【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水声工程、海洋工程、声呐技术等领域，涉及一种利用水平阵的深海目标被动定位方法及装置。
技术介绍
1、深海被动目标定位一直是水声领域研究的热点问题。传统匹配场方法将实测声场与拷贝声场进行匹配来实现目标距离和深度的估计。但是拷贝场声场计算、将实测场与拷贝场进行匹配这两个过程计算量大，耗时长，且匹配场方法容易受到海洋环境参数失配的影响，宽容性较差。
2、深海声场存在明显的多途到达结构，多途到达角、多途之间的到达时延均与声源距离和深度直接相关。与直接匹配接收声场相比，匹配从接收声场中提取的多途到达角、多途到达时延及多途干涉特征具有更清晰的物理意义。公布号为cn 111580048a的中国专利申请《一种利用单矢量水听器的宽带声源深度估计方法》、公布号为cn116699579a的中国专利申请《一种基于深海矢量垂直阵的宽带目标三维被动定位方法》、公布号为cn116609725a的中国专利申请《一种利用深海垂直阵的窄带线谱目标深度估计方法及系统》等均通过匹配深海多途到达结构来实现目标深度或距离的估计，但是这些方法均利用了多途路径的到达角信息，这就需要接收传感器或者阵列具有俯仰角估计能力，这就要求接收传感器为矢量水听器或者垂直阵。而水平阵作为深海一种常用的阵列形态，不具有俯仰角估计能力，因此上述方法均不适用。
3、因此，在利用水平阵进行深海目标被动定位时，现有技术存在计算量大，实时定位效率低的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提出了
2、一方面，提供了一种利用水平阵的深海目标被动定位方法，包括：
3、步骤1：利用空间功率谱估计方法计算水平阵采集的声压信号的目标方位角和宽带波束输出声场强度估计结果；
4、步骤2：对目标方位角上的宽带波束输出声场强度沿频率轴进行谱分析，获得目标实测多途到达时延谱；
5、步骤3：构建代价函数将目标实测多途到达时延谱与多个相对到达时延模版值进行匹配，基于匹配结果估计目标的距离和深度，其中，所述多个相对到达时延模板值是结合海水声速剖面，通过基于射线理论的声场计算模型计算得到，且与不同假设目标声源距离和深度下对声场起主要贡献的多个路径对应，其中，对声场起主要贡献的多个路径包括海底反射路径、海底-海面反射路径、海底-海面反射路径和海面-海底-海面反射路径四个路径中的部分或全部。
6、在一种改进的利用水平阵的深海目标被动定位方法中，在所述步骤2之后，所述步骤3之前，还包括：
7、将不同假设声源距离和深度下的多途到达时延模版值插值到目标实测到达时延谱中，获得每个时延对应的实测幅度；
8、所述步骤3具体包括：
9、将多个时延实测幅度与理论时域幅度相乘后相加，获得目标距离和深度估计代价函数，将代价函数的最大值对应的距离和深度作为声源距离和深度估计值。
10、在一种改进的利用水平阵的深海目标被动定位方法中，所述步骤1具体包括：
11、对水平阵采集的时域信号s(n,k,t)进行快速傅里叶变换获得通道信号频谱s(n,k,fl)，其中，n为水平阵阵元编号，n＝1,2,...,n，n为水平阵阵元个数，k为信号快拍数序号，k＝1,2,...,k，k为信号总快拍数，t表示时间，l＝1,2,…,l，l为频点索引，l为处理频段内包含的频点个数f1和fl为信号处理频段的上下界；
12、利用s(n,k,fl)确定第k拍、第l个频点处整个阵列频谱数据向量为s(k,fl)＝[s(1,k,fl),s(2,k,fl),...,s(n,k,fl)]t，上标t表示转置；
13、利用常规波束形空间功率谱估计方法，采用下面公式计算频率为fl处的空间功率谱估计bexp(θ,fl)：
14、bexp(θ,fl)＝ah(fl,θ)r(fl)a(fl,θ)
15、其中，θ为目标方位角搜索值，每隔设定角度取一个值，θ取值范围为大于等于0°且小于等于360°，a(fl,θ)为导向矢量，dn为水平阵第n个阵元与第一个阵元的间距，r(fl)是由频率分量为fl的信号频谱估计的互谱密度矩阵，其中，上标h代表矩阵的共轭转置；
16、对多频点的空间功率谱估计结果进行求和平均，获得宽带空间功率谱估计平均结果
17、
18、取中目标所对应峰值处的方位角为目标方位角估计值θs，bexp(θs,fl)为目标估计方位角上的宽带波束输出声场强度。
19、在一种改进的利用水平阵的深海目标被动定位方法中，所述步骤2具体包括：
20、将宽带波束输出声场强度在频域内进行去均值处理，利用下面公式获得去均值后的声场强度谱
21、
22、其中，θs为目标方位角估计值，l为频点索引，fl为频点索引l处的频率，f1和fl为信号处理频段的上下界，l为处理频段内包含的频点个数，bexp(θs,fl)为目标估计方位角上的波束输出声场强度；
23、利用反傅里叶变换分析方法对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得实测多途到达时延谱
24、
25、其中，τ为到达时延，f为频率。
26、在一种改进的利用水平阵的深海目标被动定位方法中，对声场起主要贡献的多个路径为四个路径，该四个路径对应六个相对到达时延模版值；
27、将多个时延的实测幅度与理论时域幅度相乘后相加，获得目标距离和深度估计代价函数，将代价函数的最大值对应的距离和深度作为声源距离和深度估计值，具体包括：
28、将六个时延的实测幅度与声场计算模型bellhop计算的幅度模版相乘后相加，获得目标距离和深度估计代价函数其中，和分别为目标的假设距离和深度，i为到达时延序号，取值为1,2,3,4,5,6，为目标实测到达时延谱，为不同假设声源距离和深度下的多途到达时延模版值，为不同假设声源距离和深度下的多途到达幅度模版值，为获得的每个时延对应的实测幅度。
29、在一种改进的利用水平阵的深海目标被动定位方法中，所述的深海的海深范围为大于等于1000m且小于等于6000m。
30、在一种改进的利用水平阵的深海目标被动定位方法中，所述水平阵的布放深度范围为大于等于10m且小于等于6000m。
31、另一方面，提供了一种基于上述利用水平阵的深海目标被动定位方法的装置，包括：
32、方位角和声场强度估计模块：用于利用空间功率谱估计方法计算水平阵采集的声压信号的目标方位角和宽带波束输出声场强度估计结果；
33、谱分析模块，用于对目标方位角上的宽带波束输出声场强度沿频率轴进行谱分析，获得目标实测多途到达时延谱；和
34、匹配模块，用于构建代价函数将目标实测多途到达时延谱与多个相对到达时延模版值进行匹配，基于匹配结果估计目标的距离和深度，其中，所述多本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用水平阵的深海目标被动定位方法，包括：
2.根据权利要求1所述的利用水平阵的深海目标被动定位方法，其特征在于，在所述步骤2之后，所述步骤3之前，还包括：
3.根据权利要求2所述的利用水平阵的深海目标被动定位方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
4.根据权利要求1所述的利用水平阵的深海目标被动定位方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
5.根据权利要求2所述的利用水平阵的深海目标被动定位方法，其特征在于，对声场起主要贡献的多个路径为海底反射路径、海底-海面反射路径、海底-海面反射路径和海面-海底-海面反射路径四个路径，该四个路径对应六个相对到达时延模版值；
6.根据权利要求1-5任一所述的利用水平阵的深海目标被动定位方法，其特征在于，所述的深海的海深范围为大于等于1000m且小于等于6000m。
7.根据权利要求1-5任一所述的利用水平阵的深海目标被动定位方法，其特征在于，所述水平阵的布放深度范围为大于等于10m且小于等于6000m。
8.一种基于权利要求1所述的利用水平阵的深海目标被动
...【技术特征摘要】
1.一种利用水平阵的深海目标被动定位方法，包括：
2.根据权利要求1所述的利用水平阵的深海目标被动定位方法，其特征在于，在所述步骤2之后，所述步骤3之前，还包括：
3.根据权利要求2所述的利用水平阵的深海目标被动定位方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
4.根据权利要求1所述的利用水平阵的深海目标被动定位方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
5.根据权利要求2所述的利用水平阵的深海目标被动定位方法，其特征在于，对声场起主要贡献的多个路径为海底反射路径、海底-...
【专利技术属性】
技术研发人员：戚聿波，张洪晨，周士弘，刘昌鹏，刘双虎，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：
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