深海环境下利用非同步垂直阵的宽带声源被动定位方法技术

本发明专利技术涉及一种深海环境下利用非同步垂直阵的宽带声源被动定位方法，利用快速傅里叶变换，对N个接收水听器构成垂直阵所接收到的宽带信号进行处理，得到声源辐射的不同频率的信号在不同深度上的强度分布，构成矩阵M

Passive location of wideband sound source using asynchronous vertical array in deep sea environment

【技术实现步骤摘要】
深海环境下利用非同步垂直阵的宽带声源被动定位方法
本专利技术属于水声探测、声呐技术等领域，声源被动定位方法，涉及一种深海环境下利用非同步垂直阵的宽带声源被动定位方法，特别是涉及一种深海环境下利用非同步垂直阵对宽带声源进行被动距离和深度的估计方法。
技术介绍
深海环境下水下声源定位方法通常是利用水听器阵列提取有用信息，如：多途信息、空间干涉信息等，并根据这些信息进行目标位置计算。传统的声源定位方法为匹配场处理方法，该类方法需要足够长的阵列采集足够的模态信息，并且计算量大，不适合深海应用。深海环境下声传播情况复杂，模式多样，不同情况下需要不同的定位方法，由于深海研究起步较晚，目前已有深海目标定位方法研究较少。现有的深海声源定位方法多需要同步采集的阵列，或需要工作在主动模式下。公布号为CN104793212A的专利涉及一种主动发出声音对目标进行探测的方法，主动发声探测容易被对方探测到暴露本身信息；公布号为CN108226933A的专利涉及一种通过同步垂直阵提取条纹信息进行目标深度估计的方法，该方法只能估计目标深度，并且需要阵列同步，深海环境中大尺度同步阵列布放难度大。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种深海环境下利用非同步垂直阵的宽带声源被动定位方法，解决现有深海环境下声源定位方法需要同步传感器阵列、需要主动发声、部分方法仅能估计深度不能估计距离等问题。技术方案一种深海环境下利用非同步垂直阵的宽带声源被动定位方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将N个接收水听器等间隔构成垂直阵，布放在临界深度以下的深海近海底，采集近海面宽带声源发出的信号；利用深度传感器获取传感器的布放深度Zn，其中n＝1,2,3...N；步骤2、利用快速傅里叶变换对垂直阵采集的宽带信号进行处理：单个水听器接收信号的快速傅里叶变换输出包含当前水听器深度上不同频率下的声强度P(fk,zn)，其中fk是频率，fk＝fL+δk,k＝1,2...K，fL是宽带信号的下限频率，δ是频率间隔，zn是接收水听器的深度；对所有水听器接收到的信号进行计算，得到声源辐射的不同频率的信号在不同深度上的强度分布，构成强度分布矩阵MK×N，该矩阵由P(fk,zn)构成；步骤3、将强度分布矩阵MK×N进行标准化处理，减弱水听器接收响应偏差的影响：定义系数向量A＝{η1,η2,...,ηN}和能量向量S＝{s1,s2,...,sN}；其中利用迭代或其他优化算法计算使能量向量S方差最小的向量A；计算得到向量A后，将矩阵MK×N每一列的元素分别与向量A中的元素ηn相乘，得到新的强度分布矩阵MK×N；步骤4、对新强度分布矩阵MK×N进行归一化处理：将矩阵MK×N每一行向量线性规划到范围[-1,1]，该归一化后的强度分布矩阵为测量强度分布矩阵；步骤5：将目标可能存在的区域划分网格，每个网格点对应声源距离r声源深度d，利用射线模型计算声源位于每个网格点时的预测强度分布矩阵PK×N(r,d)；所述目标可能存在的区域分布在距离深度二维平面上，距离一般为0-30km，深度一般为0-500米；步骤6：利用代价函数计算出每个网格点——对应声源距离r声源深度d上代价函数的输出值；在距离深度二维网格上取得最大值的某个声源距离和深度是目标位置；所述代价函数为：所述步骤5的网格间隔为0.02km，深度上网格间隔为1米。有益效果本专利技术提出的一种深海环境下利用非同步垂直阵的宽带声源被动定位方法，利用快速傅里叶变换，对N个接收水听器构成垂直阵所接收到的宽带信号进行处理，得到声源辐射的不同频率的信号在不同深度上的强度分布，构成矩阵MK×N；将强度分布矩阵MK×N进行标准化处理，将目标可能存在的区域划分网格，利用代价函数计算出每个网格点——对应声源距离r声源深度d上代价函数的输出值。在距离深度二维网格上取得最大值的某个声源距离和深度是目标位置。本专利技术不需要同步阵列，阵列水听器信号不要求严格同步，利用被动方式实现深海宽带目标定位，且对目标深度估计精确。本方法用于冬季西太平洋5200米深海区域，声源为带宽550Hz-1050kHz的线性调频信号，声源距离24.9公里，深度43.5米，完成对声源进行定位，估计距离23.8公里，估计深度43.5米。附图说明图1为深海环境下声传播路径示意图；图2为实验区域声速和海底地形图；图3为实验数据提取强度分布图；图4为目标定位结果图。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：1)将N个接收水听器按照一定的间距，等间隔布放在深海近海底附近，构成垂直阵，利用深度传感器获取传感器的布放深度zn，其中n＝1,2,3...N。近海底附近声速等于海面声速的深度称为临界深度。所述的水听器布放深度应在临界深度以下。采集近海面宽带声源发出的信号。2)利用快速傅里叶变换，对接收到的宽带信号进行处理。单个水听器接收信号的快速傅里叶变换输出包含当前水听器深度上不同频率下的声强度P(fk,zn)，其中fk是频率，fk＝fL+δk,k＝1,2...K，fL是宽带信号的下限频率，δ是频率间隔，zn是接收水听器的深度。对所有水听器接收到的信号进行计算，得到声源辐射的不同频率的信号在不同深度上的强度分布，构成矩阵MK×N，该矩阵由P(fk,zn)构成。3)将强度分布矩阵MK×N进行标准化处理，减弱水听器接收响应偏差的影响。定义系数向量A＝{η1,η2,...,ηN}和能量向量S＝{s1,s2,...,sN}，其中利用迭代或其他优化算法计算使能量向量S方差最小的向量A。计算得到向量A后，将矩阵MK×N每一列的元素分别与向量A中的元素ηn相乘，得到新的强度分布矩阵MK×N。4)将新的强度分布矩阵MK×N进行归一化处理。将矩阵MK×N每一行向量线性规划到范围[-1,1]，该归一化后的强度分布矩阵为测量强度分布矩阵。5)根据所在海域海洋环境信息，如声速、地形、地质特性等，用射线模型计算假设目标在网格虚拟点时接收阵列获得的预测强度分布矩阵。将目标可能存在的区域划分网格，该区域分布在距离深度二维平面上，距离一般为0-30km，深度一般为0-500米。距离上网格间隔通常为0.02km，深度上网格间隔通常为1米。每个网格点对应声源距离r声源深度d，利用射线模型计算声源位于每个网格点时的预测强度分布矩阵PK×N(r,d)。6)设计代价函数，利用代价函数计算声源位置。代价函数如下：利用代价函数计算出每个网格点——对应声源距离r声源深度d上代价函数的输出值。在二维网格上取得最大值的某个声源距离和深度是目标位置。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深海环境下利用非同步垂直阵的宽带声源被动定位方法，其特征在于步骤如下：/n步骤1：将N个接收水听器等间隔构成垂直阵，布放在临界深度以下的深海近海底，采集近海面宽带声源发出的信号；利用深度传感器获取传感器的布放深度Z

【技术特征摘要】
1.一种深海环境下利用非同步垂直阵的宽带声源被动定位方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将N个接收水听器等间隔构成垂直阵，布放在临界深度以下的深海近海底，采集近海面宽带声源发出的信号；利用深度传感器获取传感器的布放深度Zn，其中n＝1,2,3...N；
步骤2、利用快速傅里叶变换对垂直阵采集的宽带信号进行处理：
单个水听器接收信号的快速傅里叶变换输出包含当前水听器深度上不同频率下的声强度P(fk,zn)，其中fk是频率，fk＝fL+δk,k＝1,2...K，fL是宽带信号的下限频率，δ是频率间隔，zn是接收水听器的深度；对所有水听器接收到的信号进行计算，得到声源辐射的不同频率的信号在不同深度上的强度分布，构成强度分布矩阵MK×N，该矩阵由P(fk,zn)构成；
步骤3、将强度分布矩阵MK×N进行标准化处理，减弱水听器接收响应偏差的影响：定义系数向量A＝{η1,η2,...,ηN}和能量向量S＝{s1,s2,...,sN}；
其中利用迭代或其他优化算法计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨益新，刘文旭，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61