本發明涉及一種近距離淺海聲源定位方法，特別是涉及一種利用淺海近距離聲源多途到達角和到達時延的聯合定位方法，適用于水平變化比較平穩的淺海海域，屬于水聲學和水聲信號處理領域。

背景技術：

本發明主要用于淺海近距離聲源定位。淺海環境中，由于水聲環境非常復雜，聲源定位一直是水聲領域中的一個關鍵問題。針對淺海近距離聲源的多途到達角信息反映了目標聲源的距離信息，而多途到達時延信息則反映了目標聲源的深度信息。本文通過利用加權子空間高分辨方法估計信號的多途到達角信息，并且通過信號的自相關函數來估計多途到達時延；最后本文定位時通過將多途到達角和多途到達時延信息同時約束在定位的模糊函數中，能夠得到深度和距離估計值都非常準確的定位效果。

目前主要的淺海定位方法有匹配場處理、基于波導不變量處理等方法。匹配場處理方法可以參見《An overview of matched field methods in ocean acoustics》，該文1993年發表于《IEEE Journal of Oceanic Engineering》第18期，起始頁碼為401。匹配場處理通過將聲場傳播模型計算的拷貝聲場與實際接收的聲場進行相關處理來實現水聲目標的定位問題，它比較依賴于海洋環境參數和聲場計算模型，計算量很大，且實際應用中往往會存在各種環境失配所帶來的性能下降甚至是失效問題。波導不變量方法可以參見《水下目標被動測距的一種新方法:利用波導不變量提取目標距離信息》，該文2015年發表于《聲學學報》第40期，起始頁碼為138。波導不變量方法利用的是淺海波導中聲場在距離和頻率二維平面上具有穩健性的干涉結構特征來進行處理，雖然波導不變量對于目標的測距有一定的效果，但是波導不變量對聲源深度參數不敏感，不能有效地估計出聲源的深度。

通過研究得出只利用接收信號的多途到達角信息進行聲源定位時，由于多途到達角信息只對聲源的距離信息比較敏感，所以定位時會在聲源深度方向上出現模糊；但是只利用接收信號的多途到達時延信息進行聲源定位時，由于多途到達時延信息只對聲源的深度信息比較敏感，所以定位時會在聲源距離方向上出現模糊。

技術實現要素：

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于淺海多途到達角和到達時延的近距離聲源聯合定位方法。

技術方案

為了充分利用淺海近距離聲源的多途到達角和多途到達時延信息，實現對淺海近距離聲源的準確定位。由于淺海多途到達角信息反映了目標聲源的距離信息，而淺海多途到達時延信息則反應了目標聲源的深度信息；該發明方法利用加權子空間高分辨方法估計聲源的多途到達角信息，通過計算信號的自相關函數估計聲源的多途到達時延信息；最后，該發明方法將多途到達角和多途到達時延信息同時約束在定位的模糊函數中，從而能夠對淺海近距離聲源進行準確定位。

一種基于淺海多途到達角和到達時延的近距離聲源聯合定位方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：淺海近距離聲源的多途到達角定位：

步驟1a：在淺海波導中，聲源在遠場條件下，K個多途到達角能夠表示為K個平面波，利用N陣元的均勻垂直線列陣進行接收，則均勻垂直線列陣的接收信號為：

x(t)＝A(θ)·s(t)+n(t)(1)

式中A(θ)是一個N×K維的陣列流形矩陣，s(t)是一個K×1維的信號向量，n(t)是N×1維的噪聲向量，假設為均值為0，方差為σ²的穩態高斯白噪聲；對接收信號的協方差矩陣R_x進行特征分解可得：

式中(·)^H表示取共軛轉置，Λ_s是一個k×k維的對角矩陣，其對角線上的值為R_x特征值中的最大的k個特征值，U_s為N×k維的矩陣，每一列為對應中Λ_s特征值的特征向量，也是獲得的信號子空間，U_n為N×(N-k)維的矩陣，由R_x的除了U_s剩下的特征向量構成，是獲得的噪聲子空間；

步驟1b：通過最小化信號子空間和陣列流形向量張成空間的距離計算到達角的估計值

式中||·||_F表示弗羅貝尼烏斯范數，V是一個正定加權矩陣，為了得到到達角的最小漸進方差估計，V的計算公式為：

式中(·)^-1表示求逆算子，I一個k×k維的單位矩陣；將(4)式代入(3)式，并將(3)式對T求偏導并令導數為0，能夠得到T的估計值為：

步驟1c：將公式(5)代入公式(3)可得：

式中P_A是對A的像空間的投影矩陣，是對其零空間的投影矩陣；

步驟1d：由于接收信號的多途到達角是聲源位置的函數，則多途到達角表示為：

θ＝h(r,z) (7)

式中h(·)表示聲場環境模型算子，計算時通過聲場程序Bellhop進行計算，r表示聲源距離，z表示聲源深度；所以上式(6)表示為：

式中分別表示聲源深度和距離的估計值；聲源定位的模糊表面為：

則用分貝表示的歸一化模糊表面為：

步驟2：淺海近距離聲源的多途到達時延定位：計算的接收信號的自相關函數，通過提取自相關函數的相關峰值點，得到接收信號的多途到達時延為T_e；然后通過Bellhop模型計算得到聲場空間相應位置處的多途到達時延為T_p(r,z)，從而得到多途到達時延的歸一化模糊平面為：

步驟3：利用多途到達角和多途到達時延的聯合定位方法：通過聯合多途到達角和多途到達時延兩種信息，對聲源進行準確定位；計算公式為：

通過求聲源空間的模糊函數，峰值位置即為聲源所在的位置。

有益效果

本發明提出一種基于多途到達角和到達時延的淺海近距離聲源定位方法，有益效果體現在：本發明方法通過研究得出只利用接收信號的多途到達角信息進行聲源定位時，由于多途到達角信息只對聲源的距離信息比較敏感，所以定位時會在聲源深度方向上出現模糊；但是只利用接收信號的多途到達時延信息進行聲源定位時，由于多途到達時延信息只對聲源的深度信息比較敏感，所以定位時會在聲源距離方向上出現模糊；所以本文提出同時利用多途到達角和多途到達時延的聯合定位方法，本發明能夠克服上述兩種方法定位時的不足，定位結果在深度和距離上面都沒有模糊，定位結果準確。淺海水聲環境非常復雜，聲源定位一直是水聲領域中的一個關鍵問題，所以本方法通過同時利用淺海近距離接收信號的多途到達角和多途到達時延信息，定位準確有效，對近海作戰奠定了堅實的基礎。

附圖說明

圖1是本發明方法所使用的淺海聲速剖面。

圖2是本發明方法中聲源深度為50m，聲源距離為500m情況下垂直線列陣接收到的淺海多途到達結構。

圖3是本發明方法在圖1聲速剖面下，接收深度為50m的水聽器接收到的不同深度不同距離處聲源的海底反射波到達角和海面海底反射波到達角的等高線圖。

圖4是本發明方法在圖1聲速剖面下，接收深度為50m的水聽器接收到的不同深度不同距離處聲源的海底反射波到達時延和海面海底反射波到達時延之差的等高線圖。

圖5是本發明方法只利用多途到達角定位、只利用多途到達時延定位、利用多途到達角和多途到達時延聯合定位的定位結果。

具體實施方式

現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：

(1)參照圖1，淺海聲速剖面是一個典型冬季淺海聲速剖面。其中，水深106m。

(2)參照圖1和圖2，在圖1所示淺海聲速剖面下，利用Bellhop模型計算出的聲源深度為50m，聲源距離為500m情況下，41元均勻垂直線列陣(陣元間距為2m，最上面陣元距離海面10m，覆蓋范圍為水下10m至90m)接收到的淺海多途到達結構。圖中，D表示直達波、S表示海面反射波、B表示海底反射波、BS表示海底海面反射波和SB表示海面海底反射波。

(3)參照圖3，通過加權子空間估計淺海近距離多途到達角信息，其中圖3給出接收深度為50m的水聽器接收到的不同深度不同距離處聲源的海底反射波到達角和海面海底反射波到達角的等高線圖。由圖3可知，不同深度不同距離處聲源的多途到達角的等高線接近垂直，說明多途到達角信息對聲源距離比較敏感，對聲源深度不敏感。具體做法為：

①在淺海波導中，聲源在遠場條件下，K個多途到達角能夠表示為K個平面波，

利用N陣元的均勻垂直線列陣進行接收，則均勻垂直線列陣的輸出信號為：

x(t)＝A(θ)·s(t)+n(t) (1)

式中A(θ)是一個N×K維的陣列流形矩陣，s(t)是一個K×1維的信號向量，n(t)是N×1維的噪聲向量，假設為均值為0，方差為σ²的穩態高斯白噪聲。對接收信號的協方差矩陣R_x進行特征分解可得：

式中(·)^H表示取共軛轉置，Λ_s是一個k×k維的對角矩陣，其對角線上的值為R_x特征值中的最大的k個特征值，U_s為N×k維的矩陣，每一列為對應中Λ_s特征值的特征向量，也是獲得的信號子空間，U_n為N×(N-k)維的矩陣，由R_x的除了U_s剩下的特征向量構成，是獲得的噪聲子空間。

②加權子空間高分辨方法指出，到達角的估計值可以通過最小化信號子空間和陣列流形向量張成空間的距離得到，具體計算方法為：

式中||·||_F表示弗羅貝尼烏斯范數，V是一個正定加權矩陣，為了得到到達角的最小漸進方差估計，V具體計算方法為：

式中(·)^-1表示求逆算子，I一個k×k維的單位矩陣。將(4)式代入(3)式，并

將(3)式對T求偏導并令導數為0，能夠得到T的估計值為：

③將公式(5)代入公式(3)可得：

式中P_A是對A的像空間的投影矩陣，是對其零空間的投影矩陣。

④由于接收信號的多途到達角是聲源位置的函數，則多途到達角可以表示為：

θ＝h(r,z) (7)

式中h(·)表示聲場環境模型算子，計算時通過聲場程序Bellhop進行計算，r表示聲源距離，z表示聲源深度。所以上式(6)能夠表示為：

式中分別表示聲源深度和距離的估計值。聲源定位的模糊表面為：

則用分貝表示的歸一化模糊表面為：

(4)參照圖4，利用接收信號的自相關函數估計淺海多途信號的多途時延信息，圖4中給出接收深度為50m的水聽器接收到的不同深度不同距離處聲源的海底反射波到達時延和海面海底反射波到達時延之差的等高線圖。由圖4可知，不同深度不同距離處聲源的多途到達時延差的等高線接近水平，說明多途到達角信息對聲源深度比較敏感，對聲源距離不敏感具體做法為：本發明方法計算的接收信號的自相關函數，通過提取自相關函數的相關峰值點，得到接收信號的多途到達時延為T_e。然后通過Bellhop模型計算得到聲場空間相應位置處的多途到達時延為T_p(r,z)，從而得到多途到達時延的歸一化模糊平面為：

(5)參照圖5，只利用多途到達角定位、只利用多途到達時延定位、利用多途到達角和多途到達時延聯合定位的定位結果。其中圖5(a)為只利用多途到達角定位結果，可以看出定位結果在聲源距離上出現了模糊；圖5(b)為只利用多途到達時延定位結果，可以看出定位結果在聲源深度上出現了模糊；圖5(c)為同時利用多途到達時延角和多途到達時延信息的聯合定位結果，定位結果非常準確。具體做法為：

通過聯合多途到達角和多途到達時延兩種信息，對聲源進行準確定位。具體做法為：

通過求聲源空間的模糊函數，峰值位置即為聲源所在的位置。