基于可靠声路径下目标回波到达时延和到达角度的主动定位方法

摘要

本发明涉及一种基于可靠声路径下目标回波到达时延和到达角度的主动定位方法，所提方法采用单个发射换能器和一个多元接收阵(两者组成单基地声纳并位于临界深度以下)，单个发射换能器发射脉冲信号并向上照射目标。接收阵采集目标的目标回波，并确定发射换能器‑目标‑接收阵路径的回波到达时延和到达角度，利用离线计算得到的直达波到达时延和直达波到达角度与实际采集的直达波到达时延和直达波到达角度进行匹配处理，获得目标定位结果。

说明书

技术领域

本发明属于水声信号处理领域。

背景技术

深海可靠声路径(RAP:reliable acoustic path)是深海声传播的信道之一。RAP出现条件是接收器位于深海，且此处声速大于海面附近声速的最大值，即接收器位于临界深度以下。所谓可靠声路径是指当声源深度大于临界深度时，声传播路径不受近海面效应或海底相互作用的影响，因此与海面附近的海洋环境特性关系较小，传播信号稳定可靠。

RAP为声源定位提供了一个高信噪比环境。主要原因有两个：(1)RAP是目标与水声设备之间的直达路径，因此它对海面散射和海底反射损失不敏感。RAP下的传播损失(TL:transmission loss)比其他路径(如表面反射路径)下的传播损失要小得多。(2)远处噪声源产生的噪声难以到达临界深度以下，使得RAP下的环境噪声级低于深海中的平均环境噪声级。(Rui D,Kun-De Y,Yuan-Liang M,et al.A reliable acoustic path:Physicalproperties and a source localization method[J].Chinese Physics B,2012,21(12):124301.)

由于RAP的低噪声优点，利用其进行定位成为研究的热点方向之一。目前，相关人员多研究在深海放置接收水听器，利用RAP来被动探测位于海面或较浅处的目标。但是，当目标的辐射噪声级较低时，利用RAP进行被动探测的方法面临着接收信号级较弱的问题，导致探测性能下降。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对利用可靠声路径进行被动探测时的缺点，本发明提出一种利用可靠声路径使用目标回波时延及目标回波到达角度的主动定位方法。所提方法采用单个发射换能器和一个多元接收阵(两者组成单基地声纳并位于临界深度以下)，单个发射换能器发射脉冲信号并向上照射目标。接收阵采集目标的目标回波，并确定发射换能器-目标-接收阵路径的回波到达时延和到达角度(后面简称为直达波到达时延和直达波到达角度)，利用离线计算得到的直达波到达时延和直达波到达角度与实际采集的直达波到达时延和直达波到达角度进行匹配处理，获得目标定位结果。本发明的技术方案是：基于可靠声路径下目标回波到达时延和到达角度的主动定位方法，包括以下步骤：

步骤一：利用声场软件进行离线仿真计算，包括以下步骤；

子步骤一：由单个发射换能器和N个水听器组成单基地主动声纳系统，该系统位于深海临界深度下；发射换能器发射线性调频信号，表达式为

其中，f为中心频率，k为调频斜率，τ₀为脉宽，T为发射周期；

子步骤二：将需要观测的距离-深度空间划分网格，假设目标位于某一网格点，利用射线模型离线计算从该网格点到达接收阵几何中心点处的直达波双程时延以及到达角度；设沿着距离方向网格点数为I，沿着深度方向网格点数为J。以第i(i＝1,2,…,I)个水平距离第j(j＝1,2,…,J)个深度处的对应网格点为例，从该网格点到达接收阵几何中心处的直达波双程到达时延为τ_i,j，从该网格点到达接收阵几何中心处的直达波到达角为θ_i,j。对所有网格点做上述计算，并对到达时延和到达角的信息进行存储。

步骤二：对多元水听器阵实际采集到的目标回波信号进行处理，提取回波到达时延和到达角信息；其中实际进行采集时，所使用的单基地声纳系统构成以及发射换能器发出的线性调频脉冲信号表达公式与仿真中的单基地声纳系统构成以及发射换能器发出的线性调频脉冲信号表达公式相同；发射换能器发射线性调频信号，对多元水听器阵接收到的回波信号进行提取处理，获得直达波的到达时延信息和直达波到达角度信息，包括以下子步骤：

子步骤一：对水听器阵采集到的目标回波信号进行带通滤波，其中对每个水听器用公式(1)对应的匹配滤波器对带通滤波输出信号进行匹配滤波，得到匹配滤波输出

其中，r_n(t)为第n个水听器接收到的回波的带通滤波输出信号，s(t)为(1)式的发射线性调频信号；

对得到的R_n(τ)求取包络，包络中第一个尖峰是直达波部分处理后得到的波形，尖峰的极大值对应的时间为直达波到达该水听器的时延值。

对所有水听器的直达波到达时延求平均值

其中，τ_n为第n号水听器的直达波到达时延，N为总水听器数。τ_D即为所需要的直达波到达时延信息。

子步骤二：通过矩形时间窗函数对接收阵得到的匹配滤波输出直达波部分进行提取，提取公式为：

其中，矩形时间窗函数为

B为发射信号带宽。由式(5)可知，矩形时间窗函数W(τ)的中心时刻为直达波平均到达时刻τ_D，宽度为0.88/B。

子步骤三：对进行目标方位估计，得到所需要的直达波到达角θ_D；

步骤三：将仿真得到的各个网格点对应的直达波到达时延和到达角度分别与实际接收信号的直达波平均到达时延和到达角度相匹配，即

其中，P_i,j为第i个水平距离第j个深度处的对应网格点的匹配处理输出。沿着距离和深度对匹配处理输出进行搜索，在峰值处获得目标定位结果，通过时延和角度匹配，从峰值处已经获得目标位置。

本发明的进一步技术方案是：所述单基地主动声纳系统包括单个发射换能器和N(6≤N≤64)个水听器；N个水听器构成均匀直线阵，阵元间距为发射信号中心频率所对应的半波长。

本发明的进一步技术方案是：所述N元水听器阵布放方式为水平布放或垂直布放。

本发明的进一步技术方案是：单个发射换能器和N元水听器阵的排列方式为：以单个发射换能器为球心，N元水听器阵的几何中心位于半径为200米的球体(包括球面)内某一点)。

本发明的进一步技术方案是：采用适用于直线阵的目标方位估计方法处理

本发明的进一步技术方案是：所述网格点距离间隔在5-100米之间，深度间隔在1-50米之间。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明针对基于可靠声路径的被动探测方法的不足，提出将单基地主动声纳布置于临界深度以下，利用可靠声路径照射目标并利用多元接收阵提取目标直达波到达时延和到达角，最终获得有效的目标定位结果。

本发明的基本原理和实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明：利用本发明所提出的利用可靠声路径的主动定位方法可以在深海环境对目标进行有效定位。

附图说明

图1为可靠声路径环境下主动定位方法示意图，单基地声纳系统包含发射声源和多元接收阵；

图2为该定位方法实现流程图；

图3为匹配滤波后的实际接收回波及尖峰示意图；

图4为网格点划分示意图；

图5为实施实例的定位结果图；

图6为图5的细节放大图；

具体实施方式

本发明的主要内容有：

1)将单基地主动声纳放置在深海临界深度之下，该主动声纳由单个发射换能器和多元接收阵(水听器数为6到64之间，包括6和64)构成。发射换能器发射线性调频脉冲信号(发射可以有一定的垂直指向性，也可以没有)，从下方通过可靠声路径照射目标场景。目标回波同样通过可靠声路径返回，到达多元接收阵。

2)处理多元阵上采集的目标回波。多元接收阵接收回波，利用匹配滤波技术从每个接收水听器上提取经发射换能器-目标-多元接收阵路径的回波(后面简称为直达波)到达时延，将所有水听器上的时延求算数平均值，得到目标回波中直达波平均到达时延。将匹配滤波输出的直达波部分进行截取，即用矩形时间窗函数与匹配滤波输出相乘，其中矩形时间窗的中心时刻位于平均到达时延(即直达波的平均到达时刻)处，矩形时间窗宽度为B为发射信号带宽。对所有水听器上截取出的直达波进行到达角估计，获得直达波到达角度。

3)使用匹配处理获得目标定位结果。将需要观测的距离-深度空间划分网格，网格点距离间隔在5-100米之间，深度间隔在1-50米之间。利用声场软件离线计算目标在各网点上时目标直达回波到达多元接收阵几何中心点处的到达时延和到达角度，并将结果进行存储。将实际得到的直达波平均到达时延和到达角度，与各网格点对应的离线仿真计算的到达时延和到达角度，一一做匹配处理，将匹配处理结果描绘在网格点上，获得距离-深度二维模糊表面，搜索模糊表面峰值得到定位结果。

4)通过计算机数值仿真给出了本发明提出方法的定位结果，从定位结果证明了本发明提出的定位方法有较好的定位效果。

本发明的技术方案

步骤1)主要涉及单基地主动声纳的布置以及信号的发射与接收，具体内容如下。

发射换能器和多元接收阵构成单基地主动声纳，放置于临界深度之下。发射换能器可以全向发射；为了使声能量更集中，可以以一定的垂直开角发射，避免声波与海底接触；调整发射开角范围，可以获得不同的照射范围。这种布置方式的照射水平距离可达40千米。

发射信号为线性调频信号

其中，f为中心频率，k为调频斜率，τ₀为脉宽，T为发射周期。

一般，目标位于海表面以下几十米到几百米不等，接收阵接收到目标多途回波，其中直达波部分到达时间最早、强度最大。目标位置可由直达波到达时延与到达角度唯一确定。因此本发明主要利用直达波到达时延和回波到达角进行定位。

为了保证足够的阵增益及各水听器上回波到达角的一致性，接收阵的水听器个数限制在6至64之间，包括6和64，水听器间距为半波长。

步骤2)主要涉及对多元接收阵采集的目标回波信号进行处理，提取直达波到达时延信息和直达波到达角度信息，具体内容如下。

对接收阵各水听器采集到的目标回波信号进行带通滤波。用发射信号波形对应的匹配滤波对目标回波的带通滤波输出进行匹配滤波，得到匹配滤波输出

其中，r_n(t)为第n个水听器接收到的回波的带通滤波输出，s(t)为发射信号。

对得到的R_n(τ)求取包络，包络中沿时间轴的第一个尖峰是直达波部分做上述处理后得到的波形(见图3)，尖峰的极大值对应的时间为直达波到达该水听器的时延值。

对所有水听器的直达波到达时延求平均值

其中，τ_n为第n号水听器的直达波到达时延，N为总水听器数。τ_D即为所需要的直达波到达时延信息。

用矩形时间窗函数对接收阵得到的匹配滤波输出直达波部分进行提取，即将各水听器的匹配滤波输出R_n(τ)与矩形时间窗函数相乘

其中，矩形时间窗函数为

B为发射信号带宽。由式(5)可知，W(τ)的中心时刻为直达波平均到达时刻τ_D，宽度为0.88/B。

对上述处理后所提取的N个水听器上直达波匹配滤波输出进行目标方位估计，得到所需要的直达波到达角，设该角度为θ_D。已有的目标方位估计方法，如常规波束形成法、Capon法、MUSIC法(孙超.水下多传感器阵列信号处理)等，均可以用来处理估计直达波到达角。

步骤3)主要涉及利用声场软件进行离线仿真计算，具体内容如下。

将需要观测的距离-深度空间划分网格，网格点距离间隔在5-100米之间，深度间隔在1-50米之间。假设目标位于某一网格点，利用Bellhop射线模型离线计算从该网格点到达接收阵几何中心点处的直达波双程时延以及到达角度。设沿着距离方向网格点数为I，沿着深度方向网格点数为J。以第i(i＝1,2,…,I)个水平距离第j(j＝1,2,…,J)个深度处的对应网格点为例，从该网格点到达接收阵几何中心处的直达波双程到达时延为τ_i,j，从该网格点到达接收阵几何中心处的直达波到达角为θ_i,j。对所有网格点做上述计算，并对到达时延和到达角进行存储。

步骤4)主要涉及利用仿真数据与实际采集数据进行匹配处理，获得目标定位结果，具体内容如下。

将仿真得到的各个网格点对应的直达波到达时延和到达角度分别与实际接收信号的直达波平均到达时延和到达角度相匹配，即

其中，P_i,j为第i个水平距离第j个深度处的对应网格点的匹配处理输出。沿着距离和深度对匹配处理输出进行搜索，在峰值处获得目标定位结果。

以典型的深海环境为例，给出本发明的实施实例。实施实例利用计算机进行数值仿真，来检验本发明所提方法的效果。

在实施实例中，两次运用声场软件进行计算。第一次利用声场软件计算出目标回波信号，将此回波信号作为实际采集的信号；第二次利用声场软件计算出目标位于不同网格点上所对应的直达波到达时延和直达波到达角度，将作为离线计算的回波信息。

1)RAP环境

假设海深5500米，声速剖面为MUNK剖面，其临界深度为4900米。

2)单基地声纳参数

声纳系统位于临界深度以下，即5000米深。发射声源发射如式(1)所示的线性调频信号，其中f＝1500Hz，k＝25s^-2，τ₀＝4s，T＝60s。发射角度为-24°至5°，此时声波不与海底接触。接收阵为32元水平线列阵。

3)仿真实际接收信号及其处理

假设目标位于海面下300米，距离25千米处。使用Bellhop射线模型求解直达波到达角度θ_D；发射换能器-目标-接收线列阵路径回波时延τ_D、幅度A_D和由海面反射引起的附加相位跳变φ_D；发射换能器-海面-目标-接收线列阵路径与发射换能器-目标-海面-接收线列阵路径回波时延τ_S、幅度A_S和由海面反射引起的附加相位跳变φ_S；以及发射换能器-海面-目标-海面-接收线列阵路径回波时延τ_DS、幅度A_DS和由海面反射引起的附加相位跳变φ_DS。对应于四个路径，分别将发射的线性调频信号进行相应的时延与相移，幅度调整为该路径回波的幅度，得到该路径的回波波形。将四个路径的回波相加，并加上白噪声，就得到仿真出的接收阵处目标回波。将此回波按水听器位置和直达波到达角度进行相应的时延，得到各水听器接收的回波波形。将各水听器接收的回波按技术方案中步骤2)进行处理，其中频域滤波采用截止频率为1450Hz和1550Hz的四阶巴特沃斯带通滤波器，目标方位估计采用Capon波束形成算法(孙超.水下多传感器阵列信号处理)，最终得到目标回波的直达波平均到达时延和直达波到达角度。

4)离线计算不同网格点所对应的目标直达波到达时延和直达波到达角度

将需要观测的距离-深度空间划分网格点，需要观测的距离-深度空间区域深度从0米至5500米，距离从10米至100千米；深度方向划分1101个网格点，距离方向划分5000个网格点。假设目标位于某一网格点(i,j)，使用Bellhop射线模型求解直达波到达角度θ_i,j和直达波到达时延τ_i,j。按技术方案的步骤3)所叙述，得到各个网格点对应的直达波到达时延和到达角度，并将其存储。

5)匹配处理及定位

将存储的各个网格点对应的直达波到达时延和直达波到达角度与实际接收信号的直达波平均到达时延和直达波到达角度按(6)式做匹配，将匹配结果用二维灰度图表示。