[發(fā)明專利]基于可靠聲路徑和目標(biāo)多途回波的主動(dòng)定位方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710387420.3
• 申請(qǐng)日: 2017-05-27
• 公開（公告）號(hào): CN107272003B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉雄厚;劉國(guó)鵬;孫超;蔣光禹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S15/06
• 分類號(hào): G01S15/06;G01S15/32;G01S15/88;G01S7/527
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 華金

本發(fā)明涉及一種基于可靠聲路徑和目標(biāo)多途回波的主動(dòng)定位方法，針對(duì)基于可靠聲路徑的被動(dòng)探測(cè)方法的不足，提出將單基地主動(dòng)聲納布置于臨界深度以下，利用可靠聲路徑照射目標(biāo)并采集目標(biāo)多途回波，最終獲得目標(biāo)定位結(jié)果。本發(fā)明的基本原理和實(shí)施方案經(jīng)過了計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真的驗(yàn)證，其結(jié)果表明：利用本發(fā)明所提出的利用可靠聲路徑的主動(dòng)定位方法可以在深海環(huán)境對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效定位。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水聲信號(hào)處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)

深海可靠聲路徑(RAP:reliable acoustic path)是深海聲傳播的信道之一。RAP出現(xiàn)條件是接收器位于深海，且此處聲速大于海面附近聲速的最大值，即接收器位于臨界深度以下。所謂可靠聲路徑是指當(dāng)聲源深度大于臨界深度時(shí)，聲傳播路徑不受近海面效應(yīng)或海底相互作用的影響，因此與海面附近的海洋環(huán)境特性關(guān)系較小，傳播信號(hào)穩(wěn)定可靠。

RAP為聲源定位提供了一個(gè)高信噪比環(huán)境。主要原因有兩個(gè)：(1)RAP是目標(biāo)與水聲設(shè)備之間的直達(dá)路徑，因此它對(duì)海面散射和海底反射損失不敏感。RAP下的傳播損失(TL:transmission loss)比其他路徑(如表面反射路徑)下的傳播損失要小得多。(2)遠(yuǎn)處噪聲源產(chǎn)生的噪聲難以到達(dá)臨界深度以下，使得RAP下的環(huán)境噪聲級(jí)低于深海中的平均環(huán)境噪聲級(jí)。(Rui D,Kun-De Y,Yuan-Liang M,et al.A reliable acoustic path:Physicalproperties and a source localization method[J].Chinese Physics B,2012,21(12):124301.)

由于RAP的低噪聲優(yōu)點(diǎn)，利用其進(jìn)行定位成為研究的熱點(diǎn)方向之一。目前，相關(guān)人員多研究在深海放置接收水聽器，利用RAP來被動(dòng)探測(cè)位于海面或較淺處的目標(biāo)。但是，當(dāng)目標(biāo)的輻射噪聲級(jí)較低時(shí)，利用RAP進(jìn)行被動(dòng)探測(cè)的方法面臨著接收信號(hào)級(jí)較弱的問題，導(dǎo)致探測(cè)性能下降。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：針對(duì)利用可靠聲路徑進(jìn)行被動(dòng)探測(cè)時(shí)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種使用可靠聲路徑和目標(biāo)多途回波的主動(dòng)定位方法。所提方法采用單個(gè)發(fā)射換能器和單個(gè)水聽器(兩者組成單基地聲納并位于臨界深度以下)，單個(gè)發(fā)射換能器以一定的垂直開角發(fā)射脈沖信號(hào)并向上照射目標(biāo)。單個(gè)接收水聽器采集目標(biāo)的多途回波，利用離線計(jì)算得到的多途回波與實(shí)際采集的多途回波進(jìn)行匹配處理，獲得目標(biāo)定位結(jié)果。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于可靠聲路徑和目標(biāo)多途回波的主動(dòng)定位方法，包括以下步驟：

步驟一：利用聲場(chǎng)軟件進(jìn)行離線仿真，包括以下子步驟：

子步驟一：由單個(gè)發(fā)射換能器和單個(gè)水聽器組成單基地聲納系統(tǒng)，該系統(tǒng)位于深海臨界深度下；發(fā)射換能器發(fā)出的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)表示為：

其中，f為中心頻率，k為調(diào)頻斜率，τ₀為脈寬，T為發(fā)射周期；發(fā)射換能器以垂直開角發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，開角下邊界處的聲線保證不與海底接觸；接收水聽器接收目標(biāo)的多途回波信號(hào)，其中多途回波信號(hào)包含同時(shí)存在的四個(gè)經(jīng)歷不同路徑到達(dá)接收水聽器的回波信號(hào)；定義發(fā)射換能器-目標(biāo)-接收水聽器路徑為路徑1，定義發(fā)射換能器-目標(biāo)-海面-接收水聽器為路徑2，定義發(fā)射換能器-海面-目標(biāo)-接收水聽器為路徑3，定義發(fā)射換能器-海面-目標(biāo)-海面-接收水聽器為路徑4；利用接收水聽器接收到的多途回波信號(hào)和以上四個(gè)路徑的回波信號(hào)的信息進(jìn)行定位；

子步驟二：利用聲場(chǎng)軟件進(jìn)行離線仿真：將需要觀測(cè)的距離-深度空間劃分網(wǎng)格；對(duì)位于網(wǎng)格中第i個(gè)水平距離第j個(gè)深度處的目標(biāo)點(diǎn)(i,j)，利用射線模型離線計(jì)算經(jīng)路徑n(n＝1,2,3,4)的回波信號(hào)的到達(dá)時(shí)延τ_n,i,j(n＝1,2,3,4)、幅度A_n,i,j(n＝1,2,3,4)和由海面反射引起的附加相位跳變構(gòu)造仿真的路徑n的回波信號(hào)r_n,i,j(t)：