一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统及其定位方法

本发明属于声场建模与应用领域，具体涉及一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统及其定位方法。

背景技术：

1、深海声传播具有多种传输途径，包括直达波、海面反射波、海底反射波等。通过匹配多途特征，如时延、到达角、频域声强干涉结构等可以实现声源的被动定位。深海下会聚区是深海所特有的声传播信道，其形成不受深海海底地形的限制，且此声传播路径不受近海面效应或者海底相互作用的影响，是一种新型的深海远程探测手段。海面附近的会聚区在距离增大后，会聚的效应大幅减弱，且会聚区的宽度大幅增加，不利于进行目标的被动定位；深海下会聚区在距离增大后，会聚区的强度衰减较小，且会聚区的宽度不发生变化，并且受到近海面海水动力学因素影响较小。海面附近会聚区垂直方向分布范围窄，要实现被动定位对水听器的布放深度限制较大，而下会聚区垂直方向分布范围广，易于水听器的布放来实现目标的被动定位。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统及其定位方法，针对利用深海海面附近会聚区进行被动定位时的缺点，通过利用声道轴以下的下会聚区实现了远距离海面附近目标的被动测距与测深。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统，所述声源被动定位系统包括重物、释放器、二元水听器阵、主处理机及浮体；

4、所述重物的上方设置释放器，所述释放器的上端设置二元水听器阵，所述二元水听器阵的上方设置多个浮体，所述释放器通过缆绳串联二元水听器阵与主处理机，所述缆绳与多个浮体系挂相连；

5、所述二元水听器阵包括垂直布放二元水听器、水文监测器ctd、缆绳及电池，所述缆绳将二元水听器和水文监测器ctd串联，所述二元水听器和水文监测器ctd通过电池供电。

6、一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统，所述主处理机包括数据预处理模块、拷贝场计算模块、互相关函数计算模块、二维模糊面输出模块及数据预处理模块；

7、所述数据预处理模块，用于对采集的二元水听器的时域接收数据进行预处理；

8、所述拷贝场计算模块，用于根据选取的二元水听器的布放深度计算拷贝场；

9、所述互相关函数计算模块，用于根据计算接收信号的互相关函数与拷贝场进行匹配输出二位模糊度面；

10、所述二维模糊面输出模块，用于基于拷贝场及接收信号互相关函数匹配滤波器输出二维模糊面，基于匹配滤波器输出二维模糊面确定声源深度和距离。

11、一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所述声源被动定位方法利用上述的声源被动定位系统，所述声源被动定位方法包括以下内容，

12、确定被动定位的目标场景并布放二元水听器阵；

13、根据选取的二元水听器阵的布放深度计算拷贝场；

14、根据二元水听器接收信号计算互相关函数；

15、基于拷贝场及接收信号互相关函数通过匹配滤波器输出二维模糊面；

16、基于匹配滤波器输出二维模糊面确定声源深度和距离。

17、一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所述确定被动定位的目标场景具体为，对所要进行被动定位的目标场景的声速进行测量，确定该场景区域的深海声道类型。

18、一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所述二元水听器的布放深度具体为，根据目标场景的声速剖面结构判断其深海声道的类型，若深海声道为完整深海声道，则可将声源被动定位系统的二元水听器布放于临界深度以下，此时可实现对海面任意深度目标的定位；若深海声道为不完整深海声道，则应将声源被动定位系统的二元水听器尽可能接近海底布放，此时可实现对海底共轭深度以下任意深度目标的定位。

19、一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，依据声道类型确定临界深度或海底共轭深度的方法，声源被动定位系统的方法中所指的临界深度为深海完整声道中声道轴以下区域海面声速的共轭声速所在的深度。不完整声道中海底的共轭深度指的是声道轴以上区域海底声速的共轭声速所在的深度。

20、一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所述拷贝场计算方法基于所述声源被动定位系统，具体为，

21、以二元水听器布放于临界深度以下的接收水听器深度为声源深度，仿真目标场景中任意位置q(r,z)处的传递函数值；

22、以二元水听器尽可能接近海底选取的接收水听器深度为声源深度，仿真目标场景中任意位置qt(r,z)处的传递函数值；

23、根据得到的位置q(r,z)处或位置qt(r,z)处两只水听器的传递函数值，计算这俩传递函数的归一化相关函数，即作为该位置q(r,z)处或qt(r,z)处的拷贝场。

24、一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，将接收信号互相关函数与拷贝场进行匹配时，为减小噪声影响，依据最小二乘法原则选取目标函数，具体的目标函数为，

25、

26、其中w(n,r,zs)为(r,zs)位置处的拷贝场，r(n-m)为接收信号互相关函数。

27、一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，针对垂直布放在大深度会聚区的二元水听器阵，当声源为一个宽带声源时，在两个水听器接收信号的互相关函数中将存在4个随着声源深度和距离变化明显的峰值，且这些峰值在大深度会聚区中始终存在，而在大深度会聚区之外则不存在，因此通过匹配接收信号互相关函数中的4个易于区分峰值的位置和强度，可以实现利用深海下会聚区对声源进行定位。

28、一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，所实现的定位为二维平面内的定位，即对声源进行测距与测深。

29、本发明的有益效果是：

30、本发明所提出的定位方法只需要在大深度布放的两个水听器，通过将两个水听器接收信号的互相关函数中特定的峰值结构与拷贝场进行匹配，即可实现对深海会聚区中目标的被动定位。本发明不需要对多途时延进行直接测量，也不需要已知目标的波形信息，具有很好的工程应用价值。

技术特征：

1.一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统，其特征在于，所述声源被动定位系统包括重物、释放器、二元水听器阵、主处理机及浮体；

2.根据权利要求1所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统，其特征在于，所述主处理机包括数据预处理模块、拷贝场计算模块、互相关函数计算模块、二维模糊面输出模块及数据预处理模块；

3.一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，所述声源被动定位方法利用权利要求1所述的声源被动定位系统，所述声源被动定位方法包括以下内容，

4.根据权利要求3所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，所述确定被动定位的目标场景具体为，对所要进行被动定位的目标场景的声速进行测量，确定该场景区域的深海声道类型。

5.根据权利要求3所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，所述二元水听器阵的布放深度具体为，根据目标场景的声速剖面结构判断其深海声道的类型，若深海声道为完整深海声道，则可将声源被动定位系统的二元水听器布放于临界深度以下，此时可实现对海面任意深度目标的定位；若深海声道为不完整深海声道，则应将声源被动定位系统的二元水听器尽可能接近海底布放，此时可实现对海底共轭深度以下任意深度目标的定位。

6.根据权利要求5所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，依据声道类型确定临界深度或海底共轭深度的方法，声源被动定位系统的方法中所指的临界深度为深海完整声道中声道轴以下区域海面声速的共轭声速所在的深度；不完整声道中海底的共轭深度指的是声道轴以上区域海底声速的共轭声速所在的深度。

7.根据权利要求5所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，所述拷贝场计算方法基于所述声源被动定位系统，具体为，

8.根据权利要求7所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，将接收信号互相关函数与拷贝场进行匹配时，为减小噪声影响，依据最小二乘法原则选取目标函数，具体的目标函数为，

9.根据权利要求7所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，针对垂直布放在大深度会聚区的二元水听器阵，当声源为一个宽带声源时，在两个水听器接收信号的互相关函数中将存在4个随着声源深度和距离变化明显的峰值，且这些峰值在大深度会聚区中始终存在，而在大深度会聚区之外则不存在，因此通过匹配接收信号互相关函数中的4个易于区分峰值的位置和强度，可以实现利用深海下会聚区对声源进行定位。

10.根据权利要求9所述一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位方法，其特征在于，所实现的定位为二维平面内的定位，即对声源进行测距与测深。

技术总结
本发明公开了一种基于深海下会聚区接收信号互相关函数匹配的声源被动定位系统及其定位方法。确定被动定位的目标场景并布放二元水听器阵；根据选取的二元水听器阵的布放深度计算拷贝场；根据二元水听器接收信号计算互相关函数；基于拷贝场及接收信号互相关函数通过匹配滤波器输出二维模糊面；基于匹配滤波器输出二维模糊面确定声源深度和距离。本发明针对利用深海海面附近会聚区进行被动定位时无法区分不同传播路径时间差的缺点，通过利用声道轴以下的下会聚区实现了远距离海面附近目标的被动测距与测深。

技术研发人员：朴胜春,栗子洋
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15