[发明专利]基于空气中声传感器阵列的水下低频声源定位方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及水下低频声源的定位方法，尤其是涉及一种通过在空气中布放声传感器阵列对水下低频声源实现定位的方法。

二、背景技术

水下声源定位主要应用场合有：潜艇、鱼雷和无人水下航行器的侦察与反侦察；海底地震、火山爆发等各类水下地壳运动的环境监视；水下鱼群活动区域的探测。水和空气特性阻抗差异巨大，传统的声学理论认为水中的声信号在到达水-空气分界面时，发生全反射而无法透射到空气中。因此现有技术都是基于水声信号应答、水声信号的空间特性分析实现水下声源定位。

中国专利公开CN1971649、CN101246215、CN1547039都是集合了水声信号问答和全球定位系统(GPS)实现水下目标的定位。此外CN1704767提出了一种利用耐压舱正浮力的水下全球定位系统接收装置。CN1614441提供的水下目标自动定位系统的工作过程是先将水下电视探头、水深探头、水下声波发射头沉入目标水域，水下电视探头寻找到所需定位目标的图像后，水深探头测得目标深度，声波发射头向水面上六个声波接收器组成的线阵发射信号，根据信号的时延实现目标的水平投影定位。在水下目标不可视的条件下，该系统将不再适用。

2006年美国学者首次发现在低频时存在着水下声能量到空气中的异常透射现象(Godin，“Anomalous transparency of water-air interface for low-frequency sound”，Physical review letters97，164301，2006)。此后关于低频声透射的研究仅局限于其能量机制和对低频透射声场空间分布的分析。目前尚未见到应用该异常现象，基于空气中测得的声信息实现水下声源的定位的报道。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种基于空气中声传感器阵列的测量信息实现水下低频声源定位的方法。

2、技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的基于空气中声传感器阵列的水下低频声源定位方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)在声源深度远小于水下声波波长时，存在着一种反常的声透射现象，可以在空气中测得从水下透射出来的声压。假定z≥0区域的媒质为空气，z＜0区域内的媒质为水，点声源频率f为100Hz且深度z₀为0.24m时，取参考声压p_ref＝2×10^-5Pa空间声压级分布见图1，单位为dB，其中波数k＝2πf/c₁，c₁为水下声波速度。

在空气中任意一个水平面内布放两个圆形声传感器阵列，每个阵列由在圆周上等角度间隔的s+1个声压传感器构成，其中s为大于1的任意奇数。在以第i个阵列的中心为原点的极坐标系中，方位角为θ处的声传感器测得声压的频域幅度为p_i(θ)，方位角为θ+π处的传感器测得声压的频域幅度为p_i(θ+π)，以p_i(θ)为元素组成的序列记录为p_i，以p_i(θ+π)为元素组成的序列为p_i^π，π为180°，其中i＝1，2。kz₀很小时任意水平面内，声压级在声源投影处最大，且随着观察点离投影的水平距离的增大而减少。以kz₀＝0.1为例，不同高度的水平面内声压随水平距离的变化曲线如图2所示。因此水平圆形阵列中，离声源投影最近的传感器测得的声压最大。如果将阵列中传感器按方位角相差180°的条件分组，位于声源投影和阵列中心连线上的那一组传感器测得的声压差最大。对于第i个阵列中各个传感器计算物理量J_i(θ)，