一种深海声影区宽带声源被动定位方法、介质及系统

本发明属于定位方法，具体而言，涉及一种深海声影区宽带声源被动定位方法、介质及系统。

背景技术：

1、传统的深海声源定位方法为匹配场定位处理，或基于到达角度等特征的方法，该类方法需要同步阵列以获得同步时间信息或角度到达信息，然而深海中，同步阵列可能会随着布放时间增加而发生非线性时间漂移，严重影响定位性能。

2、公开号为cn107085216a（申请号cn201710260413.7）的中国发明专利公开了一种基于单水听器的深海水声被动测距测深方法，包括以下步骤：1)布放水下目标噪声记录设备进行观测，记录接收水听器所在深度，测量布放海域的海深和声速剖面；2)选取噪声记录设备中单水听器的时域信号做时频分析，观察接收信号在0～1khz频段内是否具有两种等频域间隔的条纹的存在，若存在两种等频域间隔的条纹，则判断在接收水听器的第一影区内存在水下目标，再根据单水听器采集信号的频谱分析提取两种干涉周期；3)根据采集的声速剖面、海深和接收深度信息，通过仿真计算该接收深度下第二种频域干涉周期随传播距离的变化曲线，将实际采集的第二种频域干涉周期与该变化曲线进行匹配，获得声源距离；4)根据采集的声速剖面、海深、接收深度信息和估计的声源距离信息，仿真计算第一种频域干涉周期随声源深度的变化曲线，与实际采集的第一种频域干涉周期进行匹配，获得声源深度。

3、上述一种基于单水听器的深海水声被动测距测深方法，需要目标沿径向方向匀速运动并长时观测，否则会对声场采样不足而产生性能下降甚至失效。同时，该方法在观察和分离频谱干涉周期时需要较高的信噪比，实际情况中干涉周期难以提取，因此可靠性较低。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种深海声影区宽带声源被动定位方法、介质及系统，能够解决深海环境下声源定位需要同步传感器阵列、利用频谱幅度干涉周期定位需要长时观测并且干涉周期难以提取的问题。

2、本发明是这样实现的：

3、本发明的第一方面提供一种深海声影区宽带声源被动定位方法，其中，包括以下步骤：

4、s10，在近海面垂直方向上布置个水听器接收声影区近海面附近声源发出的宽带信号；

5、s20，对个所述水听器的接收信号分别进行傅里叶变换，并提取所述水听器在频带内的频谱幅度序列；

6、s30，通过各个所述水听器频谱幅度序列，计算与声源深度和距离同时有关的频谱幅度起伏周期分量；

7、s40，通过各个所述水听器重采样后的频谱幅度序列，计算与声源距离有关的频谱幅度起伏周期分量；

8、s50，根据获得的所述与声源深度和距离同时有关的频谱幅度起伏周期分量以及所述与声源距离有关的重采样频谱幅度起伏周期分量，计算声源深度和距离的估计值。

9、本发明提供的一种深海声影区宽带声源被动定位方法的技术效果如下：通过提取频谱幅度起伏的周期分量，以解算目标位置，解决深海环境下声源定位需要同步传感器阵列、利用频谱幅度干涉周期定位需要长时观测并且干涉周期难以提取等问题；使用非同步传感器阵列频谱幅度这一时间不敏感特征，这有助于降低声源定位的同步传感器阵列需求。通过将多个非同步传感器二次谱求和技术，可以获得非同步传感器下的处理增益，提高目标位置的估计确定性；这种方法结合了频谱幅度序列分析、瞬时观测和非同步传感器阵列，以克服深海环境下声源定位的挑战；它有助于提高声源定位的精度和可靠性。

10、在上述技术方案的基础上，本发明的一种深海声影区宽带声源被动定位方法还可以做如下改进:

11、其中，所述在近海面垂直方向上布置个水听器接收声影区近海面附近声源发出的宽带信号的具体步骤为：

12、个所述水听器布放深度分别为，采样频率为；声源的水平距离为，深度为；声源辐射宽带信号，频带范围为，和分别表示声源信号频带的上限和下限；

13、所有所述水听器的信号采集时长为，第个水听器接收到的信号记录为，其中表示时域离散采样点序号。

14、进一步的，所述对m个所述水听器的接收信号分别进行傅里叶变换的步骤，具体包括：

15、针对每个所述水听器，对其接收信号进行快速傅里叶变换，得到其频谱幅度序列：

16、对第个水听器接收信号进行快速傅里叶变换，得到频谱幅度序列为：

17、；

18、其中，表示频谱幅度序列，表示快速傅里叶变换，表示取模运算，为快速傅里叶变换输出点序号；

19、取频谱幅度序列中第至个点作为第个水听器的带内频谱幅度序列，记为，；

20、；

21、其中，表示从到的频谱幅度序列的点数，即带内频谱幅度序列的长度，表示四舍五入取整运算。

22、采用上述改进方案的有益效果为：在频域分析时，由于频域幅度的时间弱敏感特性，水听器的小尺度时间漂移，几乎不影响频谱幅度，这有助于实现非同步水听器间的联合处理。对m个水听器的接收信号进行傅里叶变换有助于从频域幅度起伏的角度分析，提取有关声源的信息，从频谱起伏角度降低噪声干扰，实现声源定位和跟踪等各种应用，这些有益效果对于水声信号处理和声纳系统等领域具有重要意义。

23、进一步的，所述与声源深度和距离同时有关的频谱幅度起伏周期分量的计算步骤为：

24、；

25、其中，表示与声源深度和距离同时有关的频谱幅度起伏周期分量，表示第个水听器根据声源的第一深度和距离范围区间置零操作后的二次谱序列。

26、选定分析频带，对各水听器接收信号频带内的频谱幅度进行快速傅里叶变换，得到各水听器接收信号的二次谱。

27、进一步的，所述根据声源的第一深度和第一距离范围区间置零操作后的二次谱序列的计算步骤为：

28、；

29、其中，为快速傅里叶变换输出点序号；

30、；

31、其中，和表示最小声源和最大声源的第一深度，和表示最小声源和最大声源的第一距离，表示平均海深，表示平均声速。

32、以目标深度和距离区间范围，对二次谱进行置零后进行归一化，并求和，最大峰值记为与深度和距离同时相关的频谱幅度振荡周期。

33、进一步的，所述与声源距离有关的频谱幅度起伏周期分量的计算步骤为：

34、；

35、其中，表示与声源距离有关的频谱幅度起伏周期分量，表示第个水听器根据接收深度对进行重采样后，再根据声源的第一深度和第一距离范围区间置零操作后的二次谱序列。

36、进一步的，第m个水听器根据接收深度对第m个水听器的带内频谱幅度序列进行重采样后，再根据声源的第一深度和第一距离范围区间进行置零操作后的二次谱序列的计算步骤为：

37、；

38、其中，表示经过以接收深度重采样后并补0至长度为的频谱幅度序列；

39、；

40、其中，算子表示将序列重采样至长度为的序列，为基础序列长度；为快速傅里叶变换输出点序号；

41、。

42、采用上述改进方案的有益效果为：通过计算声源深度、距离相关的周期分量，可以用于确定声源的位置。由于多途干涉效应，不同位置声源辐射的宽带信号经过水声信道传播，接收端会产生不同的频谱幅度起伏周期分量；通过分析周期分量，可以帮助区分不同路径的到达信号，利用多路径解算声源位置。

43、通过对带内频谱幅度序列以接收深度进行重采样，有助于获取不同深度水听器仅与声源距离有关的频谱幅度起伏周期分量，可以更准确地获取声源距离的信息；通过对带内二次谱序列求和，有助于获取不同深度水听器相同的频谱幅度起伏周期分量；如果某些频率成分与声源的第一深度和第一距离范围无关，置零操作可以帮助降低这些不相关的频率成分，从而提高信号与噪声的信噪比；置零操作还可以突出与声源的第一深度和第一距离范围相关的频率成分，使其更加显著。这对于声源定位和目标检测非常有用。

44、进一步的，所述根据获得的所述与声源深度和距离同时有关的频谱幅度起伏周期分量以及所述与声源距离有关的频谱幅度起伏周期分量，计算声源深度和距离的估计值，具体步骤为：

45、；

46、；

47、其中，表示声源深度的估计值，表示声源距离的估计值。

48、采用上述改进方案的有益效果为：通过使用频谱幅度起伏周期分量，可以精确地估计声源的深度和距离。这对于水声、雷达和声纳等应用中的目标定位至关重要；通过分析频谱幅度的周期性变化，可以确定声源到接收器的距离以及声源所在的深度；通过分析频谱幅度的周期分量，可以帮助区分不同声线到达路径，从而确定声源位置；声源深度和距离的准确估计可以提高目标检测的性能。

49、本发明的第二方面提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质内存储有程序指令，所述程序指令运行时，用于执行上述的一种深海声影区宽带声源被动定位方法。

50、本发明的第三方面提供一种深海声影区宽带声源被动定位系统，其中，包括上述的计算机可读存储介质。

51、与现有技术相比较，本发明提供的一种深海声影区宽带声源被动定位方法的有益效果是：

52、1：提高定位准确性：传统的声纳系统或同步阵列在复杂的深海环境中可能会受到多种因素的影响，如海水温度、盐度和深度的变化，从而影响定位的准确性；一个更先进的被动定位方法可以提高声源定位的准确性；

53、2：简化设备需求：不再需要复杂的同步传感器阵列，这不仅可以降低成本，还可以简化布设和维护的工作；

54、3：提高操作效率：由于不需要长时间的观测，这种方法可以更快速地定位声源，从而提高整个操作的效率；

55、4：增强系统鲁棒性：在不利环境下，如水文环境不准确已知、目标观测距离受限或信噪比较低的情况，传统方法可能难以工作；而这种宽带声源被动定位方法由于不依赖准确的环境信息、目标长时观测，因此可能更为鲁棒；

56、5：拓展应用范围：此方法可能适用于更多的深海探测和研究任务，如深海生态研究、地质调查、潜艇监测等，提供更为准确和高效的声源定位信息；

57、6：提高数据处理效率：由于不依赖长时观测的干涉周期提取，数据处理过程可能更为简洁和快速，从而提高数据处理和解析的效率。