[发明专利]一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法

摘要

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。

主权项

1.一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法，其特征在于，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xn(t)，表示为多途路径上回波的叠加，回波可表示为：其中，σp为第p(p＝1,2,3,4)个路径所对应的回波系数，rn,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，zn(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yn(t)＝xn(t)*sc(T‑t)          (2)其中，yn(t)为第n个水听器上回波的匹配滤波输出，*表示求卷积，[]c表示对中括号中的变量求共轭；子步骤二：对N元圆环阵上的匹配滤波输出在水平方向进行多波束处理，获得水下目标和水面干扰关于水平方位‑绝对距离的二维图；根据水平方位‑绝对距离二维图中亮点出现的位置，沿着水平方位和绝对距离对亮点峰值进行二维搜索，得到亮点峰值所在的水平方位和绝对距离，并将该水平方位作为水下目标或者水面干扰的水平方位。对于水下目标或者水面干扰所在方位对应的波束输出，利用波束输出上的峰值确定回波到达时延τe，利用短时傅里叶变换获得水下目标或者水面干扰所在波束对应的干涉条纹图；干涉条纹图分为频率轴和时间轴，频率轴表示回波的带内功率谱信息，时间轴表示回波的到达时延信息。步骤三：对亮点所在波束输出上的干涉条纹图进行处理，获得三维定位结果，包括以下子步骤：子步骤一：对亮点所在波束输出上的干涉条纹图进行处理，对回波亮点所对应的干涉条纹图，利用傅里叶变换计算干涉条纹图强弱变化所产生的“频率”，其中频率是指距离、频率二维条纹图上，与频率轴平行的条纹强度周期性变化所形成的频率；子步骤二：采用水平距离‑深度二维匹配的方式获得目标亮点所对应的水平距离和深度。将波束输出获得的亮点回波到达时延τe、回波亮点附近计算得到的干涉条纹图“频率”fe与离线计算得到的不同水平距离、深度上的时延信息τi,j、干涉条纹“频率”fi,j相匹配，第i个水平距离、第j个深度处的对应网格点的匹配处理输出用Pi,j表示，匹配处理输出表达式为其中，Pi,j为第i个水平距离、第j个深度处的对应网格点的匹配处理输出，τe为利用步骤二中波束输出上的峰值确定的回波到达时延，fe为利用波束输出上的干涉条纹图获得的频率；子步骤三：根据匹配处理输出表达式计算的结果，找出匹配输出峰值所对应的f_i,j，即为将与离线计算中对应的水平距离和深度作为亮点的水平距离和深度，从而获得水下目标或者水面干扰的水平距离和深度信息；子步骤四：设定水下目标和水面干扰在深度上的分界线为10m，将深度信息与分界线进行比较，判断该亮点是水下目标还是水面干扰，当判断该亮点为水下目标时，结合水平方位、水平距离、深度，得到水下目标的三维定位结果。