一种移动平台对水下目标的被动声定位方法技术

本发明专利技术公开了一种移动平台对水下目标的被动声定位方法，其步骤包括：1)移动平台每移动一步接收一次水下目标辐射的噪声信号；其中一步为一设定距离长度；2)根据所述噪声信号计算当前位置处该移动平台上各阵元之间的声传播时间差；3)利用之前计算的若干声传播时间差及其对应的移动平台位置求取该移动平台当前位置的目标函数；4)利用寻找该目标函数最小值的优化方法对该水下目标进行搜索定位，得到该移动平台当前位置对该水下目标的定位估计结果，实现了高精度被动声定位；另外，由于采用梯度下降法的路径规划，达到定位精度要求所需的定位次数是所有路径中最少的。

A Passive Acoustic Location Method for Underwater Targets Based on Mobile Platform

【技术实现步骤摘要】
一种移动平台对水下目标的被动声定位方法
本专利技术属于信号处理方法
，具体涉及到一种移动平台对水下目标的被动声定位方法。
技术介绍
随着海洋与环境开发的迅速发展，各种水面及水下移动平台，如水面无人船(UnmannedSurfaceVehicle,USV)、无人水下航行器(UnmannedUnderwaterVehicle,UUV)或者自主式水下机器人(Autonomousunderwatervehicle，AUV)技术成为很多海洋技术发达国家的研究热点。USV、UUV或AUV往往综合了人工智能和其他先进计算技术的任务控制器，集成了推进器(深潜器)、传感器、能量储存与转换以及水下智能武器等高科技，军事上用于反潜战、水雷战、侦察监视和后勤支援等领域；还可用于其他一些水下领域，如水下探测、海洋环境监测、海洋测绘、海洋施工等民用领域。对水下目标的被动声定位是指定位系统(定位声呐)不需要主动发射探测声信号，仅通过接收目标发出的声信号，获得目标位置的定位方法。被动声定位方法可以保证平台自身隐蔽性，因此，对于水下目标探测领域，尤其是军事领域，具有重要的意义。目前的水下目标被动声定位
，因受平台尺寸的限制，根据阵列基线尺寸不同，可分为长基线(Longbaseline,LBL)定位、短基线(Shortbaseline,SBL)定位以及超短基线定位(Ultra-shortbaseline,USBL)，其基线长度分别为千米级、米级、厘米级。基线的长度会影响阵列布设的自由度。移动平台对水下目标的被动声定位是指利用水面或水下移动平台，如USV、UUV或AUV等实现对于水中目标的被动声定位。由于平台自身的特点，决定了实现被动定位方法的特殊性。对于这些移动平台而言，其尺寸是有限的，决定了用于定位的阵元数量和排布空间是受限的，因此一般采用短基线或超短基线阵列实现定位；此外，由于平台具有移动性，在移动过程中可以实现对目标的连续多次定位，因此，利用连续多次定位过程的相关性，可以对连续多次定位结果进行融合，用于提高定位精度；同时，可以利用合理的目标函数，对平台移动路径进行规划，使得定位系统以最快速度收敛至需要满足的定位误差要求。移动平台对水下目标的被动声定位的模型如附图1所示。平台上声定位系统采用m(m≥4)个阵元(可以是水听器、接收换能器或者声传感器)组成定位基阵，阵元标记为：S1,S2,S3,…,Sm。平台中心移动轨迹如附图1虚线所示。在地球坐标系(固定坐标系)(x,y,z)中，平台中心移动过程中的位置标记为O1,O2,O3,…,On；固定于平台上位于平台中心的平台坐标系设为(x’,y’,z’)，水中目标所在位置为P。传统的被动声定位方法，通过多通道(目前多为4通道，最多用到6通道)声信号采集，获得目标声源辐射的声波经由水介质传播到达各个接收水听器(阵元)通道的声信号；利用高精度时差测量方法，测量目标到各阵元与到某个参考阵元的声传播时间差(简称时差)；通过解代数方程组，或者利用最小均方误差(LMS)算法求解目标在平台坐标系中的位置，继而根据平台自身的姿态和位置求解目标在地球坐标系中的位置。目前有代表性的水下短基线或超短基线声定位系统使用的主要为传统的4阵元定位方法，其中包括英国Sonardyne公司以及挪威Simrad公司生产的产品,使用基线长度在600mm-800mm之间的声阵列，定位性能可以达到千米范围内斜距的0.5％，(斜距表示不在同一高度的两点距离)。法国IxSea公司通过超短基线定位系统与惯导系统配合，利用基线长度约为500mm的声阵列，可以达到0.3％斜距的精度。然而，利用超短基线阵进行目标定位，当目标距离较远时，会因为阵元之间波达时差(或相位差)过小导致定位误差巨大，因而无法进行目标定位，只能实现测向。因此，后续一些研究通过增加阵元数量，如采用了5元、6元阵，用于提高被动声定位系统的精度或者稳定性。传统的4元阵、5元阵以及6元阵的定位方法，采用附图1中的模型，令阵元数目分别为m＝4,5,6。在平台移动到某个位置处，实现对目标P的单次定位。这些方法可以利用多次独立定位结果取平均以提高定位精度。但这种处理将每个单次定位过程视为独立的定位过程，没有利用平台移动过程中连续多次定位结果之间的相关性，也没有对平台的移动路径进行优化，因而精度的提升有限。因此，如何进一步提高短基线或超短基线定位精度仍是一个需要关注的问题。对于水下移动平台而言，由于平台移动过程中连续多次定位结果具有相关性，如何利用这种相关性，使得定位系统在移动定位过程中快速收敛到所需的定位误差，是提高定位精度的关键。因此，本专利技术提出了一种移动平台的高精度被动定位算法，并提出一种平台移动的轨迹优化算法，可使移动平台实现对目标的高精度定位，并快速收敛到所需的定位误差，达到定位精度要求。对轨迹的优化也意味着移动平台可以快速锁定目标位置、消耗更少的能量以及具有更高的隐蔽性。
技术实现思路
针对移动平台对水中目标的被动声定位问题，本专利技术的目的在于提供一种快速收敛至所需的定位误差的高精度定位方法。本专利技术的方法包括两个内容：其一，提出一种新的目标函数，以利用平台移动过程中连续多次定位结果的相关性，实现高精度定位；其二，提出一种通过平台移动的轨迹优化，使移动平台上的定位系统快速收敛到所需的定位误差，达到定位精度要求的方法。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：平台在移动过程中，以一定距离为间隔，每移动一步，都接收一次目标辐射的噪声信号，并据此计算当前平台位置处各阵元之间的声传播时间差(波达时间差)，简称阵元间时差；在平台移动至当前位置(第k步)时，利用之前若干步(如N步)的平台位置及测得的阵元间时差信息求取目标函数；再利用寻找目标函数最小值的优化方法对目标进行搜索定位，得到平台当前位置(当前步)的定位估计结果；然后，以平台位置为变量，计算新的目标函数，以及目标函数对平台位置的负梯度方向，对于只在水平方向移动的平台，取负梯度方向在水平面上的投影，作为下一步平台移动方向，使得平台朝着该投影方向移动一定距离(一步)到达下一个位置；在此位置处获得新的波达时间差，并更新定位估计；重复上述过程直至达到所预设的目标函数值(根据定位精度设定)，或者预设的定位步数。本专利技术的目标定位方法是：基于本专利技术所提出的目标函数，在平台移动过程中的每一步通过寻找该目标函数最小值的优化过程，实现对目标定位，具体优化方法可以有多种，例如梯度下降算法、模拟退火算法、基因遗传算法、粒子群算法、觅食算法等。本专利技术以目标函数的梯度下降法(又称最速下降法)为例但不限于梯度下降法，来说明目标定位的过程。本专利技术所提出的通过平台轨迹优化来实现目标定位快速收敛的方法是：使得“平台每一步沿本专利技术所提出目标函数对于平台位置的负梯度方向移动一定距离”，但不限于该轨迹，在平台移动过程中实现对目标的快速定位；该方法是一种具有较快收敛速度求解问题的优化方法，保证平台每次移动都朝着使目标函数下降最快的方向偏移，而每一步移动的距离(步长)可以根据实际应用环境来确定，也可以是每步采用不同的步长。本专利技术基于附图1的模型进行说明。附图1所示的坐标系，xy为水平方向，z为高度方向；O1…On表示平台移动过程中每一次(每一步)进行目标定位的平台本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种移动平台对水下目标的被动声定位方法，其步骤包括：1)移动平台每移动一步接收一次水下目标辐射的噪声信号；其中一步为一设定距离长度；2)根据所述噪声信号计算当前位置处该移动平台上各阵元之间的声传播时间差；3)利用之前计算的若干声传播时间差及其对应的移动平台位置求取该移动平台当前位置的目标函数；4)利用寻找该目标函数最小值的优化方法对该水下目标进行搜索定位，得到该移动平台当前位置对该水下目标的定位估计结果。

【技术特征摘要】
1.一种移动平台对水下目标的被动声定位方法，其步骤包括：1)移动平台每移动一步接收一次水下目标辐射的噪声信号；其中一步为一设定距离长度；2)根据所述噪声信号计算当前位置处该移动平台上各阵元之间的声传播时间差；3)利用之前计算的若干声传播时间差及其对应的移动平台位置求取该移动平台当前位置的目标函数；4)利用寻找该目标函数最小值的优化方法对该水下目标进行搜索定位，得到该移动平台当前位置对该水下目标的定位估计结果。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，求取该移动平台当前位置的目标函数的方法为：31)设移动平台移动第k步后的当前位置为该移动平台上第i个阵元的当前位置为第i个阵元相对于该移动平台原点的位置；i＝1,2,…,m，其中m为该移动平台上的阵元总数；32)设置一阵元为参考阵元，设当前水下目标的估计位置为第i个阵元与参考阵元到当前水下目标估计位置之间的距离差ΔRi＝Ri+1-R1,i＝1,2,…,m-1；Ri为当前水下目标估计位置到第i个阵元的距离；R1为当前水下目标估计位置到参考阵元的距离；33)根据该水下目标当前位置到第i个阵元与参考阵元的声传播时间差Δti计算阵元间观测距离差ΔR′i＝cΔti，然后计算距离差向量其中，gi＝ΔRi-ΔR′i，i＝1,2,…,m-1,c为水中声速；34)生成目标函数其中k为该移动平台当前移动的步数，N为设定步数；如果k<N，则目标函数为3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中，利用寻找该目标函数最小值的优化方法对该水下目标进行搜索定位的方法为：41)设定第k步目标位置估计初值为设定第k步的收敛条件；42)利用之前若干步时的移动平台位置及对应声传播时间差信息，计算当前第k步处第j次迭代时的目标函数及其对于目标估计位置坐标的梯度43)将当前迭代次数j的目标位置加上...

【专利技术属性】
技术研发人员：李朝晖，南德，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11