[发明专利]一种基于冰面水平阵列的匹配场跨冰定位方法

说明书

本发明的目的在于提供一种基于冰面水平阵列的匹配场跨冰定位方法，包括以下步骤：通过加速度计阵列采集冰下声源发出的跨冰声信号；提取跨冰声信号频谱向量；建立声源搜索距离和深度搜索网格序列；计算每个水平阵元与声源的实际距离序列；获取冰水环境冰声物理参数；求解每个水平阵元接收的跨冰声传播声场；提取不同期望位置的理论频谱向量；基于匹配场处理获得定位模糊曲面；输出最大模糊值对应的期望声源位置。本发明采用加速度参量作为定位参量，实现对冰下声源的跨冰定位，具有布放方便、坐标可精确校准以及经济等优势。

技术领域

本发明涉及的是一种水声定位方法，具体地说是极地水声定位方法。

背景技术

随着全球变暖效应，北极航道的开发和利用越来越成为现实，探索北极、保障北极航行安全是北极水声学的重要研究方向，研究在北极海域的水声定位方法具有重大意义。

匹配场定位是水声定位的经典方法，原理是通过海水中布放垂直水听器阵或海底布放水平阵采集水中的声压场，并与基于水声传播模型计算的期望声源位置的拷贝声场进行匹配相关，获得不同声源深度和距离模糊度，模糊度最大值对应的深度和距离值即估计的声源位置。

水中匹配场定位关注的是水中声压的波动成分。由于北极常年被数米厚的冰层覆盖，常规的匹配场定位存在极地适应性问题。

一个是较厚冰层的阻隔，使得在海水中布放垂直水听器阵和海底布放水平阵工作难度大，冰下环境复杂，水听器等设备面临布放条件困难，阵元坐标难以校准等问题突出。

另一点是由于目前的匹配场定位方法仅考虑了海水环境中的声学参数，如海水声压和质点振速参量，没有涉及海冰冰层这种板状构型弹性介质的声学参数，如冰层位移和加速度分量，因此也不适应极地海域，特别是有数米厚冰层覆盖的极地环境。

因此亟待开发一种在冰上布放阵列用于匹配场定位的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供能克服匹配场处理无法适应有冰层覆盖海域等难题的一种基于冰面水平阵列的匹配场跨冰定位方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于冰面水平阵列的匹配场跨冰定位方法，其特征是：

(1)在冰面布防加速度计阵列，通过加速度计阵列采集冰下声源发出的跨冰声信号；

(2)基于傅里叶变换提取跨冰声信号频谱向量；

(3)建立声源搜索距离r_i和深度d_i搜索网格序列；

(4)依据声源搜索距离r_i和方位角θ计算每个水平阵元与声源的实际距离序列

式中x_n和y_n分别为第n个水平阵元的x轴坐标和y轴坐标；

(5)获取冰水环境冰声物理参数；

(6)基于冰水耦合模型求解每个水平阵元接收的跨冰声传播声场：假设冰下声源发出的声波为简谐信号，海冰-海水耦合环境会改变声源信号的幅度和相位，改变程度取决于声源位置以及海冰-海水耦合环境参数，根据冰声简正波传播理论，接收信号的频域表达式为

式中G表示接收信号的频谱，z为加速度计的深度，z_s为声源深度，r为声源相对于加速度计的距离，表示声源频谱，k_n为第n阶模态的水平波数，/为冰水耦合声场的第n阶简正波模态幅度；