CN113534161B - 一种用于远距离定位水下声源的波束镜像聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于远距离定位水下声源的波束镜像聚焦方法，包括如下步骤：1、将水‑空气分界面近似看作平面，其法向量与水平面垂直；2、目标声源S位置与水‑空气分界面反射生成的虚拟声源S'位置；3、波束在远场聚焦后，声源的定位图像为椭圆形光斑，光斑的长轴所在直线的方向与接收阵声中心接收到的波束方向一致；4、确定目标声源与水‑空气分界面反射生成的虚拟声源发射的声波传播方向后，计算声源位置。本发明的有益效果为：通过波束镜像聚焦法则可以有效的解决较大的测量不确定度分量这一问题：以线列阵为基础，通过直接分析线列阵上各水听器接收到的信号，能够较为准确的同步信号接收与移动轨迹的时间，降低测量不确定度。

Description

一种用于远距离定位水下声源的波束镜像聚焦方法

技术领域

本发明涉及计量测试领域，具体属于声学(水声)领域，主要是一种用于远距离定位水下声源的波束镜像聚焦方法。

背景技术

随着声纳技术的进步和在军民融合大环境下的应用推广，水下声纳的探测能力在提高的同时，其结构组成也愈发复杂。从单换能器到多换能器，从全向发射到波束形成，声纳发射系统的软、硬件的技术组成也区域多样化。功能提升的同时，也使得在不同的环境中声纳的性能更容易发生变化。首先，声纳换能器的性能本身会随着时间而发生变化，而目前的声纳装备一般以多元基阵为主，声纳工作时需要通过基阵内各阵元互相配合来达到性能要求。在这种情况下，即使各阵元换能器的性能变化很小，阵元换能器性能的变化叠加后可能会造成声纳性能的明显变化。其次，当换能器安装到潜艇上的声纳导流罩内的声基阵架上后，由于其声纳的实际工作环境与理论设计和验收测量环境的不同，将导致设计参数和验收测量参数与实际使用时的性能参数有所不同。此外，受恶劣的海洋环境以及潜艇上安装位置的其它结构等影响，安装到潜艇上的声纳导流罩内的换能器受基阵架及导流罩内部结构的散反射影响；同时，基元经过一段时间后，其声性能将会有所下降，当声纳设备水下声学部件因损坏或失效而更换性能完好的换能器基元后，声纳设备的性能参数也将会发生变化。以上因素对声纳性能的影响都是在声纳设备被安装、使用过一段时间后发生的，这就产生了对水下声纳设备在线校准的需求。

其中声纳的发射声源级是评价主动声纳性能的重要技术指标，精确校准声纳的发射声源级对我国国防建设、海洋环境开发等方面有着重要意义。根据声学学科中声源级的定义可知，想要精确的校准发射声源级首先需要精确的测量发射声源与接收换能器(在水声中为标准水听器，后文均使用水听器)间的距离。

然而由于水下环境较为复杂，对水下声源的位置一般都是通过流速仪、惯性导航等声源端的仪器进行定位，测量结束后读取声源的移动轨迹信息。这使得测量过程中，接收端只能被动的接收信号，信号接收与移动轨迹的时间同步需要测量结束后进行人工校对，这会为测量结果带来较大的测量不确定度分量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种用于远距离定位水下声源的波束镜像聚焦方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种用于远距离定位水下声源的波束镜像聚焦方法，包括如下步骤：

(1)、在远场条件下，将水-空气分界面近似看作平面，其法向量与水平面垂直；

(2)、目标声源S位置与水-空气分界面反射生成的虚拟声源S'位置是，以水-空气分界面为中心，对称分布；

(3)、波束在远场聚焦后，声源的定位图像为椭圆形光斑，光斑的长轴所在直线的方向与接收阵声中心接收到的波束方向一致；通过波束镜像聚焦处理，确定声源与虚拟镜像声源的声波发射方向；

(4)、确定目标声源与水-空气分界面反射生成的虚拟声源发射的声波传播方向后，根据公式(1)计算声源位置；

水下声源只要与接收阵间的距离足够远，在发射声信号后都会产生水面反射波，此时将反射波看作虚拟声源发射的声信号，S点代表声源位置，S'点代表虚拟声源位置，R点代表接收水听器位置，其中S点与S'点与水平面之间的距离相等为D_S；R点与水平面之间的距离为D_R；如果我们知道直线SR与S'R的斜率k、k'和R点与水平面之间的距离D_R，求出S、R间的水平距离L。

更进一步的，测量声波发射方向的斜率，通过公式(1)计算声源位置后，对多段测量信号进行信号处理和计算，画出声源的运行轨迹。

本发明的有益效果为：通过波束镜像聚焦法则可以有效的解决较大的测量不确定度分量这一问题：以线列阵为基础，通过直接分析线列阵上各水听器接收到的信号，得到被测声源与测量阵间距离，能够较为准确的同步信号接收与移动轨迹的时间，降低测量不确定度。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明的信号处理结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

水下声源只要与接收阵间的距离足够远，在发射声信号后都会产生水面反射波，此时可以将反射波看作虚拟声源发射的声信号，如图1所示。图中S点代表声源位置，S'点代表虚拟声源位置，R点代表接收水听器位置。其中S点与S'点与水平面之间的距离相等为D_S；R点与水平面之间的距离为D_R。那么，如果我们知道直线SR与S'R的斜率k、k'和R点与水平面之间的距离D_R，就可以求出S、R间的水平距离L，如公式(1)所示。

测量过程中，单个水听器测量得到的是水听器所在位置的声压标量，无法得到声波的传播方向。在测量过程中，每一个点源发出的声波是以球面波的形式传播到基阵的，不同水听器接收到声波的时间是不同的，对于相同频率的声波而言，接收到的信号相位也是不同的。使用水听器线列阵测量，可以通过波束聚焦的方式得到声源的传播方向。区别于普通的波束聚焦技术，波束镜像聚焦的聚焦目标总是成对出现，且传统的波束聚焦技术多用于近场条件下的精确定位，而波束镜像聚焦则利用目标声源经过反射的虚拟声源进行辅助定位。信号处理结果如图2所示：高光条纹包含了声波传播的方向信息，波束镜像聚焦处理的范围深度为20m，即目标声源的实际位置为水下20m，与接收阵间的水平距离为100m，声源受水面反射产生虚拟声源。图中白色圆圈内的两道长条形亮斑是波束聚焦的定位结果，由于目标声源与接收阵间的距离较远，对声源定位后的图像会拉长无法确切知晓声源的位置信息，但亮斑拉长的方向总是指向接收阵的声中心位置，即水平坐标0m、水下16m。此时便可以通过公式(1)计算声源位置。

由于目标声源与虚拟声源总是成对出现，则可以根据这一特性快速计算波束镜像聚焦的结果，可以使基阵只接收镜像声源对应方向的信号，而滤除所有非期望方向的信号。以直线阵为例，设空间中存在一个均匀直线阵，阵元数为M，各阵元之间的距离为d，相邻阵元接收信号的时延差为τ＝d sinθ/v，则波束形成器输出信号的表达式为

令传输系数为1，则可将式(2)中各阵元的接收信号p_m(t)表示为

p_m(t)＝s[t-(m-1)τ],m＝1,2,...,M (3)

因此，式(2)可以写为

对等式(4)两边进行傅里叶变换，可得

由此可将波束形成器的传递函数表示如下

将a(f,θ)＝[1,e^-j2πfτ,..,e^{-j2πf(M-1)τ}]^T称为基阵的阵列导向矢量，又称为方向矢量。可以看出，基阵的阵列导向矢量a(f,θ)与信号频率f和相邻阵元接收信号的时延差τ有关。当声呐基阵的各阵元参数确定时，时延差τ就只受信号到来方向角θ的影响。因此可以得到，当声呐基阵的各阵元参数确定时，基阵的方向矢量a(f,θ)只与信号频率f和信号到来角度θ有关，即

a(f,θ)＝[1,e^{-j2πfdsinθ/v},e^{-j2πf2dsinθ/v},...,e^{-j2πf(M-1)dsinθ/v}]^T (7)

加权矢量W＝[w₁,w₂,...,w_m]^T的取值可任意选择，可以是均匀权、cosine加权、Hamming加权等，也可通过各种自适应算法计算得到。

为了研究运动声源的定位问题，需要采用去多普勒效应的波束形成技术。当声源以匀速v₀做直线运动，接收阵列在测量点r＝[x,y,z]处测得的声压信号可以表示为：

式中，r₀＝[v₀τ,0,0]是声源位置，M₀是马赫数，

假设N个扫描点在一个运动的扫描框架中以匀速v₀做线性运动，这些扫描的位置则可以表示成r₀(τ)+Δr_n(n＝1,2,...,N)，则去多普勒效应后的时域波束形成结果表示为：

式中，r_m是第m个阵元位置，M₀是马赫数，

是速度向量v₀和向量r_m-r₀(τ)-Δr_n之间的夹角。

实施例：

1、根据接收阵结构、各阵元灵敏度、入水深度，确定接收阵的声中心位置；

2、采集信号，各采集卡采集信号的触发时间应保持一致；

3、对采集到的信号进行分段，选取符合信噪比要求的部分进行处理；

4、波束镜像聚焦处理，确定声源与虚拟镜像声源的声波发射方向；

5、测量声波发射方向的斜率，通过公式(1)计算声源位置；

6、对多段测量信号进行信号处理和计算，画出声源的运行轨迹。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于远距离定位水下声源的波束镜像聚焦方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、在远场条件下，将水-空气分界面近似看作平面，其法向量与水平面垂直；

(2)、目标声源S位置与水-空气分界面反射生成的虚拟声源S'位置是，以水-空气分界面为中心，对称分布；

(3)、波束在远场聚焦后，声源的定位图像为椭圆形光斑，光斑的长轴所在直线的方向与接收阵声中心接收到的波束方向一致；通过波束镜像聚焦处理，确定声源与虚拟镜像声源的声波发射方向；

(4)、确定目标声源与水-空气分界面反射生成的虚拟声源发射的声波传播方向后，根据公式(1)计算声源位置；

水下声源只要与接收阵间的距离足够远，在发射声信号后都会产生水面反射波，此时将反射波看作虚拟声源发射的声信号，S点代表声源位置，S'点代表虚拟声源位置，R点代表接收水听器位置，其中S点与S'点与水平面之间的距离相等为D_S；R点与水平面之间的距离为D_R；如果我们知道直线SR与S'R的斜率k、k'和R点与水平面之间的距离D_R，求出S、R间的水平距离L。

2.根据权利要求1所述的用于远距离定位水下声源的波束镜像聚焦方法，其特征在于：测量声波发射方向的斜率，通过公式(1)计算声源位置后，对多段测量信号进行信号处理和计算，画出声源的运行轨迹。

3.根据权利要求1所述的用于远距离定位水下声源的波束镜像聚焦方法，其特征在于：步骤(3)中，波束在远场的聚焦处理根据公式(2)～(9)进行计算，且对声源的聚焦处理总是成对进行；

由于目标声源与虚拟声源总是成对出现，则根据这一特性快速计算波束镜像聚焦的结果，使基阵只接收镜像声源对应方向的信号，而滤除所有非期望方向的信号；设空间中存在一个均匀直线阵，阵元数为M，各阵元之间的距离为d，相邻阵元接收信号的时延差为τ＝dsinθ/v，则波束形成器输出信号的表达式为

令传输系数为1，则将式(2)中各阵元的接收信号p_m(t)表示为

p_m(t)＝s[t-(m-1)τ],m＝1,2,...,M (3)

因此，式(2)写为

对等式(4)两边进行傅里叶变换，得到：

由此将波束形成器的传递函数表示如下

将

称为基阵的阵列导向矢量，又称为方向矢量，基阵的阵列导向矢量a(f,θ)与信号频率f和相邻阵元接收信号的时延差τ有关；当声呐基阵的各阵元参数确定时，时延差τ就只受信号到来方向角θ的影响；当声呐基阵的各阵元参数确定时，基阵的方向矢量a(f,θ)只与信号频率f和信号到来角度θ有关，即

加权矢量W＝[w₁,w₂,...,w_m]^T的取值任意选择；

当声源以匀速v₀做直线运动，接收阵列在测量点r＝[x,y,z]处测得的声压信号表示为：

式中，r₀＝[v₀τ,0,0]是声源位置，M₀是马赫数，

假设N个扫描点在一个运动的扫描框架中以匀速v₀做线性运动，这些扫描的位置则可以表示成r₀(τ)+Δr_n,n＝1,2,...,N，则去多普勒效应后的时域波束形成结果表示为：

式中，r_m是第m个阵元位置，M₀是马赫数，

是速度向量v₀和向量r_m-r₀(τ)-Δr_n之间的夹角。

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