一种近场目标声源三维被动定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声被动定位领域，具体涉及聚焦波束形成、MVDR原理和方法，适用于 近场多途条件下水平线列阵对目标三维位置的被动测量。
【背景技术】
[0002] 通常情况下，对远场目标采用主动测距技术，对近场目标采用被动测距技术。由于 主动声纳存在自身暴露的问题，对攻击型潜艇来说是很不利的。一般的测距方法包括球面 波法、三元阵法和聚焦波束形成方法等。球面波法和三元阵法本质相似，是应用前后两组阵 之间的时延估计和方位信息来得到目标的方位和距离。传统的三元阵法由于采用了近似公 式等原因对近场测量精度也并不理想。聚焦波束形成被动定位法适用于近场，但其分辨能 力与阵长、目标距离以及信号频率有关。当阵长和目标距离一定时对于低频信号其分辨能 力较差；当存在多个目标时在同方向或者距离很近时，会出现混叠现象，导致无法区分多个 目标。此时可以采用最小方差响应不变（MVDR)来弥补该缺陷。但MVDR方法对阵型很敏感， 复杂的阵型不但使MVDR在算法上变得冗杂，而且使得处理数据量剧增。因此工程上一般会 在固定线列阵上实现。但是由于一维线阵的自身限制，也最多能够获得目标的二维坐标信 息。并且在近场条件下，适用于远场方位估计的MVRD方法的使用相当于使阵型畸变，即传 统的MVDR原理并不能适用于近场目标方位的估计。
【发明内容】
[0003] 针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种近场目标声源三维被动定 位方法，解决在近场条件下利用一维线列阵实现目标声源的三维定位难题，并且创造性地 结合聚焦波束形成技术和MVDR原理的优点，充分利用了声信道的多途特点，使传统的"多 途干扰"问题变得有价值，定位精度得到提高。
[0004] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
[0005] -种近场目标声源三维被动定位方法，近场条件下被测目标声源的深度信息未 知，基阵采用一般的声压线列阵，主要包括以下步骤：
[0006] 步骤Stl:将基阵布放在平整海底处，建立三维直角坐标系，测量出海深H，阵元沿 x轴均匀分布，基阵接收水下声场中目标声源的辐射信号，放大滤波，然后进行数据采集、存 储；
[0007] 步骤St2 :在水下划定多个深度的扫描平面，对扫描区域划分网格，在开始的粗测 阶段，划分较为宽松的网格以节省运算量，网格中的交点作为时延补偿点；
[0008] 步骤St3 :依照扫描点对各阵元接收的来波信号进行时延补偿、将补偿后的多路 信号进行叠加、求功率，结果以声图形式输出，如果目标在扫描平面内，则在声图上会出现 目标声功率聚焦形成的亮点以及它们关于基阵对称的"左右模糊"点，其中最为明显的两个 点为S'和S";
[0009] 步骤St4:在不同深度的几个扫描区内，选择一个声图上存在明显亮点的区域，并 在目标位置附近进行细扫，重复步骤St3,结果以声图形式输出；
[0010] 步骤St5:根据声图上的亮点S'和S"以及它们关于基阵对称的"左右模糊"点， 对它们在基阵轴线上的投影坐标取均值，作为目标声源的在x轴方向的坐标X。；
[0011] 步骤St6 :在包含直线x=x0的X-0-Y的平面内建立极坐标系，以r为变量构造 引导矢量a(r);
[0012] 步骤St7 :对基阵的接收信号的提取其复包络，构建矢量X= [Xi，X2，…，XN]T，算出 协方差矩阵R=E(XXH);
[0013] 步骤St8 :利用MVDR方位估计原理，计算引导矢量r，通过几何关系换算到得到两 个输出峰值，即Y-0-Z平面上S'和S"到基阵中心点0的径向距离巧和r2;
[0014] 步骤St9 :将径向距离巧和r2值回代到计算公式，得到目标声源的三维坐标值。
[0015] 优选地，所述线列阵布放在平整海底，由此来忽略掉一次及多次海底反射声。
[0016] 优选地，所述步骤St2中的深度划分层次不需要任何关于目标深度的先验信息。
[0017] 优选地，所述步骤St3中的在扫描平面上对接收信号的时延补偿可以仅选择基阵 (x轴方向）的某一侧进行，S卩在步骤St2中的网格划分仅选择基阵（x轴方向）的某一侧进 行，从而节省运算量；
[0018] 优选地，所述步骤St8中的引导矢量r所在方位角0为无关变量，S。"是S"的等 效声源点，通过MVDR计算出来的矢量O'Sn"和O'S"等效。代入公式：
[0021] rJPr2结果以图示峰值给出，其中X。由步骤St5给出。[0022] 优选地，所述步骤St9中的关于目标位置的计算公式为：
[0019]
[0020]
[0023]
[0024]
[0025] 本发明的积极进步效果在于：
[0026] 1、提出了一种定位模型，该模型基于水平直线阵，在目标深度未知的条件下，利用 海洋环境的多途声信道信息实现对目标的三维被动定位。
[0027] 2、结合聚焦波束形成原理和MVDR方法的优点，改进算法内容，改进的内容具有以 下几个优点：
[0028] (1)对水平声压阵而言，由于每一个水听器的无指向性，水平阵的自然指向性都 是一个圆环，所以在波束扫描的平面上，会在相同的时延补偿的位置出现虚假目标，也就是 "左右模糊"现象。本发明方法不能消除这一现象，却可以使该问题得到忽略。
[0029] (2)剔除掉垂直基阵方向较宽的波束数据，仅保留基阵轴向较窄的波束数据（定 位精度高），间接性的等同于抑制旁瓣干扰。
[0030] (3)改进的MVDR聚焦波束形成方法不仅适用于近场条件，而且使得需要对复杂的 方位和距离的双变量估计问题变成只需要对径向距离进行简单的单量估计。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明基于一维线列阵来实现目标的三维被动定位的原理图；
[0032] 图2为本发明一实施例目标声源的福射声信号；
[0033] 图3(a)和图3(b)为本发明实施例的输出声图；
[0034] 图4为本发明MVDR计算引导矢量r得到的rdPr2的结果。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
[0036] 步骤Stl，如图1、图2所示，将基阵布放在平整海底处，忽略海底反射声。建立三 维直角坐标系，测量出海深H，阵元（图中黑点）沿x轴均匀分布。在本实施例中假设目标 声源直达声信号为S。，由于近场条件下，声传播按球面波规律进行衰减，经海面二次及多次 反射之后声能微弱，所以模型简化，仅考虑直达声S。和一次海面反射声S。'；目标声源S。所 在平面区域的深度为z。，实际扫描平面区域的深度为z'。一般的。S'为目标 声源S。所在的等时延圆与z'深度的扫描平面的交点，^为S'到阵元中心0的径向距离； S"为虚源S。'所在的等时延圆与z'深度的扫描平面的交点，r2*S"到阵元中心0的径 向距离。基阵接收水下声场中目标声源的辐射信号，如图2所示，放大滤波，然后进行数据 采集、存储，本实施例目标生源辐射噪声SNR= 5db;
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