[发明专利]一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法

说明书

本发明属于水声被动定位领域，尤其涉及一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法。首先建立基于声速变化的多基站TDOA定位解算模型；其次，分析不同基站布设条件下深海直达波和海底一次反射波的作用距离和多基站可解算区域声波覆盖面积；最后，利用蒙特卡洛数值模拟方法分析不同声传播方式下多基站定位精度分布情况。本发明不仅能提高深海环境下声传播特性的认识，而且为海上声源测量系统的合理选取基阵构型与精度评定等问题提供有效参考。

技术领域

本发明属于水声被动定位领域，尤其涉及一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法。

背景技术

利用击水声信号对高速目标入水位置测量属于水声被动定位的一种，在海洋工程中有着广泛的应用，但现有应用领域主要针对中小型目标的浅海定位，对于在深远海较大范围海域开展高速大型运动目标定位试验，待测目标、海洋环境以及水声信道等都有较大的不同，在深海中不同的到达声路径(如直达波、海底反射波、海底-海面反射波等)可以带来更丰富的信息，在深海汇聚区条件下利用信噪比较高的直达波和海底一次反射波可为这种高速入水的海面声源位置解算提供有效信息，因此，在海面声源定位测量系统设计时需要考虑深海汇聚区条件下直达波和海底一次反射波覆盖特性及其定位精度分布情况。

目前国内外学者在匹配场定位、基于多途到达结构定位和基于频域干涉条纹定位等方面均取得了一定研究成果。但针对深海大范围测量区域高速运动目标随机入水位置测量问题，采用多基站交会定位仍是比较合理的方案。利用多个基站组成的基阵进行交会测量，通常采用纯方位(bearings-only,BO)交会定位或时延差(time difference ofarrival,TDOA)定位。方位交会体制适用于大范围海域的快速实时定位，但随着海上测量范围增加，方位交会体制就会随着距离的增大，误差也增大较快；而到达时间差定位体制主要是通过测量待测声源到各阵元之间的传播时间差来实现定位，仅需要各阵元之间的时间同步，特别适用于声信号的实时处理且定位精度较高。

在关于深海直达波和一次反射波传播特性及其应用方面，尽管针对非均匀声速条件下的时差定位问题已提出一些解算方法并开展了相应的海上实验，对直达波和一次反射波的传播特性进行了分析，并利用二者特性对声源方位、距离及位置等进行估计，取得了较好的效果。但以往研究大多针对浅海环境，未涉及较大的等效声速变化，深海的环境条件和声学特性的差异性决定了深海环境下的时差定位特性必然与浅海有所不同，需要开展相关机理性研究工作。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法。本发明不仅能提高深海环境下声传播特性的认识，而且为海上声源测量系统的合理选取基阵构型与精度评定等问题提供有效参考。

本发明的技术方案：

一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法，首先建立基于声速变化的多基站TDOA定位解算模型；其次，分析不同基站布设条件下深海直达波和海底一次反射波的作用距离和多基站可解算区域声波覆盖面积；最后，利用蒙特卡洛数值模拟方法分析不同声传播方式下多基站定位精度分布情况；具体如下：

一、建立基于声速变化的多基站TDOA定位解算模型

假定目标辐射噪声的声源级为SL，经过距离为r的传播衰减后，在到达接收基阵时，信号的声级变为SL-TL，此外，背景噪声级NL也作用于接收传感器，于是目标声信号到达接收传感器的信噪比SNR可按声纳方程计算

DT＝SL-TL-(NL-DI)  (1)

式中，各项均以谱级(单位：dB@1kHz)定义，DT为检测阈；TL为传播损失，与海洋环境条件、声信道及接收深度等有关；NL为海洋环境噪声或者有海洋噪声和舰艇自噪声构成；DI为接收指向性指数。