一种基于单水听器的深海水声被动测距测深方法

摘要

一种基于单水听器的深海水声被动测距测深方法，涉及声纳定位。布放水下目标噪声记录设备进行观测，记录接收水听器所在深度，测量布放海域的海深和声速剖面；选取噪声记录设备中单水听器的时域信号做时频分析；根据采集的声速剖面、海深和接收深度信息，通过仿真计算该接收深度下第二种频域干涉周期随传播距离的变化曲线，将实际采集的第二种频域干涉周期与该变化曲线进行匹配，获得声源距离；根据采集的声速剖面、海深、接收深度信息和估计的声源距离信息，仿真计算第一种频域干涉周期随声源深度的变化曲线，与实际采集的第一种频域干涉周期进行匹配，获得声源深度。

权利要求

1.一种基于单水听器的深海水声被动测距测深方法，其特征在于包括以下步骤：

1)布放水下目标噪声记录设备进行观测，记录接收水听器所在深度，测量布放海域的海深和声速剖面；

2)选取噪声记录设备中单水听器的时域信号做时频分析，观察接收信号在0～1kHz频段内是否具有两种等频域间隔的条纹的存在，若存在两种等频域间隔的条纹，则判断在接收水听器的第一影区内存在水下目标，再根据单水听器采集信号的频谱分析提取两种干涉周期；

3)根据采集的声速剖面、海深和接收深度信息，通过仿真计算该接收深度下第二种频域干涉周期随传播距离的变化曲线，将实际采集的第二种频域干涉周期与该变化曲线进行匹配，获得声源距离；

4)根据采集的声速剖面、海深、接收深度信息和估计的声源距离信息，仿真计算第一种频域干涉周期随声源深度的变化曲线，与实际采集的第一种频域干涉周期进行匹配，获得声源深度。

2.如权利要求1所述一种基于单水听器的深海水声被动测距测深方法，其特征在于在步骤3)中，所述第二种频域干涉周期，假定声源深度为100m。

说明书

一种基于单水听器的深海水声被动测距测深方法

技术领域

[0001] 本发明涉及声纳定位，尤其是涉及一种基于单水听器的深海水声被动测距测深方法。

背景技术

[0002] 由于无线电波和光波在海水中传播时都要受到严重的衰减，不能有效地传递信息，工作于水面以下的潜艇无法通过雷达等设备获得水下目标的信息，需要通过声学手段进行水下目标定位，因此水下目标声学定位方法对于潜艇对抗水下目标具有重要意义。

[0003] 传统的水下被动定位系统一般需要多个基元对目标实现定位，例如三子阵法和球面内插法，这种方法利用声信号到达时间或相位进行测距，对基阵布阵精度要求高，工作频率高，测距距离近，精度低。

[0004] 近年来，定位技术的发展方向主要有两大类，匹配场定位技术[1]Baggeroer A.B.,Kuperman W.A.,Mikhalevsky P.N.An overview of matched field methods in ocean acoustics.IEEE Journal of Oceanic Engineering,1993,18(4):401-424和目标运动分析[2]Nardone S.C.,Lindgren A.G.,Gone K.F.Fundamental properties and performance of conventional bearings-only target motion analysis.IEEE Transactions on Automatic Control,1984,29(9):775-787。匹配场定位技术利用已知的海洋环境参数，采用适当的声场模型计算模拟的接收信号，然后与实际测量得到的声信号进行相关“匹配”，实现对目标声源定位。这种方法需要解决的主要是环境、声场模型和基阵系统失配等问题，在复杂海洋环境中往往受限。目标运动分析方法要求基阵或声源机动，通过声源方位变化来对声源距离进行递归解算，不仅收敛时间长，而且测距精度较低。因此，开发目标声学定位新方法是十分重要的。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于针对现有目标声音定位存在的上述问题，提供能用于深海环境的水下目标被动测距测深的一种基于单水听器的深海水声被动测距测深方法。

[0006] 本发明包括以下步骤：

[0007] 1)布放水下目标噪声记录设备进行观测，记录接收水听器所在深度，测量布放海域的海深和声速剖面；

[0008] 2)选取噪声记录设备中单水听器的时域信号做时频分析，观察接收信号在0～1kHz频段内是否具有两种等频域间隔的条纹的存在，若存在两种等频域间隔的条纹，则判断在接收水听器的第一影区内存在水下目标，再根据单水听器采集信号的频谱分析提取两种干涉周期；

[0009] 3)根据采集的声速剖面、海深和接收深度信息，通过仿真计算该接收深度下第二种频域干涉周期随传播距离的变化曲线，将实际采集的第二种频域干涉周期与该变化曲线进行匹配，获得声源距离；

[0010] 在步骤3)中，所述第二种频域干涉周期，假定声源深度为100m。

[0011] 4)根据采集的声速剖面、海深、接收深度信息和估计的声源距离信息，仿真计算第一种频域干涉周期随声源深度的变化曲线，与实际采集的第一种频域干涉周期进行匹配，获得声源深度。

[0012] 本发明和现有技术相比，具有以下优点：

[0013] 1)使用单水听器即可实现深海声场影区水下目标测距测深，不需要大规模水听器阵列；

[0014] 2)不需要已知海底声学参数；

[0015] 3)不需要大规模的拷贝场计算。

附图说明

[0016] 图1是本发明实施例的单水听器深海被动测距测深原理示意图；

[0017] 图2是本发明实施例中仿真环境深度与距离关系；

[0018] 图3是本发明实施例中仿真环境深度与声速关系；

[0019] 图4是本发明实施例中提取条纹前声场频率-时间干涉结构；

[0020] 图5是本发明实施例中提取条纹后声场频率-时间干涉结构；

[0021] 图6是本发明实施例中声场频域干涉周期随时间的变化；

[0022] 图7是本发明实施例中第二种频域干涉周期随声源距离的变化；

[0023] 图8是本发明实施例中估计距离与实际距离的对比结果；

[0024] 图9是本发明实施例中估计误差的对比结果；

[0025] 图10是本发明实施例中黄色线条的频域干涉周期随估计距离的变化；；

[0026] 图11是本发明实施例中声源深度估计结果。

具体实施方式

[0027] 以下结合附图和实施例对本发明结果和工作作进一步说明。

[0028] 本发明的单水听器深海被动测距测深方法，其基本原理是：

[0029] 如图1所示，当声源位于海水表层，接收水听器位于声场第一影区内的海水表层，多次海底反射声线由于能量衰减大而对声场的贡献可以忽略不计，第一影区的声场仅考虑一次海底反射声线的贡献，则在接收水听器端由声源-海底-接收器、声源-海面-海底-接收器、声源-海底-海面-接收器、声源-海面-海底-海面-接收器四条声线形成声场干涉结构，声强随着频率具有两种干涉周期，随着收发距离的增加而增大，分别随着声源深度、接收水听器深度的增加而减小，因此由单水听器记录的声场干涉结构即可实现被动声源距离和深度估计。

[0030] 本发明实施例中仿真环境深度与距离关系参见图2，本发明实施例中仿真环境深度与声速关系参见图3。

[0031] 本发明的单水听器深海被动测距测深方法，基于上述的原理，具体按照以下步骤实施：

[0032] 步骤一：布放水下目标噪声记录设备进行长时间观测，同时记录接收水听器所在深度；

[0033] 步骤二：测量布放海域的海深和声速剖面；

[0034] 步骤三：如图4所示，选取噪声记录设备中单水听器的时域信号做时频分析，观察接收信号在0-1kHz频段内是否具有两种等频域间隔的条纹的存在，如果存在两种等频域间隔的条纹，则判断在接收水听器的第一影区内存在水下目标；

[0035] 步骤四：如图5所示，提取出两种等频域间隔的条纹，即黄色线条和红色线条。如图6所示，提取两种线条的频域干涉周期随时间的变化情况。由于接收水听器深度为200m，而实际应用中水下声源目标工作深度较浅，因此第一种干涉相消条纹的频域干涉周期比第二种干涉相消条纹的频域干涉周期大，从而判断黄色线条为第一种干涉相消条纹，红色线条为第二种干涉相消条纹；

[0036] 步骤五：由于第二种频域干涉周期近似与声源深度无关，因此在未知声源深度的情况下可以假定声源深度为100m，根据已知的海水声速剖面、海深和接收深度信息，如图7所示，利用声场计算模型Bellhop计算的声线到达时间得到第二种频域干涉周期随声源距离的变化情况；

[0037] 步骤六：将提取的红色线条的频域干涉周期与仿真得到的第二种频域干涉周期随声源距离的变化情况进行匹配，如图8和9所示，获得声源估计距离；

[0038] 步骤七：如图10所示，根据黄色线条的频域干涉周期随时间的变化情况，和估计的声源距离随时间的变化情况，获得黄色线条的频域干涉周期随估计距离的变化情况；

[0039] 步骤八：根据已有的海水声速剖面、海深、接收深度和声源估计距离，利用声场计算模型Bellhop计算不同声源深度下第一种频域干涉周期随估计距离的变化情况，与黄色线条的频域干涉周期随估计距离的变化情况进行匹配估计出声源深度，如图11所示；

[0040] 本实施通过单水听器，在已知海深和声速剖面的基础上，匹配声场频域干涉周期获得水下目标与接收水听器的水平距离和目标深度。与传统被动测距方法相比，该方法不需要已知海底声学参数和大规模的拷贝场计算。