此可以构造适用于矢量声场的最优权矢量和最小功率输出，分别为

其中，分别为声压，水平质点振速、垂直质点振速的实测数据协方差矩阵，通过多次快拍累计或是对角加载方法就能使协方差矩阵达到满秩。

三、稀疏信道估计