一種基于單水聽器的深海水聲被動測距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聲納定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于單水聽器的深海水聲被動測距方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于無線電波和光波在海水中傳播時都要受到嚴(yán)重的衰減，不能有效地傳遞信息，因此工作于水面以下的潛艇無法通過雷達(dá)等設(shè)備獲得水面艦艇的信息，需要通過聲學(xué)手段進(jìn)行水面目標(biāo)定位。因此水面目標(biāo)聲學(xué)定位方法對于潛艇對抗水面艦艇具有重要意義。傳統(tǒng)的水下被動定位系統(tǒng)一般需要多個基元對目標(biāo)實現(xiàn)定位，例如三子陣法和球面內(nèi)插法，這種方法利用聲信號到達(dá)時間或相位進(jìn)行測距，對基陣布陣精度要求高，工作頻率高，測距距離近，精度低。近年來，定位技術(shù)的發(fā)展方向主要有兩大類，匹配場定位和目標(biāo)運動分析。匹配場定位利用已知的海洋環(huán)境參數(shù)，采用適當(dāng)?shù)穆晥瞿Ｐ陀嬎隳M的接收信號，然后與實際測量得到的聲信號進(jìn)行相關(guān)“匹配”，實現(xiàn)對目標(biāo)聲源定位，這種方法需要解決的主要是環(huán)境、聲場模型和基陣系統(tǒng)失配等問題，在復(fù)雜海洋環(huán)境中往往受限。目標(biāo)運動分析方法要求基陣或聲源機(jī)動，通過聲源方位變化來對聲源距離進(jìn)行遞歸解算，不僅收斂時間長，而且測距精度較低。因此，開發(fā)目標(biāo)聲學(xué)定位新方法是十分重要的。
[0003]中國專利CN103487796A公開一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，基于雙陣元對目標(biāo)進(jìn)行被動探測，每一個陣元分別對接收的目標(biāo)寬帶噪聲信號進(jìn)行LOFAR分析，對接收信號的LOFAR圖使用HOUGH變換等邊緣提取技術(shù)提取條紋，得到波導(dǎo)不變量以及拋物線參數(shù)的估計值，進(jìn)而得到目標(biāo)的CPA點的距離和目標(biāo)速度信息。該方法基于波導(dǎo)不變量進(jìn)行被動探測，對海洋環(huán)境不確定因素具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力;而采用雙陣元模型，裝置簡便，計算量小，僅使用兩個陣元數(shù)據(jù)就能解算出目標(biāo)運動參數(shù)信息，實現(xiàn)目標(biāo)被動探測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對上述存在的技術(shù)問題，提供能用于深海環(huán)境下的目標(biāo)被動測距的一種基于單水聽器的深海水聲被動測距方法。
[0005]本發(fā)明包括以下步驟:
[0006]I)布放目標(biāo)噪聲記錄設(shè)備進(jìn)行長時間觀測，記錄接收水聽器所在深度，測量布放海域的海深和聲速剖面；
[0007]2)選取目標(biāo)噪聲記錄設(shè)備中單水聽器的時域信號做時頻分析，觀察接收信號在O?IkHz頻段內(nèi)是否具有等頻域間隔的條紋存在，若存在等頻域間隔的條紋，則判斷在接收水聽器的第一影區(qū)內(nèi)存在目標(biāo)，從低頻到高頻提取可明顯辨別的第一條和最后一條條紋，從而獲得每個時間片段的條紋的頻域間隔；
[0008]3)根據(jù)接收水聽器深度、現(xiàn)場測量的海深和聲速剖面計算第一影區(qū)內(nèi)不同距離的目標(biāo)對應(yīng)的聲場頻域干涉周期，將接收水聽器得到的每個時間片段條紋的頻域間隔與不同距離的聲場頻域干涉周期進(jìn)行匹配，得到每個時間片段內(nèi)目標(biāo)與接收水聽器的水平距離。
[0009]為實現(xiàn)目標(biāo)的單水聽器被動測距，本發(fā)明提供了目標(biāo)噪聲記錄設(shè)備、深度儀、海深測量設(shè)備、聲速剖面測量設(shè)備。其中，目標(biāo)噪聲記錄設(shè)備的接收水聽器布放深度范圍為100?500m。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0011 ] I)可以僅使用單水聽器實現(xiàn)深海聲場影區(qū)目標(biāo)測距，不需要大規(guī)模水聽器陣列；
[0012]2)不需要已知海底聲學(xué)參數(shù)；
[0013]3)不需要大規(guī)模的拷貝場計算。
[0014]4)適用于深海海洋環(huán)境、僅使用單個水聽器、可以被動估計聲源目標(biāo)的距離信息。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明實施例的原理不意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明實施例中布放海域的聲速剖面；
[0017]圖3是本發(fā)明實施例中單水聽器時域信號的時頻分析；
[0018]圖4是本發(fā)明實施例中單水聽器提取的干涉條紋；
[0019]圖5是本發(fā)明實施例中單水聽器提取的頻域干涉周期；
[0020]圖6是本發(fā)明實施例中根據(jù)實測海洋環(huán)境計算的頻域干涉周期；
[0021]圖7是本發(fā)明實施例中布放海域船舶分布與海面目標(biāo)距離估計的對比。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0023]本發(fā)明的單水聽器深海被動測距方法，其基本原理是:
[0024]如圖1所示，當(dāng)聲源位于海面(或者海水表層)，接收水聽器位于聲場第一影區(qū)內(nèi)的海水表層，多次海底反射聲線由于能量衰減大而對聲場的貢獻(xiàn)可以忽略不計，第一影區(qū)的聲場僅考慮一次海底反射聲線的貢獻(xiàn)，則在接收水聽器端由聲源-海底-接收器、聲源-海底-海面-接收器兩條聲線(若聲源位于海水表層，則有聲源-海底-接收器、聲源-海面-海底-接收器、聲源-海底-海面-接收器、聲源-海面-海底-海面-接收器四條聲線)形成聲場干涉結(jié)構(gòu)，聲強(qiáng)在頻域的干涉周期隨著收發(fā)距離的增加而增大，因此由單水聽器記錄的聲場干涉結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)被動聲源距離估計。在圖1中，標(biāo)記A為水面目標(biāo)，B為浮球，C為水面目標(biāo)噪聲記錄設(shè)備，D為沉塊。
[0025]本發(fā)明的單水聽器深海被動測距方法，基于上述的原理，具體按照以下步驟實施:
[0026]步驟一:如圖1所示，布放目標(biāo)噪聲記錄設(shè)備進(jìn)行長時間觀測，同時記錄布放點GPS信息和接收水聽器所在深度；
[0027]步驟二:如圖2所示，測量布放海域的海深和聲速剖面；
[0028]步驟三:利用船舶信息系統(tǒng)(AIS)記錄布放點附近航行船只GPS信息；
[0029]步驟四:如圖3所示，選取目標(biāo)噪聲記錄設(shè)備中單水聽器的時域信號做時頻分析，觀察接收信號在O?IkHz頻段內(nèi)是否具有等頻域間隔的條紋的存在，若存在等頻域間隔的條紋，則判斷在接收水聽器的第一影區(qū)內(nèi)存在水面目標(biāo)；
[0030]步驟五:如圖4和圖5所示，若存在等頻域間隔的條紋，從低頻到高頻提取可明顯辨別的第一條和最后一條條紋，從而獲得每個時間片段的條紋的頻域間隔；
[0031]步驟六:如圖6所示，根據(jù)接收水聽器深度、現(xiàn)場測量的海深和聲速剖面計算第一影區(qū)內(nèi)不同距離的水面目標(biāo)對應(yīng)的聲場頻域干涉周期；
[0032]步驟七:將每個時間片段條紋的頻域間隔與步驟六中的不同距離的聲場頻域干涉周期進(jìn)行匹配，得到每個時間片段內(nèi)水面目標(biāo)與接收水聽器的水平距離；
[0033]步驟八:如圖7所示，根據(jù)布放點GPS信息和附近航行船只GPS信息計算兩者水平距離，與之前估計的水面目標(biāo)水平距離進(jìn)行比對，驗證測距結(jié)果。
[0034]本實施例通過單水聽器，在已知海深和聲速剖面的基礎(chǔ)上，匹配聲場頻域干涉周期獲得水面目標(biāo)與接收水聽器的水平距離。與傳統(tǒng)被動測距方法相比，不需要已知海底聲學(xué)參數(shù)和大規(guī)模的拷貝場計算。
[0035]本發(fā)明適用于深海海洋環(huán)境、僅利用單個水聽器的目標(biāo)距離被動估計方法。根據(jù)聲源在深海情況下產(chǎn)生的第一影區(qū)聲場的頻率-距離干涉結(jié)構(gòu)，通過提取接收信號中由目標(biāo)引起的干涉條紋的頻域干涉周期，與根據(jù)實測海洋環(huán)境仿真得到的隨距離增大的頻域干涉周期進(jìn)行匹配，從而得到目標(biāo)與接收點的水平距離。
【主權(quán)項】
1.一種基于單水聽器的深海水聲被動測距方法，其特征在于包括以下步驟: 1)布放目標(biāo)噪聲記錄設(shè)備進(jìn)行長時間觀測，記錄接收水聽器所在深度，測量布放海域的海深和聲速剖面； 2)選取目標(biāo)噪聲記錄設(shè)備中單水聽器的時域信號做時頻分析，觀察接收信號在O?IkHz頻段內(nèi)是否具有等頻域間隔的條紋存在，若存在等頻域間隔的條紋，則判斷在接收水聽器的第一影區(qū)內(nèi)存在目標(biāo)，從低頻到高頻提取可明顯辨別的第一條和最后一條條紋，從而獲得每個時間片段的條紋的頻域間隔； 3)根據(jù)接收水聽器深度、現(xiàn)場測量的海深和聲速剖面計算第一影區(qū)內(nèi)不同距離的目標(biāo)對應(yīng)的聲場頻域干涉周期，將接收水聽器得到的每個時間片段條紋的頻域間隔與不同距離的聲場頻域干涉周期進(jìn)行匹配，得到每個時間片段內(nèi)目標(biāo)與接收水聽器的水平距離。
【專利摘要】一種基于單水聽器的深海水聲被動測距方法，屬于聲納定位技術(shù)領(lǐng)域。布放目標(biāo)噪聲記錄設(shè)備進(jìn)行長時間觀測，記錄接收水聽器所在深度，測量布放海域的海深和聲速剖面；選取記錄設(shè)備中單水聽器的時域信號做時頻分析，觀察接收信號在0～1kHz頻段內(nèi)是否具有等頻域間隔的條紋存在，若存在，則判斷存在目標(biāo)，從低頻到高頻提取可明顯辨別的第一條和最后一條條紋，獲得每個時間片段的條紋的頻域間隔；根據(jù)接收水聽器深度、現(xiàn)場測量的海深和聲速剖面計算第一影區(qū)內(nèi)不同距離的目標(biāo)對應(yīng)的聲場頻域干涉周期，將接收水聽器得到的每個時間片段條紋的頻域間隔與不同距離的聲場頻域干涉周期進(jìn)行匹配，得到每個時間片段內(nèi)目標(biāo)與接收水聽器的水平距離。
【IPC分類】G01S11/14
【公開號】CN105629220
【申請?zhí)枴緾N201610090759
【發(fā)明人】翁晉寶, 楊燕明, 黃二輝
【申請人】國家海洋局第三海洋研究所
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年2月18日