本發(fā)明屬于水聲信號處理領域。

背景技術：

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聲源深度大于臨界深度時，聲傳播路徑不受近海面效應或海底相互作用的影響，因此與海面附近的海洋環(huán)境特性關系較小，傳播信號穩(wěn)定可靠。

rap為聲源定位提供了一個高信噪比環(huán)境。主要原因有兩個：(1)rap是目標與水聲設備之間的直達路徑，因此它對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)遠處噪聲源產(chǎn)生的噪聲難以到達臨界深度以下，使得rap下的環(huán)境噪聲級低于深海中的平均環(huán)境噪聲級。(ruid,kun-dey,yuan-liangm,etal.areliableacousticpath:physicalpropertiesandasourcelocalizationmethod[j].chinesephysicsb,2012,21(12):124301.)

由于rap的低噪聲優(yōu)點，利用其進行定位成為研究的熱點方向之一。目前，相關人員多研究在深海放置接收水聽器，利用rap來被動探測位于海面或較淺處的目標。但是，當目標的輻射噪聲級較低時，利用rap進行被動探測的方法面臨著接收信號級較弱的問題，導致探測性能下降。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題是：針對利用可靠聲路徑進行被動探測時的缺點，本發(fā)明提出一種利用可靠聲路徑使用目標回波時延及目標回波到達角度的主動定位方法。所提方法采用單個發(fā)射換能器和一個多元接收陣(兩者組成單基地聲納并位于臨界深度以下)，單個發(fā)射換能器發(fā)射脈沖信號并向上照射目標。接收陣采集目標的目標回波，并確定發(fā)射換能器-目標-接收陣路徑的回波到達時延和到達角度(后面簡稱為直達波到達時延和直達波到達角度)，利用離線計算得到的直達波到達時延和直達波到達角度與實際采集的直達波到達時延和直達波到達角度進行匹配處理，獲得目標定位結(jié)果。本發(fā)明的技術方案是：基于可靠聲路徑下目標回波到達時延和到達角度的主動定位方法，包括以下步驟：

步驟一：利用聲場軟件進行離線仿真計算，包括以下步驟；

子步驟一：由單個發(fā)射換能器和n個水聽器組成單基地主動聲納系統(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，表達式為

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：將需要觀測的距離-深度空間劃分網(wǎng)格，假設目標位于某一網(wǎng)格點，利用射線模型離線計算從該網(wǎng)格點到達接收陣幾何中心點處的直達波雙程時延以及到達角度；設沿著距離方向網(wǎng)格點數(shù)為i，沿著深度方向網(wǎng)格點數(shù)為j。以第i(i＝1,2,…,i)個水平距離第j(j＝1,2,…,j)個深度處的對應網(wǎng)格點為例，從該網(wǎng)格點到達接收陣幾何中心處的直達波雙程到達時延為τi,j，從該網(wǎng)格點到達接收陣幾何中心處的直達波到達角為θi,j。對所有網(wǎng)格點做上述計算，并對到達時延和到達角的信息進行存儲。

步驟二：對多元水聽器陣實際采集到的目標回波信號進行處理，提取回波到達時延和到達角信息；其中實際進行采集時，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)頻脈沖信號表達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)頻脈沖信號表達公式相同；發(fā)射換能器發(fā)射線性調(diào)頻信號，對多元水聽器陣接收到的回波信號進行提取處理，獲得直達波的到達時延信息和直達波到達角度信息，包括以下子步驟：

子步驟一：對水聽器陣采集到的目標回波信號進行帶通濾波，其中對每個水聽器用公式(1)對應的匹配濾波器對帶通濾波輸出信號進行匹配濾波，得到匹配濾波輸出

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

對得到的rn(τ)求取包絡，包絡中第一個尖峰是直達波部分處理后得到的波形，尖峰的極大值對應的時間為直達波到達該水聽器的時延值。

對所有水聽器的直達波到達時延求平均值

其中，τn為第n號水聽器的直達波到達時延，n為總水聽器數(shù)。τd即為所需要的直達波到達時延信息。

子步驟二：通過矩形時間窗函數(shù)對接收陣得到的匹配濾波輸出直達波部分進行提取，提取公式為：

其中，矩形時間窗函數(shù)為

b為發(fā)射信號帶寬。由式(5)可知，矩形時間窗函數(shù)w(τ)的中心時刻為直達波平均到達時刻τd，寬度為0.88/b。

子步驟三：對進行目標方位估計，得到所需要的直達波到達角θd；

步驟三：將仿真得到的各個網(wǎng)格點對應的直達波到達時延和到達角度分別與實際接收信號的直達波平均到達時延和到達角度相匹配，即

其中，pi,j為第i個水平距離第j個深度處的對應網(wǎng)格點的匹配處理輸出。沿著距離和深度對匹配處理輸出進行搜索，在峰值處獲得目標定位結(jié)果，通過時延和角度匹配，從峰值處已經(jīng)獲得目標位置。

本發(fā)明的進一步技術方案是：所述單基地主動聲納系統(tǒng)包括單個發(fā)射換能器和n(6≤n≤64)個水聽器；n個水聽器構(gòu)成均勻直線陣，陣元間距為發(fā)射信號中心頻率所對應的半波長。

本發(fā)明的進一步技術方案是：所述n元水聽器陣布放方式為水平布放或垂直布放。

本發(fā)明的進一步技術方案是：單個發(fā)射換能器和n元水聽器陣的排列方式為：以單個發(fā)射換能器為球心，n元水聽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)。

本發(fā)明的進一步技術方案是：采用適用于直線陣的目標方位估計方法處理

本發(fā)明的進一步技術方案是：所述網(wǎng)格點距離間隔在5-100米之間，深度間隔在1-50米之間。

發(fā)明效果

本發(fā)明的技術效果在于：本發(fā)明針對基于可靠聲路徑的被動探測方法的不足，提出將單基地主動聲納布置于臨界深度以下，利用可靠聲路徑照射目標并利用多元接收陣提取目標直達波到達時延和到達角，最終獲得有效的目標定位結(jié)果。

本發(fā)明的基本原理和實施方案經(jīng)過了計算機數(shù)值仿真的驗證，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定位方法可以在深海環(huán)境對目標進行有效定位。

附圖說明

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

圖2為該定位方法實現(xiàn)流程圖；

圖3為匹配濾波后的實際接收回波及尖峰示意圖；

圖4為網(wǎng)格點劃分示意圖；

圖5為實施實例的定位結(jié)果圖；

圖6為圖5的細節(jié)放大圖；

具體實施方式

本發(fā)明的主要內(nèi)容有：

1)將單基地主動聲納放置在深海臨界深度之下，該主動聲納由單個發(fā)射換能器和多元接收陣(水聽器數(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(發(fā)射可以有一定的垂直指向性，也可以沒有)，從下方通過可靠聲路徑照射目標場景。目標回波同樣通過可靠聲路徑返回，到達多元接收陣。

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

3)使用匹配處理獲得目標定位結(jié)果。將需要觀測的距離-深度空間劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格點距離間隔在5-100米之間，深度間隔在1-50米之間。利用聲場軟件離線計算目標在各網(wǎng)點上時目標直達回波到達多元接收陣幾何中心點處的到達時延和到達角度，并將結(jié)果進行存儲。將實際得到的直達波平均到達時延和到達角度，與各網(wǎng)格點對應的離線仿真計算的到達時延和到達角度，一一做匹配處理，將匹配處理結(jié)果描繪在網(wǎng)格點上，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)通過計算機數(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)明的技術方案

步驟1)主要涉及單基地主動聲納的布置以及信號的發(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角發(fā)射，避免聲波與海底接觸；調(diào)整發(fā)射開角范圍，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40千米。

發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號

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，目標位于海表面以下幾十米到幾百米不等，接收陣接收到目標多途回波，其中直達波部分到達時間最早、強度最大。目標位置可由直達波到達時延與到達角度唯一確定。因此本發(fā)明主要利用直達波到達時延和回波到達角進行定位。

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

步驟2)主要涉及對多元接收陣采集的目標回波信號進行處理，提取直達波到達時延信息和直達波到達角度信息，具體內(nèi)容如下。

對接收陣各水聽器采集到的目標回波信號進行帶通濾波。用發(fā)射信號波形對應的匹配濾波對目標回波的帶通濾波輸出進行匹配濾波，得到匹配濾波輸出

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

對得到的rn(τ)求取包絡，包絡中沿時間軸的第一個尖峰是直達波部分做上述處理后得到的波形(見圖3)，尖峰的極大值對應的時間為直達波到達該水聽器的時延值。

對所有水聽器的直達波到達時延求平均值

其中，τn為第n號水聽器的直達波到達時延，n為總水聽器數(shù)。τd即為所需要的直達波到達時延信息。

用矩形時間窗函數(shù)對接收陣得到的匹配濾波輸出直達波部分進行提取，即將各水聽器的匹配濾波輸出rn(τ)與矩形時間窗函數(shù)相乘

其中，矩形時間窗函數(shù)為

b為發(fā)射信號帶寬。由式(5)可知，w(τ)的中心時刻為直達波平均到達時刻τd，寬度為0.88/b。

對上述處理后所提取的n個水聽器上直達波匹配濾波輸出進行目標方位估計，得到所需要的直達波到達角，設該角度為θd。已有的目標方位估計方法，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處理)等，均可以用來處理估計直達波到達角。

步驟3)主要涉及利用聲場軟件進行離線仿真計算，具體內(nèi)容如下。

將需要觀測的距離-深度空間劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格點距離間隔在5-100米之間，深度間隔在1-50米之間。假設目標位于某一網(wǎng)格點，利用bellhop射線模型離線計算從該網(wǎng)格點到達接收陣幾何中心點處的直達波雙程時延以及到達角度。設沿著距離方向網(wǎng)格點數(shù)為i，沿著深度方向網(wǎng)格點數(shù)為j。以第i(i＝1,2,…,i)個水平距離第j(j＝1,2,…,j)個深度處的對應網(wǎng)格點為例，從該網(wǎng)格點到達接收陣幾何中心處的直達波雙程到達時延為τi,j，從該網(wǎng)格點到達接收陣幾何中心處的直達波到達角為θi,j。對所有網(wǎng)格點做上述計算，并對到達時延和到達角進行存儲。

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

將仿真得到的各個網(wǎng)格點對應的直達波到達時延和到達角度分別與實際接收信號的直達波平均到達時延和到達角度相匹配，即

其中，pi,j為第i個水平距離第j個深度處的對應網(wǎng)格點的匹配處理輸出。沿著距離和深度對匹配處理輸出進行搜索，在峰值處獲得目標定位結(jié)果。

以典型的深海環(huán)境為例，給出本發(fā)明的實施實例。實施實例利用計算機進行數(shù)值仿真，來檢驗本發(fā)明所提方法的效果。

在實施實例中，兩次運用聲場軟件進行計算。第一次利用聲場軟件計算出目標回波信號，將此回波信號作為實際采集的信號；第二次利用聲場軟件計算出目標位于不同網(wǎng)格點上所對應的直達波到達時延和直達波到達角度，將作為離線計算的回波信息。

1)rap環(huán)境

假設海深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，其中f＝1500hz，k＝25s^-2，τ0＝4s，t＝60s。發(fā)射角度為-24°至5°，此時聲波不與海底接觸。接收陣為32元水平線列陣。

3)仿真實際接收信號及其處理

假設目標位于海面下300米，距離25千米處。使用bellhop射線模型求解直達波到達角度θd；發(fā)射換能器-目標-接收線列陣路徑回波時延τd、幅度ad和由海面反射引起的附加相位跳變φd；發(fā)射換能器-海面-目標-接收線列陣路徑與發(fā)射換能器-目標-海面-接收線列陣路徑回波時延τs、幅度as和由海面反射引起的附加相位跳變φs；以及發(fā)射換能器-海面-目標-海面-接收線列陣路徑回波時延τds、幅度ads和由海面反射引起的附加相位跳變φds。對應于四個路徑，分別將發(fā)射的線性調(diào)頻信號進行相應的時延與相移，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回波。將此回波按水聽器位置和直達波到達角度進行相應的時延，得到各水聽器接收的回波波形。將各水聽器接收的回波按技術方案中步驟2)進行處理，其中頻域濾波采用截止頻率為1450hz和1550hz的四階巴特沃斯帶通濾波器，目標方位估計采用capon波束形成算法(孫超.水下多傳感器陣列信號處理)，最終得到目標回波的直達波平均到達時延和直達波到達角度。

4)離線計算不同網(wǎng)格點所對應的目標直達波到達時延和直達波到達角度

將需要觀測的距離-深度空間劃分網(wǎng)格點，需要觀測的距離-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個網(wǎng)格點，距離方向劃分5000個網(wǎng)格點。假設目標位于某一網(wǎng)格點(i,j)，使用bellhop射線模型求解直達波到達角度θi,j和直達波到達時延τi,j。按技術方案的步驟3)所敘述，得到各個網(wǎng)格點對應的直達波到達時延和到達角度，并將其存儲。

5)匹配處理及定位

將存儲的各個網(wǎng)格點對應的直達波到達時延和直達波到達角度與實際接收信號的直達波平均到達時延和直達波到達角度按(6)式做匹配，將匹配結(jié)果用二維灰度圖表示。