[发明专利]一种基于单水听器的被动测距方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种探测方法，具体地说是一种适用于被动声纳的精确测距和测速方法。

背景技术

人们常说浅海声场是随机的、起伏的。这话其实是不确切的，就单程的声传播而言，约95％的声能是相干的，而随机分量仅占总能量的5％。可观察到的浅海中接收信号的波形随时间和空间而变化，这是因为波形对相位信息十分敏感，这并不否认声场强度在空间域和频域具有稳定的分布结构——声场的相干结构。

在水声宽带频谱分析中经常看到干涉条纹，波导不变量β就是用来描述这一干涉效应的。波导不变量β首先是莫斯科大学的Chuprov教授在观察到宽带点源声场干涉结构后提出的(见文献[1]：G.L.D Spain and W.A.Kuperman.Application of waveguide invariants to analysis of spectrograms from shallow water environments that vary in range and azimuth[J].J.Acoust.Soc.Am，1999，106(5)：2454-2468)，仅用一个波导不变量β就可以描述环境的影响，而且不须环境的先验知识，后来β被引进到水声领域。

传统的被动测距的方法主要有三元子阵定位和匹配场处理。三元子阵法利用球面波或柱面波波前曲率的变化，通过测量各基元的相对时延，估计目标距离和方位。测距精度与时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因素有关，其中时延测量精度是关键。所谓的匹配场处理(matched-field processing，简称MFP)是声源、通道和接收阵三者之中，若已知两者，就可以根据接收阵的实际测量声场(已受通道影响)与接收阵的理论预测声场(信道影响由模型模拟)的匹配性对第三个进行参数估计。利用匹配场被动定位方法进行被动定位时，有三个问题需要解决：一是水声信道模型的选择，选定的信道模型能否精确地描述声场将直接决定定位结果的精度。二是匹配函数的确定，匹配函数应该是在计算的声场分布与实际采样的声场分布匹配最好时呈现最大或最小。三是搜索方法的选择问题，应选择一个既可以保证精度又快速的全局搜索方法。由此可见，传统的被动测距的方法都要求有海洋环境的精确的先验知识。一种无需海洋环境的精细的先验知识，也不要求阵型精确已知，允许阵型有宽容的偏差的被动测距及测速的技术有待研究。

若将波导不变量用于测量被动目标方法就可以解决这一问题。目前美国海军研究所及Scrip实验室将研究“基于信道不变量的引导声源垂直阵被动测距”作为水声及水声信号处理研究重点。Thode在文献[2](Aaron M.Thode.Source ranging with minimal environmental information using a virtual receiver and waveguide invariant theory [J].J.Acoust.Soc.Am，2000，108(4)：1582-1594)中提出利用垂直阵分别接收来自引导声源和目标声源的宽带信号，结合波导不变量原理和互谱扫频的方法，就可以在引导声源处等效地得到一条水平接收阵，通过此虚拟阵“接收”到的声信号即可得到目标声源的距离。中国科学学院声学所于2004年在南海利用爆炸声作为声源，进行了引导声源垂直阵被动测距的海试(文献[3]：鹿力成.海底变化环境下目标距离定位[J].水声及物理声学，2007，26(4)：65-68)。中国海洋大学在验证了该方法的可行性之后，发展了“引导声源水平阵被动测距技术”，采用水平阵而不是垂直阵，这是一个进步，因为水平阵被动测距更适合应用(文献[4]：赵振东，高大治，王好忠，王宁.波导不变量在目标测距中的应用[J].声学技术，2009，28(2)：45-46)。在这些文献中所用到的引导声源都是固定的，如果能用运动的目标作为引导声源，就可以实时输出被测目标的距离和速度信息。

T.C.Yan在文献[5](T.C.Yang“Beam intensity striations and application”J.A.S.A.Mar，2003，113(3)：1342)中指出：无论垂直阵，水平阵，还有单水听器都可以输出功率谱历程，也能得到干涉条纹。单声压水听器因其处理增益小而限制了其自身的发展。

若是有一种利用单声压水听器可以稳健的进行被动测距和测速的技术，这种技术将推动水声测量的各个领域的发展，也将对目标识别和水声对抗具有重要意义。

发明内容