[发明专利]一种基于深海声道的超远程水下声定位方法

说明书

一种基于深海声道的超远程水下声定位方法。1)构建格网和距离组；2)计算声线入射角；3)选取步骤1)的一个格网和分布式水声定位系统的一个节点，将步骤2)中入射角作为声线的出射角，以节点位置作为声源位置对传播过程仿真，得声线传播轨迹；4)对分布式水声定位系统每个节点采用步骤3)处理，得所有节点到格网的声线轨迹，构成声线轨迹序列；5)将该格网的距离组带入步骤4)得到的声线轨迹序列，提取该格网的深度组，计算深度组标准差的倒数作为该格网属于真实声源位置的概率；6)遍历所有格网，执行步骤5)，得整个海区声源位置的概率分布，选取概率最高的格网位置作为声源位置的估计值，将该格网深度组平均值作为声源深度估计值。

技术领域

本发明涉及海洋声学探测技术领域，尤其是涉及一种基于深海声道的超远程水下声定位方法。

背景技术

水下目标探测与定位一直是水声学最具挑战性的研究方向。在传统声呐系统中广泛使用的被动定位方法包括三子阵时延定位和目标运动分析等。基于匹配场、匹配模和波导不变量等定位方法也逐渐在浅海中被应用([1]杨坤德等.水下声源定位理论与技术[M].电子工业出版社.2019)。但是，在深海环境中，由于声线弯曲导致影区存在等因素影响较大，使得深海中目标探测更加困难([2]李整林等.深海声学与探测技术[M].上海科学技术出版社.2020)。匹配场技术利用声场的全部信息([3]Fawcett,J.A.,et al.Matched-fieldsource localization in a range-dependent environment[J].Journal of theAcoustical Society of America,1996,99(1):272-282)，因而需要充分的采样声场，来获得模糊度较小的目标位置，这就要求使用与海深可比拟的大孔径同步阵列([4]Zurk,L.M.,and B.H.Tracey,Depth-shifting of shallow water guide source observations,J.Acoust.Soc.Am.2005,118(4),2224-2233)。在深海环境中，这种阵列的工程实现非常困难。当目标发射宽带时间有限信号时，可以采用模态匹配方法进行定位([5]Wilson,G.R.,et al.Matched mode localization[J].The Journal of the Acoustical Society ofAmerica,1988,84(1):310-320)，也可以基于模态的色散现象，即基于不同模态的群速度不同现象实现目标定位([6]Lin,Y.T.,et al.Low-frequency broadband sound sourcelocalization using an adaptive normal mode back-propagation approach in ashallow-water ocean[J].Journal of the Acoustical Society of America,2012,131(2):1798-1813)。对于深海环境的超远距离传播，如果知道模态群速度的分布，那么声源距离也可以通过脉冲信号的频散现象获得([7]Kuperman,W.A.,et al.Long range sourcelocalization from single hydrophone spectrograms[J].Journal of the AcousticalSociety of America,2001,109(5):1935-1943.[8]Udovydchenkov,I.A.,et al.Weaklydispersive modal pulse propagation in the North Pacific Ocean[J].Journal ofthe Acoustical Society of America,2013,134(4):3386-3394)，但频散现象在深海中并不是很明显，定位稳定性和精度有待验证。简正波模型将声场表示为模态的水平传播和叠加，这一般要求模态数较少，此外，与四配场定位技术相同，模态分离同样要求阵列孔径与海深相比拟，这在深海环境中难以满足。传统的水声定位方法主要是针对水中目标(舰船、潜艇、生物等)的，作用距离有限，一般不超过数十公里级，无法满足上千公里超远程定位的要求，理论上所需的孔径尺寸在工程上也无法实现。随着分布式水声定位系统的发展，通过利用节点间到达时延可以实现对覆盖范围内声源的远距离定位，但其要求所有节点都实现时间同步采集，因此，通常采用海底电缆进行通讯和数据传输，布设难度大，建设、使用及维护的成本高，而便宜且易部署的自容式水声记录仪，因多台仪器间的时间同步精度无法满足要求，所以无法作为分布式水声定位系统的节点应用于超远程水声定位。