[发明专利]一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法

说明书

本发明涉及一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法，将单个发射换能器和多元圆环阵组成的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圆环阵水平波束输出获得水下目标或干扰的回波到达时延、水平方位‑绝对距离二维图和干涉条纹图，利用水平距离‑深度二维匹配的方式获得亮点的水平距离和深度信息，并利用深度对水下目标和水面干扰进行判断，最终筛选出水下目标并给出三维定位结果，即给出水下目标的水平角度、水平距离和深度信息。

技术领域

本发明属于阵列信号处理领域，特别涉及一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法。

背景技术

深海环境中，可靠声路径(RAP:reliable acoustic path)是一种有效的声传播信道。 RAP出现条件是换能器位于深海临界深度以下，此时会形成从海面到换能器的稳定而又可靠的声传播路径，称之为可靠声路径(Rui D,Kun-De Y,Yuan-Liang M,et al.Areliable acoustic path:Physical properties and a source localization method[J].Chinese Physics B,2012,21(12):124301.)。

由于RAP的稳定传播和临界深度下低噪声等优点，研究人员提出利用RAP对目标进行定位。目前，研究热点主要集中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，很多情况下目标辐射噪声级很低，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。使用大孔径阵列和长时间累积处理可以一定程度上克服这一问题，但这又带来了系统成本和信号处理上的困难。此外，利用RAP被动探测时，主要集中在低频段处理，所能够获得的角度分辨率和时间分辨率有限，容易导致目标参数(到达角、到达时延等)的估计效果较差，影响对目标的有效定位。

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，本发明提出一种在深海环境下利用单个圆环阵沿可靠声路径进行主动三维定位的方法。所提方法采用单个发射换能器和一个多元圆环阵(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。多元圆环阵采集目标回波，对回波进行匹配滤波处理、水平多波束处理、回波时延估计、波束输出时频分析、干涉条纹信息提取与二维匹配等处理，最终判断出水下目标并获得水下目标三维定位结果。

本发明的技术方案是：一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法，包括以下步骤：

步骤一：建立单基地主动声纳系统，定义回波到达路径，包括以下子步骤：

子步骤一：单个发射换能器和多元圆环阵构成单基地主动声纳系统，且单基地主动声纳系统置于临界深度之下；发射换能器发射信号的俯仰角往上为正方向，往下为负方向；发射换能器以垂直开角发射脉冲信号，确保垂直开角下边界处的声线不与海底接触；设多元圆环阵上的水听器个数为N，且N取值为[8，128]，相邻水听器的弧长间距为发射信号中心频率所对应的半波长；

子步骤二：定义海面和水下目标之间存在多个回波到达路径，从而产生多途信号；子步骤三：设定不考虑传播损失、多普勒频移和水体的非线性效应，N元圆环阵中第n(n＝1,2,…,N)个水听器上的回波为x_n(t)，表示为多途路径上回波的叠加，回波可表示为：

其中，σ_p为第p(p＝1,2,3,4)个路径所对应的回波系数，r_n,p为声波从发射换能器沿着第p个多途传播路径到第n个水听器的距离，c为声速，z_n(t)为N元圆环阵中第n 个水听器上接收的噪声；

步骤二：对目标回波信号进行处理，对目标亮点所在波束输出进行时频分析，包括以下子步骤：

子步骤一：多元圆环阵采集目标回波信号，通过发射信号波形对目标回波进行匹配滤波，得到匹配滤波输出