[发明专利]一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及水下目标定位技术领域，具体地说是一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法。

背景技术

随着水声技术的不断进步与发展，人类开展的水下活动日益频繁。在海洋资源勘探、海洋生物动态监测、水下航行器定位导航等领域，水下目标的高精度定位显得尤为重要。目前常用的高精度水下目标被动定位方法主要采用大孔径基阵和特定的高分辨阵处理算法。增大基阵孔径会增加工程实现难度，且基阵孔径过大，信号的空间相关性会下降，反而会降低探测精度；高分辨的阵处理算法稳健性较差，先验条件的不匹配会导致处理性能急剧下降。

发明内容

针对以上存在的问题，本发明提出了一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法，基阵孔径小，大幅降低了系统成本和工程实践难度；综合利用了标量水听器阵常规波束形成的稳健性和矢量水听器测向精度高的优点，既保证了定位精度，又不失稳健性；通过基阵两两组合进行“举手表决”剔除伪解的方法，可分辨多个目标。因此，本发明区别于以往的水下目标高精度被动定位系统，具有很大的创新性，可以大幅提高水下目标的被动定位能力。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法，包括海底测量阵和岸基综合处理机，其定位方法包括如下步骤：

S1、在海区布放海底测量阵，海底测量阵由四个圆形基阵构成一个边长为5km的正方形目标定位区域，单个圆形基阵的直径2.4m，每个圆形基阵都由50个标量水听器均匀分布于圆周上，矢量水听器置于基阵的圆心处；

S2、目标进入海底测量阵的有效声学作用距离时，相应基阵接收到目标的辐射噪声并回传至岸基综合处理机；

S3、岸基综合处理机对单个基阵回传的数据进行处理，处理流程为：对圆形基阵的标量水听器进行波束形成处理，波束形成后的输出信号与矢量水听器接收到的两路正交信号分别进行相关处理，并利用处理后两路信号的正交性，解算出目标的方位；

S4、最终定位：通过步骤S3四个圆形基阵都完成对目标的方位解算后，根据基阵之间的几何关系解算出目标的距离，从而实现一个或者多个目标的被动定位。

所述的步骤S3的处理与解算过程为：

每个标量水听器接收到的声压信号可表示为：

p₀(t)＝s(t)+n(t) (1)

其中s(t)为目标辐射信号，n(t)为海洋背景噪声信号；

矢量水听器接收到的两路正交的振速信号可表示为：

式中θ为目标相对于基阵的方位角，ρ为海水密度，c为声波在海水中的传播速度；

根据波束形成的基本原理，圆形基阵的标量水听器经过波束形成后输出信号为：

式中N为标量圆形阵中水听器的个数；

将输出信号与矢量水听器的两路振速信号进行相关处理，利用这两路信号的正交性可对目标方位进行解算：

所述的步骤S4定位过程为：

利用任意两个圆形基阵进行方位交汇即可对目标进行二维定位，

其中两个基阵F1、F2测得的目标方位分别为θ₁、θ₂，目标与基阵圆心距离分别为r₁、r₂，根据几何关系有以下关系式：

式中L为两个基阵间的距离，在单个基阵完成方位解算的基础上，由式(6)的方程组可解算出距离值：

所述的步骤S4的多目标定位过程如下：

当存在M个目标时，目标编号1，2…M，每个基阵将解算出M个方位值，此时距离解算公式为：

式中r_1ij表示第i号目标与基阵F1之间的距离，r_2ij表示第i个目标与基阵F2之间的距离，L为基阵F1与基阵F2之间的距离，θ_2i表示2号基阵F2对第i号目标的方位解算结果，θ_1j表示基阵F1对第j号目标的方位解算结果，此时基阵两两交汇可解算出M²个距离值，其中有M个为真值，其余为伪解；

当i＝j时，两个基阵对准同一目标，解算结果为真值；