【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水声工程，尤其涉及一种基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法及装置。
技术介绍
1、深海声场存在明显的多途到达结构，以深海直达声区为例，阵列接收信号存在直达波、海面反射波、海底反射波、海面海底反射波等多个路径。这导致了每一个路径均对应一个到达角，使得单个声源辐射声场的能量在空间功率谱上表现为多个峰值，这也就意味着目标信号能量会分散在多个角度上。申请号为2021111809965的专利《一种基于直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法》公开了一种基于匹配直达波和海面反射波到达角的声源被动定位方法，但是对于低信噪比信号也即弱声源信号，当无法获得声源直达波和海面反射波两个角度的到达角时，该方法失效。而基于匹配场的目标检测定位处理方法需要已知海洋环境参数信息，且拷贝声场计算、实测场与拷贝场匹配这两个过程均需要较大的计算量，难以实现对目标的实时检测与定位处理。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术存在的实时检测与定位低信噪比信号能力不足问题，提出了一种基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法及装置。
2、一方面，提出一种基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，包括：
3、步骤1：利用空间功率谱估计方法计算目标声源辐射的声压信号在设定频率范围内不同频点的不同方位角度下的波束输出声场，其中，声压信号是布放在深海的多个同步垂直阵元采集的；
4、步骤2：针对任一频点，对该频点在两个不同方位角度下的波束输出声场按照不同的假设到达时延进行相
5、步骤3：对多个频点的多途声场聚焦结果相加，获得宽带多途三维声场聚焦结果，将宽带多途三维声场聚焦结果最大值对应的两个角度和到达时延作为目标声源角度和到达时延的估计值；
6、步骤4：将目标声源角度和到达时延的估计值与不同假设目标距离和深度下的模板值比较，利用比较结果确定目标声源距离和深度的估计值。
7、在一种改进的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法中，步骤1包括：
8、利用以下公式计算在频点fl、方位角θk处的波束输出声场b0(θk,fl)：
9、b0(θk,fl)＝a(θk,fl)x(fl)
10、其中，a(θk,fl)为获得波束输出声场时使用的导向矢量，方位角θk从0至180°角度范围内每隔设定角度取一个值，x(fl)为垂直阵接收的目标声源辐射信号在频点fl处的频谱向量，l＝1,2,...,l，l为频率索引，l为频率索引的最大值。
11、在一种改进的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法中，步骤2包括：
12、针对任一频点fl，利用以下公式对该频点下两个不同方位角度和下的波束输出声场和按照不同的假设到达时延τn进行相位补偿相加，得到该频点处两个路径声场聚焦结果
13、
14、其中，为方位角度分别为和的两个路径海底海面反射系数比值，为方位角度分别为和的两个路径的假设到达时延搜索值，到达时延每隔设定秒数取一个值，n为到达时延索引。
15、在一种改进的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法中，步骤3包括：
16、利用以下公式对多个频点的多途声场聚焦结果相加，获得宽带多途三维声场聚焦结果
17、
18、在一种改进的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法中，步骤4包括：
19、将目标声源角度和到达时延的估计值与不同假设目标距离和深度下的模板值比较，利用下面公式定义目标声源距离和目标声源深度的估计代价函数c(rs,zs)，将代价函数最大值对应的距离和深度作为声源目标距离和深度的估计值：
20、
21、其中，和τn(rs,zs)分别为假设声源距离为rs、声源深度为zs时对声场起主要贡献的两个路径的角度及两者的到达时延模版值，△θk为角度搜索间隔，△τn为到达时延搜索间隔，为到达时延的估计值，和为目标声源角度的估计值。
22、在一种改进的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法中，所述深海的海深范围为大于等于400m小于且等于6000m。
23、在一种改进的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法中，所述多个同步垂直阵元布放深度范围为大于等于400m且小于等于6000m。
24、在一种改进的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法中，所述目标声源和多个同步垂直阵元的水平距离范围为大于等于0.5km且小于等于60km。
25、在一种改进的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法中，所述目标声源的深度大于10m。
26、另一方面，提供了一种基于上述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法的装置，包括：
27、波束输出声场确定模块，用于在设定频率范围内不同频点的不同方位角度下的波束输出声场，其中，声压信号是布放在深海的多个同步垂直阵元采集的；
28、单频点声场聚焦模块，用于针对任一频点，对该频点在两个不同方位角度下的波束输出声场按照不同的假设到达时延进行相位补偿相加，得到该频点处两个路径声场聚焦结果；
29、宽带多途三维声场聚焦模块，用于对多个频点的多途声场聚焦结果相加，获得宽带多途三维声场聚焦结果，将宽带多途三维声场聚焦结果最大值对应的两个角度和到达时延作为目标声源角度和到达时延的估计值；和
30、比较模块，用于将目标声源角度和到达时延的估计值与不同假设目标距离和深度下的模板值比较，利用比较结果确定目标声源距离和深度的估计值。
31、与现有技术相比，本专利技术的优势在于：
32、本专利技术实施例中，首先利用常规波束形成等空间功率谱估计方法计算在设定频率范围内任一频点、设定方位角范围内任一角度处的波束输出声场，然后利用声源两个角度和到达时延的三维搜索，实现低信噪比下对声场起主要作用的两个路径的相干叠加检测，最后将目标声源的两个角度及到达时延与不同假设声源距离和深度下的模板值进行匹配，来估计目标声源的距离和深度。与现有技术中未能有效利用多途之间信号相关性的常规空间功率谱估计方法相比，本方法实现了对深海多途路径信号的相干叠加检测，提高了多途环境下对水下弱声源的检测定位能力。
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1.一种基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，包括：
2.根据权利要求1所述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，其特征在于，步骤1包括：
3.根据权利要求2所述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，其特征在于，步骤2包括：
4.根据权利要求3所述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，其特征在于，步骤3包括：
5.根据权利要求4所述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，其特征在于，步骤4包括：
6.根据权利要求1-5任一所述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，其特征在于，所述深海的海深范围为大于等于400m小于且等于6000m。
7.根据权利要求1-5任一所述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，其特征在于，所述多个同步垂直阵元布放深度范围为大于等于400m且小于等于6000m。
8.根据权利要求1-5任一所述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，其特征在于，所述目标声源和多个同步垂直阵元的水平距离范围为大于等于0.5km且小于等于60km。
9.根据权
10.一种基于权利要求1所述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法的装置，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，包括：
2.根据权利要求1所述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，其特征在于，步骤1包括：
3.根据权利要求2所述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，其特征在于，步骤2包括：
4.根据权利要求3所述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，其特征在于，步骤3包括：
5.根据权利要求4所述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，其特征在于，步骤4包括：
6.根据权利要求1-5任一所述的基于深海多途聚焦的水下声源检测定位方法，其特征在于，所述深海的海深范围为大于等于400m小于且等...
【专利技术属性】
技术研发人员：戚聿波，周蕾，周士弘，刘昌鹏，张洪晨，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：
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