[发明专利]一种基于近场源定位算法的多目标水声定位方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种多目标水声定位系统，具体涉及一种基于阵列信号处理领域的近场源定位算法并结合过零检测的方法来实现多目标水声定位方法和系统。

背景技术

随着人类不断的开发海洋资源和军事发展方面的需要，人们对水下载体定位技术的要求也越来越高，各个国家对水下定位技术的发展也越来越重视。当前在海洋开发、海洋工程及海防技术领域广泛使用多种定位技术来对水下目标进行定位。水下声学定位(underwater acoustic positioning)是用水声设备确定水下载体或目标方位和距离的技术，利用三个以上传声器构成的基阵接收声脉冲信号，测量到达时间或相位等信息实现定位。但由于水下环境复杂，噪声干扰大，定位的精度和实时性一直是通信和信号处理界人士研究的重要课题。

目前水声定位系统主要有长基线(LongBase-Line Positioning System)、短基线(Short Base-Line Positioning System)、超短基线(Ultra Short Base-Line Positioning System)定位系统等。

长基线定位系统在海底较远距离按照一定的几何形状放置应答器阵，相邻的三个或者四个应答器构成一个基阵。利用声学原理解算迭代方程和解析解法得出目标的位置。该定位系统定位范围广，但近距离探测时只能估计角度信息，同时定位精度不高。短基线定位系统基线长度较短，相对位置固定，它的水听器基阵由四个成直角坐标配置的水听器组成，工作原理跟长基线定位系统相同。短基线定位系统优点是设备相对简单，但近距离探测时也只能估计角度信息，定位精度有限。超短基线定位系统的工作方式是母船的应答器发射询问信号，根据目标的应答时间测出水下目标的距离，同时利用到达各个阵元的应答信号相位差测出目标的方位，从而获得目标的位置。超短基线定位系统的设备更为简单，在其适用的场合具有很好的灵活性。主要缺点是其定位精度较低。

近场源定位算法作为阵列信号处理领域的经典算法，定位原理是由已知数目传感器构成特定阵列，接收阵列菲涅尔区范围内的信源入射信号，并利用信号处理方法估计空间入射信源的角度和距离参数，具有很高的分辨率、估计精度及稳定性。从上世纪九十年代起，国内外学者对近场源定位进行了深入研究并取得了丰硕的成果，将二阶统计量、高阶统计量、循环统计量等数学工具广泛地应用到近场源定位算法中，在经典远场定位方法基础上，提出许多有效算法。如Huang等人提出的2-D MUSIC方法通过二维谱峰搜索同时估计角度和距离信息，具有很高的估计精度。但近场源定位算法估计过程是非线性的，计算复杂度大，在估计方位角的同时，还需估计信源距离，计算量大，同时实际系统应用中角度信息容易提取，距离信息很难提取，对各路接收信号有很严格的限制，这些局限性阻碍了近场源定位算法在实际系统中的应用。现有技术并没有将近场源定位算法应用到水下多目标跟踪定位领域中，本发明具有前瞻性的填补了应用近场源定位算法进行水下多目标定位和跟踪这一技术领域的空白，为高精度的水下定位提供一种新的思路。

如今，各种定位技术飞速发展，现有的单目标定位技术已经不能满足社会的需要，可以同时实现多目标定位更能满足军事和民用领域的需求。目前多目标多是通过硬件或软件来实现的，加大的系统设计的难度。

水声定位技术作为一种实用性很强的定位技术，一直受到广泛关注。Jonathan C.Crowell在题为“水声定位系统和方法”的美国专利No.US 12/372,065中提到了给定位和保持装置设置了一个同步的时基和一个共同的声脉冲时间安排，每个站保持装置根据共同的声学脉冲调度发送的声脉冲的时间，定位装置接收由保持装置发出的脉冲，并计算本身和基于时间的声脉冲被发送的每个站保持装置和所接收到的脉冲的时间差，计算出位置信息。该方法容易受多径的影响。

曹利等人在题为“一种基于水声传感器网络的多目标数据融合方法及系统”的中国专利No.CN102833882A中提到在观测区域布放采集节点，各个采集节点观测到方位信息，通过水下网传输给主节点；主节点对方位信息进行数据融合，通过数据关联对多目标进行跟踪和定位。该方法可以实时跟踪定位目标，但存在复杂度和精度的问题。

张亮等人在题为“水下远场目标被动定位过程中的近场强干扰源抑制方法”的中国专利No.CN102809744A，这个专利中提到了近场，但只是近场提供强的干扰源，仍是远场定位，定位精度有限。

发明内容