[发明专利]适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法

说明书

本发明涉及一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法，通过计算各传感器接收信号的频谱幅度震荡周期，根据各传感器位置和假设的声源位置构造代价函数，对感兴趣区域进行二维扫描，得到目标位置模糊表面，模糊表面峰值所在位置即为目标二维定位结果。确定目标二维位置后再利用可靠声路径环境下接收信号的宽带干涉特征对目标深度进行估计，从而实现目标的三维定位。相比于现有多传感器定位方法，本发明所提方法不需要多传感器之间时钟同步，也不需要声场模型计算辅助，本方法简单易实现。此外，各传感器仅需要一个全向声压水听器就可以实现声源三维定位，在实际应用中布放简单且硬件成本较低。

技术领域

本发明属于海洋工程、水声工程、阵列信号处理和声呐技术等领域，涉及一种深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法，适用于深海大深度多传感器对海面附近宽带脉冲声源的三维被动定位。

背景技术

在深海，对水下目标实施精确的三维定位，对于水下信息作战、海洋工程、海洋资源开发等领域均具有重要意义。相比于单传感器，多传感器网络具有更大的覆盖面积和更强的探测能力，网络化、协同化是未来水声警戒与探测的发展趋势。近年来，利用多传感器的目标定位方法受到持续关注，目前已有很多研究成果，包括基于纯目标方位的定位方法、基于目标信号时延差的定位方法和基于多阵列匹配场处理的定位方法等。但是由于深海环境的复杂性，如波导起伏、声线弯曲等，现有定位方法在应用时存在稳健性较差的问题。现有多传感器定位方法的特点具体如下：

(1)第一类方法是在平面波假设下，根据各传感器观测到的目标方位，构造目标位置所满足的方程组，然后使用最小二乘或最大似然估计器对目标位置进行解算。这类方法需要每个传感器都具有目标方位估计能力，因此需要较大孔径的体积阵列；此外，在深海环境下，由于声线弯曲，目标方位估计角度与真实角度之间存在偏差，从而导致定位结果误差较大。

(2)第二类方法是在球面波假设下，通过测量目标信号到达各传感器之间的时延差完成目标定位。这类方法需要各传感器之间具有高的时钟精度，时钟偏差以及信号时延估计误差均会导致定位偏差。

(3)第三类方法是多阵列匹配场定位方法。该方法通过匹配各阵列接收声场与模型计算拷贝场实现目标定位。这种方法需要声场模型辅助计算，计算量较大且需要环境信息作为模型输入。此外，该类方法也需要足够大的阵列孔径以实现对声传播模态的充分采样。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法，解决现有多传感器目标定位方法定位误差大、计算速度慢等问题。

技术方案

一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法，其特征在于：多传感器位于海底附近，且在水平面内不共线，个数不小于三；被定位声源位于海面附近，其深度不大于300m；定位步骤如下：

步骤1：使用若干个传感器接收来自于海面附近的宽带脉冲信号，记第m个传感器的位置为p_m＝[x_m,y_m]^T，深度为z_m，采样频率为f_s，接收信号为x_m(n)，其中m＝1,2,…,M，M为传感器数量，n为采样时刻；

步骤2：对x_m(n)依次进行快速傅立叶变换、取模以及去均值，获得第m个传感器接收信号频谱幅度随频率的起伏，记为AX_m(f)

AX_m(f)＝|FFT{x_m(n)}|-mean{|FFT{x_m(n)}|}

步骤3：对AX_m(f)再次进行快速傅立叶变换，通过变换结果峰值位置获得AX_m(f)随频率的震荡间隔Δf_m：