[发明专利]一种移动平台对水下目标的被动声定位方法

说明书

本发明公开了一种移动平台对水下目标的被动声定位方法，其步骤包括：1)移动平台每移动一步接收一次水下目标辐射的噪声信号；其中一步为一设定距离长度；2)根据所述噪声信号计算当前位置处该移动平台上各阵元之间的声传播时间差；3)利用之前计算的若干声传播时间差及其对应的移动平台位置求取该移动平台当前位置的目标函数；4)利用寻找该目标函数最小值的优化方法对该水下目标进行搜索定位，得到该移动平台当前位置对该水下目标的定位估计结果，实现了高精度被动声定位；另外，由于采用梯度下降法的路径规划，达到定位精度要求所需的定位次数是所有路径中最少的。

技术领域

本发明属于信号处理方法技术领域，具体涉及到一种移动平台对水下目标的被动声定位方法。

背景技术

随着海洋与环境开发的迅速发展，各种水面及水下移动平台，如水面无人船(Unmanned Surface Vehicle,USV)、无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)或者自主式水下机器人(Autonomous underwater vehicle，AUV)技术成为很多海洋技术发达国家的研究热点。USV、UUV或AUV往往综合了人工智能和其他先进计算技术的任务控制器，集成了推进器(深潜器)、传感器、能量储存与转换以及水下智能武器等高科技，军事上用于反潜战、水雷战、侦察监视和后勤支援等领域；还可用于其他一些水下领域，如水下探测、海洋环境监测、海洋测绘、海洋施工等民用领域。

对水下目标的被动声定位是指定位系统(定位声呐)不需要主动发射探测声信号，仅通过接收目标发出的声信号，获得目标位置的定位方法。被动声定位方法可以保证平台自身隐蔽性，因此，对于水下目标探测领域，尤其是军事领域，具有重要的意义。

目前的水下目标被动声定位技术领域，因受平台尺寸的限制，根据阵列基线尺寸不同，可分为长基线(Long base line,LBL)定位、短基线(Short base line,SBL)定位以及超短基线定位(Ultra-short base line,USBL)，其基线长度分别为千米级、米级、厘米级。基线的长度会影响阵列布设的自由度。

移动平台对水下目标的被动声定位是指利用水面或水下移动平台，如USV、UUV或AUV等实现对于水中目标的被动声定位。由于平台自身的特点，决定了实现被动定位方法的特殊性。对于这些移动平台而言，其尺寸是有限的，决定了用于定位的阵元数量和排布空间是受限的，因此一般采用短基线或超短基线阵列实现定位；此外，由于平台具有移动性，在移动过程中可以实现对目标的连续多次定位，因此，利用连续多次定位过程的相关性，可以对连续多次定位结果进行融合，用于提高定位精度；同时，可以利用合理的目标函数，对平台移动路径进行规划，使得定位系统以最快速度收敛至需要满足的定位误差要求。

移动平台对水下目标的被动声定位的模型如附图1所示。平台上声定位系统采用m(m≥4)个阵元(可以是水听器、接收换能器或者声传感器)组成定位基阵，阵元标记为：S₁,S₂,S₃,…,S_m。平台中心移动轨迹如附图1虚线所示。在地球坐标系(固定坐标系)(x,y,z)中，平台中心移动过程中的位置标记为O₁,O₂,O₃,…,O_n；固定于平台上位于平台中心的平台坐标系设为(x’,y’,z’)，水中目标所在位置为P。传统的被动声定位方法，通过多通道(目前多为4通道，最多用到6通道)声信号采集，获得目标声源辐射的声波经由水介质传播到达各个接收水听器(阵元)通道的声信号；利用高精度时差测量方法，测量目标到各阵元与到某个参考阵元的声传播时间差(简称时差)；通过解代数方程组，或者利用最小均方误差(LMS)算法求解目标在平台坐标系中的位置，继而根据平台自身的姿态和位置求解目标在地球坐标系中的位置。