基于浅海多途到达角和到达时延的近距离声源联合定位方法与流程

本发明涉及一种近距离浅海声源定位方法，特别是涉及一种利用浅海近距离声源多途到达角和到达时延的联合定位方法，适用于水平变化比较平稳的浅海海域，属于水声学和水声信号处理领域。

背景技术：

本发明主要用于浅海近距离声源定位。浅海环境中，由于水声环境非常复杂，声源定位一直是水声领域中的一个关键问题。针对浅海近距离声源的多途到达角信息反映了目标声源的距离信息，而多途到达时延信息则反映了目标声源的深度信息。本文通过利用加权子空间高分辨方法估计信号的多途到达角信息，并且通过信号的自相关函数来估计多途到达时延；最后本文定位时通过将多途到达角和多途到达时延信息同时约束在定位的模糊函数中，能够得到深度和距离估计值都非常准确的定位效果。

目前主要的浅海定位方法有匹配场处理、基于波导不变量处理等方法。匹配场处理方法可以参见《An overview of matched field methods in ocean acoustics》，该文1993年发表于《IEEE Journal of Oceanic Engineering》第18期，起始页码为401。匹配场处理通过将声场传播模型计算的拷贝声场与实际接收的声场进行相关处理来实现水声目标的定位问题，它比较依赖于海洋环境参数和声场计算模型，计算量很大，且实际应用中往往会存在各种环境失配所带来的性能下降甚至是失效问题。波导不变量方法可以参见《水下目标被动测距的一种新方法:利用波导不变量提取目标距离信息》，该文2015年发表于《声学学报》第40期，起始页码为138。波导不变量方法利用的是浅海波导中声场在距离和频率二维平面上具有稳健性的干涉结构特征来进行处理，虽然波导不变量对于目标的测距有一定的效果，但是波导不变量对声源深度参数不敏感，不能有效地估计出声源的深度。

通过研究得出只利用接收信号的多途到达角信息进行声源定位时，由于多途到达角信息只对声源的距离信息比较敏感，所以定位时会在声源深度方向上出现模糊；但是只利用接收信号的多途到达时延信息进行声源定位时，由于多途到达时延信息只对声源的深度信息比较敏感，所以定位时会在声源距离方向上出现模糊。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于浅海多途到达角和到达时延的近距离声源联合定位方法。

技术方案

为了充分利用浅海近距离声源的多途到达角和多途到达时延信息，实现对浅海近距离声源的准确定位。由于浅海多途到达角信息反映了目标声源的距离信息，而浅海多途到达时延信息则反应了目标声源的深度信息；该发明方法利用加权子空间高分辨方法估计声源的多途到达角信息，通过计算信号的自相关函数估计声源的多途到达时延信息；最后，该发明方法将多途到达角和多途到达时延信息同时约束在定位的模糊函数中，从而能够对浅海近距离声源进行准确定位。

一种基于浅海多途到达角和到达时延的近距离声源联合定位方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：浅海近距离声源的多途到达角定位：

步骤1a：在浅海波导中，声源在远场条件下，K个多途到达角能够表示为K个平面波，利用N阵元的均匀垂直线列阵进行接收，则均匀垂直线列阵的接收信号为：

x(t)＝A(θ)·s(t)+n(t)(1)

式中A(θ)是一个N×K维的阵列流形矩阵，s(t)是一个K×1维的信号向量，n(t)是N×1维的噪声向量，假设为均值为0，方差为σ²的稳态高斯白噪声；对接收信号的协方差矩阵R_x进行特征分解可得：

式中(·)^H表示取共轭转置，Λ_s是一个k×k维的对角矩阵，其对角线上的值为R_x特征值中的最大的k个特征值，U_s为N×k维的矩阵，每一列为对应中Λ_s特征值的特征向量，也是获得的信号子空间，U_n为N×(N-k)维的矩阵，由R_x的除了U_s剩下的特征向量构成，是获得的噪声子空间；

步骤1b：通过最小化信号子空间和阵列流形向量张成空间的距离计算到达角的估计值

式中||·||_F表示弗罗贝尼乌斯范数，V是一个正定加权矩阵，为了得到到达角的最小渐进方差估计，V的计算公式为：

式中(·)^-1表示求逆算子，I一个k×k维的单位矩阵；将(4)式代入(3)式，并将(3)式对T求偏导并令导数为0，能够得到T的估计值为：

步骤1c：将公式(5)代入公式(3)可得：

式中P_A是对A的像空间的投影矩阵，是对其零空间的投影矩阵；

步骤1d：由于接收信号的多途到达角是声源位置的函数，则多途到达角表示为：

θ＝h(r,z) (7)

式中h(·)表示声场环境模型算子，计算时通过声场程序Bellhop进行计算，r表示声源距离，z表示声源深度；所以上式(6)表示为：

式中分别表示声源深度和距离的估计值；声源定位的模糊表面为：

则用分贝表示的归一化模糊表面为：

步骤2：浅海近距离声源的多途到达时延定位：计算的接收信号的自相关函数，通过提取自相关函数的相关峰值点，得到接收信号的多途到达时延为T_e；然后通过Bellhop模型计算得到声场空间相应位置处的多途到达时延为T_p(r,z)，从而得到多途到达时延的归一化模糊平面为：

步骤3：利用多途到达角和多途到达时延的联合定位方法：通过联合多途到达角和多途到达时延两种信息，对声源进行准确定位；计算公式为：

通过求声源空间的模糊函数，峰值位置即为声源所在的位置。

有益效果

本发明提出一种基于多途到达角和到达时延的浅海近距离声源定位方法，有益效果体现在：本发明方法通过研究得出只利用接收信号的多途到达角信息进行声源定位时，由于多途到达角信息只对声源的距离信息比较敏感，所以定位时会在声源深度方向上出现模糊；但是只利用接收信号的多途到达时延信息进行声源定位时，由于多途到达时延信息只对声源的深度信息比较敏感，所以定位时会在声源距离方向上出现模糊；所以本文提出同时利用多途到达角和多途到达时延的联合定位方法，本发明能够克服上述两种方法定位时的不足，定位结果在深度和距离上面都没有模糊，定位结果准确。浅海水声环境非常复杂，声源定位一直是水声领域中的一个关键问题，所以本方法通过同时利用浅海近距离接收信号的多途到达角和多途到达时延信息，定位准确有效，对近海作战奠定了坚实的基础。

附图说明

图1是本发明方法所使用的浅海声速剖面。

图2是本发明方法中声源深度为50m，声源距离为500m情况下垂直线列阵接收到的浅海多途到达结构。

图3是本发明方法在图1声速剖面下，接收深度为50m的水听器接收到的不同深度不同距离处声源的海底反射波到达角和海面海底反射波到达角的等高线图。

图4是本发明方法在图1声速剖面下，接收深度为50m的水听器接收到的不同深度不同距离处声源的海底反射波到达时延和海面海底反射波到达时延之差的等高线图。

图5是本发明方法只利用多途到达角定位、只利用多途到达时延定位、利用多途到达角和多途到达时延联合定位的定位结果。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

(1)参照图1，浅海声速剖面是一个典型冬季浅海声速剖面。其中，水深106m。

(2)参照图1和图2，在图1所示浅海声速剖面下，利用Bellhop模型计算出的声源深度为50m，声源距离为500m情况下，41元均匀垂直线列阵(阵元间距为2m，最上面阵元距离海面10m，覆盖范围为水下10m至90m)接收到的浅海多途到达结构。图中，D表示直达波、S表示海面反射波、B表示海底反射波、BS表示海底海面反射波和SB表示海面海底反射波。

(3)参照图3，通过加权子空间估计浅海近距离多途到达角信息，其中图3给出接收深度为50m的水听器接收到的不同深度不同距离处声源的海底反射波到达角和海面海底反射波到达角的等高线图。由图3可知，不同深度不同距离处声源的多途到达角的等高线接近垂直，说明多途到达角信息对声源距离比较敏感，对声源深度不敏感。具体做法为：

①在浅海波导中，声源在远场条件下，K个多途到达角能够表示为K个平面波，

利用N阵元的均匀垂直线列阵进行接收，则均匀垂直线列阵的输出信号为：

x(t)＝A(θ)·s(t)+n(t) (1)

式中A(θ)是一个N×K维的阵列流形矩阵，s(t)是一个K×1维的信号向量，n(t)是N×1维的噪声向量，假设为均值为0，方差为σ²的稳态高斯白噪声。对接收信号的协方差矩阵R_x进行特征分解可得：

式中(·)^H表示取共轭转置，Λ_s是一个k×k维的对角矩阵，其对角线上的值为R_x特征值中的最大的k个特征值，U_s为N×k维的矩阵，每一列为对应中Λ_s特征值的特征向量，也是获得的信号子空间，U_n为N×(N-k)维的矩阵，由R_x的除了U_s剩下的特征向量构成，是获得的噪声子空间。

②加权子空间高分辨方法指出，到达角的估计值可以通过最小化信号子空间和阵列流形向量张成空间的距离得到，具体计算方法为：

式中||·||_F表示弗罗贝尼乌斯范数，V是一个正定加权矩阵，为了得到到达角的最小渐进方差估计，V具体计算方法为：

式中(·)^-1表示求逆算子，I一个k×k维的单位矩阵。将(4)式代入(3)式，并

将(3)式对T求偏导并令导数为0，能够得到T的估计值为：

③将公式(5)代入公式(3)可得：

式中P_A是对A的像空间的投影矩阵，是对其零空间的投影矩阵。

④由于接收信号的多途到达角是声源位置的函数，则多途到达角可以表示为：

θ＝h(r,z) (7)

式中h(·)表示声场环境模型算子，计算时通过声场程序Bellhop进行计算，r表示声源距离，z表示声源深度。所以上式(6)能够表示为：

式中分别表示声源深度和距离的估计值。声源定位的模糊表面为：

则用分贝表示的归一化模糊表面为：

(4)参照图4，利用接收信号的自相关函数估计浅海多途信号的多途时延信息，图4中给出接收深度为50m的水听器接收到的不同深度不同距离处声源的海底反射波到达时延和海面海底反射波到达时延之差的等高线图。由图4可知，不同深度不同距离处声源的多途到达时延差的等高线接近水平，说明多途到达角信息对声源深度比较敏感，对声源距离不敏感具体做法为：本发明方法计算的接收信号的自相关函数，通过提取自相关函数的相关峰值点，得到接收信号的多途到达时延为T_e。然后通过Bellhop模型计算得到声场空间相应位置处的多途到达时延为T_p(r,z)，从而得到多途到达时延的归一化模糊平面为：

(5)参照图5，只利用多途到达角定位、只利用多途到达时延定位、利用多途到达角和多途到达时延联合定位的定位结果。其中图5(a)为只利用多途到达角定位结果，可以看出定位结果在声源距离上出现了模糊；图5(b)为只利用多途到达时延定位结果，可以看出定位结果在声源深度上出现了模糊；图5(c)为同时利用多途到达时延角和多途到达时延信息的联合定位结果，定位结果非常准确。具体做法为：

通过联合多途到达角和多途到达时延两种信息，对声源进行准确定位。具体做法为：

通过求声源空间的模糊函数，峰值位置即为声源所在的位置。