[发明专利]适用于深海可靠声路径环境的多传感器宽带声源定位方法

说明书

本发明涉及一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器宽带声源定位方法，利用深海大深度多传感器观测到的同一声源D‑SR时延测量值对声源进行三维定位。第一阶段内，基于各传感器的位置、深度、观测到的D‑SR时延以及水体声速剖面信息构造一个矩阵和一个向量，二者和声源位置之间存在线性关系，使用最小二乘方法求解这一线性关系，得到声源二维位置的估计结果，基于二维位置估计结果，利用深度解算公式得到声源深度估计结果；第二阶段内，基于第一阶段估计出的声源三维位置，预测每个传感器所在位置的D‑SR时延值，进而构造辅助变量矩阵，并按照辅助变量估计器(IVE)的规则得到新的声源二维水平位置估计结果，最后根据深度解算公式得到最终的声源深度估计结果。

技术领域

本发明属于海洋工程、水声工程、阵列信号处理和声呐技术等领域，涉及一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器宽带声源定位方法，适用于深海大深度多传感器对近海面附近宽带声源三维位置的被动估计。

背景技术

深海水下目标的精确三维定位是导航、通信、跟踪、识别和攻击的前提，对于水下作战以及海洋工程等领域具有重要意义。相比于单传感器(单节点，指水听器或水听器阵列)，多传感器(或称分布式传感器)系统具有更强的探测能力和更大的探测范围，网络化、协同化是未来水声探测与水下作战的发展趋势。基于水下多传感器的目标定位方法一直以来受到广泛关注，目前已有很多研究成果，主要包括基于目标方位的定位方法、基于目标信号传播时间差的定位方法和基于目标信号多途时延的定位方法等。但是由于深海环境的复杂性，如波导起伏、声线弯曲等，现有的多传感器定位方法在应用时可能会存在难以实施或计算量较大等问题。现有的几类多传感器定位方法特点如下：

(1)基于目标方位的多传感器定位方法。在平面波假设下，根据各传感器测量到的目标方位构造代价函数，然后使用下降算法或构造解析解完成目标位置的解算。这类方法应用范围广泛，但是需要所有传感器同时具有目标方位角和俯仰角的估计能力，因此每个传感器必须在水平和垂直方向上均具有一定的阵列孔径，具有较高的硬件成本和较大的实际布放难度。此外，在深海环境下，由于声传播过程中的折射现象，传感器所估计出的波达方向与目标真实的几何方位往往存在偏差，实际中必须使用声场模型对这一偏差加以修正，否则会导致较大的定位偏差。

(2)基于目标信号传播时间差的多传感器定位方法。在球面波假设下，通过测量目标信号到达各传感器之间的传播时间差，构造代价函数实现目标定位。这类方法对传感器平台要求较低，理论上每个传感器仅需要单个全向水听器即可完成目标定位，但是其对传感器之间的时钟同步精度要求较高，此外，每个传感器均需要上传原始接收信号至处理中心进行时延估计，因此对于系统通信能力要求较高。最后，对于深海环境下的实际应用，往往还需要基于声场模型修正声线传播过程中的折射现象和多途效应所带来的传播时间误差。

(3)基于深海多途时延的多传感器定位方法。在深海大深度接收条件下，海面附近目标信号的直达(D)和海面反射(SR)路径之间的传播时延(D-SR时延)与目标三维位置有关。基于此，文献“Track of a sperm whale from delays between direct and surface-reflected clicks,Appl.Acoust.,2006,vol.67,no.11,pp.1187-1201”提出利用各传感器观测到的目标信号D-SR时延构造代价函数，进而使用网格扫描法进行匹配，测量向量与模型计算结果最为匹配的网格点即为目标位置估计结果。该方法充分利用了深海声传播特征，能够在不依赖目标方位信息和多传感器精确时钟同步的条件下完成目标三维定位。但是该方法需要对感兴趣区域进行三维网格扫描，计算量较大，不利于实时处理。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种适用于深海可靠声路径环境的多传感器宽带声源定位方法，解决现有的多传感器目标定位方法在深海环境下由于阵列孔径不足、时钟同步精度不够或计算速度较慢等问题。

技术方案