本發(fā)明涉及聲納定位，尤其是涉及一種基于單水聽器的深海水聲被動測距測深方法。

背景技術(shù)：

由于無線電波和光波在海水中傳播時都要受到嚴(yán)重的衰減，不能有效地傳遞信息，工作于水面以下的潛艇無法通過雷達(dá)等設(shè)備獲得水下目標(biāo)的信息，需要通過聲學(xué)手段進(jìn)行水下目標(biāo)定位，因此水下目標(biāo)聲學(xué)定位方法對于潛艇對抗水下目標(biāo)具有重要意義。

傳統(tǒng)的水下被動定位系統(tǒng)一般需要多個基元對目標(biāo)實(shí)現(xiàn)定位，例如三子陣法和球面內(nèi)插法，這種方法利用聲信號到達(dá)時間或相位進(jìn)行測距，對基陣布陣精度要求高，工作頻率高，測距距離近，精度低。

近年來，定位技術(shù)的發(fā)展方向主要有兩大類，匹配場定位技術(shù)[1]baggeroera.b.,kupermanw.a.,mikhalevskyp.n.anoverviewofmatchedfieldmethodsinoceanacoustics.ieeejournalofoceanicengineering,1993,18(4):401-424和目標(biāo)運(yùn)動分析[2]nardones.c.,lindgrena.g.,gonek.f.fundamentalpropertiesandperformanceofconventionalbearings-onlytargetmotionanalysis.ieeetransactionsonautomaticcontrol,1984,29(9):775-787。匹配場定位技術(shù)利用已知的海洋環(huán)境參數(shù)，采用適當(dāng)?shù)穆晥瞿Ｐ陀嬎隳M的接收信號，然后與實(shí)際測量得到的聲信號進(jìn)行相關(guān)“匹配”，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)聲源定位。這種方法需要解決的主要是環(huán)境、聲場模型和基陣系統(tǒng)失配等問題，在復(fù)雜海洋環(huán)境中往往受限。目標(biāo)運(yùn)動分析方法要求基陣或聲源機(jī)動，通過聲源方位變化來對聲源距離進(jìn)行遞歸解算，不僅收斂時間長，而且測距精度較低。因此，開發(fā)目標(biāo)聲學(xué)定位新方法是十分重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有目標(biāo)聲音定位存在的上述問題，提供能用于深海環(huán)境的水下目標(biāo)被動測距測深的一種基于單水聽器的深海水聲被動測距測深方法。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)布放水下目標(biāo)噪聲記錄設(shè)備進(jìn)行觀測，記錄接收水聽器所在深度，測量布放海域的海深和聲速剖面；

2)選取噪聲記錄設(shè)備中單水聽器的時域信號做時頻分析，觀察接收信號在0～1khz頻段內(nèi)是否具有兩種等頻域間隔的條紋的存在，若存在兩種等頻域間隔的條紋，則判斷在接收水聽器的第一影區(qū)內(nèi)存在水下目標(biāo)，再根據(jù)單水聽器采集信號的頻譜分析提取兩種干涉周期；

3)根據(jù)采集的聲速剖面、海深和接收深度信息，通過仿真計算該接收深度下第二種頻域干涉周期隨傳播距離的變化曲線，將實(shí)際采集的第二種頻域干涉周期與該變化曲線進(jìn)行匹配，獲得聲源距離；

在步驟3)中，所述第二種頻域干涉周期，假定聲源深度為100m。

4)根據(jù)采集的聲速剖面、海深、接收深度信息和估計的聲源距離信息，仿真計算第一種頻域干涉周期隨聲源深度的變化曲線，與實(shí)際采集的第一種頻域干涉周期進(jìn)行匹配，獲得聲源深度。

本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)使用單水聽器即可實(shí)現(xiàn)深海聲場影區(qū)水下目標(biāo)測距測深，不需要大規(guī)模水聽器陣列；

2)不需要已知海底聲學(xué)參數(shù)；

3)不需要大規(guī)模的拷貝場計算。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的單水聽器深海被動測距測深原理示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中仿真環(huán)境深度與距離關(guān)系；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中仿真環(huán)境深度與聲速關(guān)系；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中提取條紋前聲場頻率-時間干涉結(jié)構(gòu)；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中提取條紋后聲場頻率-時間干涉結(jié)構(gòu)；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中聲場頻域干涉周期隨時間的變化；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中第二種頻域干涉周期隨聲源距離的變化；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例中估計距離與實(shí)際距離的對比結(jié)果；

圖9是本發(fā)明實(shí)施例中估計誤差的對比結(jié)果；

圖10是本發(fā)明實(shí)施例中黃色線條的頻域干涉周期隨估計距離的變化；；

圖11是本發(fā)明實(shí)施例中聲源深度估計結(jié)果。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明結(jié)果和工作作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的單水聽器深海被動測距測深方法，其基本原理是：

如圖1所示，當(dāng)聲源位于海水表層，接收水聽器位于聲場第一影區(qū)內(nèi)的海水表層，多次海底反射聲線由于能量衰減大而對聲場的貢獻(xiàn)可以忽略不計，第一影區(qū)的聲場僅考慮一次海底反射聲線的貢獻(xiàn)，則在接收水聽器端由聲源-海底-接收器、聲源-海面-海底-接收器、聲源-海底-海面-接收器、聲源-海面-海底-海面-接收器四條聲線形成聲場干涉結(jié)構(gòu)，聲強(qiáng)隨著頻率具有兩種干涉周期，隨著收發(fā)距離的增加而增大，分別隨著聲源深度、接收水聽器深度的增加而減小，因此由單水聽器記錄的聲場干涉結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)被動聲源距離和深度估計。

本發(fā)明實(shí)施例中仿真環(huán)境深度與距離關(guān)系參見圖2，本發(fā)明實(shí)施例中仿真環(huán)境深度與聲速關(guān)系參見圖3。

本發(fā)明的單水聽器深海被動測距測深方法，基于上述的原理，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟一：布放水下目標(biāo)噪聲記錄設(shè)備進(jìn)行長時間觀測，同時記錄接收水聽器所在深度；

步驟二：測量布放海域的海深和聲速剖面；

步驟三：如圖4所示，選取噪聲記錄設(shè)備中單水聽器的時域信號做時頻分析，觀察接收信號在0-1khz頻段內(nèi)是否具有兩種等頻域間隔的條紋的存在，如果存在兩種等頻域間隔的條紋，則判斷在接收水聽器的第一影區(qū)內(nèi)存在水下目標(biāo)；

步驟四：如圖5所示，提取出兩種等頻域間隔的條紋，即黃色線條和紅色線條。如圖6所示，提取兩種線條的頻域干涉周期隨時間的變化情況。由于接收水聽器深度為200m，而實(shí)際應(yīng)用中水下聲源目標(biāo)工作深度較淺，因此第一種干涉相消條紋的頻域干涉周期比第二種干涉相消條紋的頻域干涉周期大，從而判斷黃色線條為第一種干涉相消條紋，紅色線條為第二種干涉相消條紋；

步驟五：由于第二種頻域干涉周期近似與聲源深度無關(guān)，因此在未知聲源深度的情況下可以假定聲源深度為100m，根據(jù)已知的海水聲速剖面、海深和接收深度信息，如圖7所示，利用聲場計算模型bellhop計算的聲線到達(dá)時間得到第二種頻域干涉周期隨聲源距離的變化情況；

步驟六：將提取的紅色線條的頻域干涉周期與仿真得到的第二種頻域干涉周期隨聲源距離的變化情況進(jìn)行匹配，如圖8和9所示，獲得聲源估計距離；

步驟七：如圖10所示，根據(jù)黃色線條的頻域干涉周期隨時間的變化情況，和估計的聲源距離隨時間的變化情況，獲得黃色線條的頻域干涉周期隨估計距離的變化情況；

步驟八：根據(jù)已有的海水聲速剖面、海深、接收深度和聲源估計距離，利用聲場計算模型bellhop計算不同聲源深度下第一種頻域干涉周期隨估計距離的變化情況，與黃色線條的頻域干涉周期隨估計距離的變化情況進(jìn)行匹配估計出聲源深度，如圖11所示；

本實(shí)施通過單水聽器，在已知海深和聲速剖面的基礎(chǔ)上，匹配聲場頻域干涉周期獲得水下目標(biāo)與接收水聽器的水平距離和目標(biāo)深度。與傳統(tǒng)被動測距方法相比，該方法不需要已知海底聲學(xué)參數(shù)和大規(guī)模的拷貝場計算。