一种浅海近场声源定位方法

1.本发明涉及一种声源定位方法，特别涉及一种浅海近场声源定位方法。


背景技术：

2.大陆近海蕴藏着丰富的油气资源。能源的开发需要准确地布置和敷设海洋工程结构物、海底光缆管线，保障生产及生活的安全。因此，水声技术受到了更多的重视，并提出了更高的要求。1996年以前国际上建立了联合国大陆架界限委员会认为采用五种设备测量的图件和资料才能被认可为划界的依据，其中三种设备都是采用声纳设备，可见水声定位技术的重要性。
3.近些年来，水下声源定位的手段愈发多样化，常规波束形成器通过简单的加权求和达到空间滤波的作用，具体最好的稳健性和兼容性。但是由于受到基阵孔径的限制，阵增益有限，空间分辨率较低，不能实现小尺度基阵条件下对多个临近噪声源的空间定位。为了提高水下声源定位方法的空间分辨率等性能，各种高分辨方法涌现出来。所谓高分辨方法，即超瑞利极限的方法，包括基于线性预测理论的高分辨算法、子空间类方法、子空间拟合类方法等。目前大多数声源定位理论都是基于自由场环境的，而实际的测量环境会受到海面、海底等边界的影响。我国领海是以浅海为主的，为了更有效地进行水下声源定位，在进行方法研究时，需充分考虑浅海环境对定位结果的影响。在以往的水声源定位研究中，主要是研究如何降低水下噪声措施以及噪声源分析等。在水深几十米的范围内，海底和水面的声反射会造成噪声源的混叠，使得声源定位出现较大误差，通常考虑是单一的海底环境下，但是在实际情况下，存在许多不同环境的浅海水域，例如大量的珊瑚礁，火山岩等较大固体组成的海底；大量沙子，土等较小固体组成的海底；一些被大型海底动物撕咬后的尸体或破碎的石块等不大不小的物体的海底。这些不同的情况分析对以后的浅海环境下的相关发展具有重大意义。
4.传统的水下目标噪声源识别方法，在时域处理范畴中主要包括：分部运转、时历分析、辐射效率测定和相关分析等方法；在频域处理范畴主要包括谱分析方法、相干分析方法和偏相干分析方法等。近年来，随着安静型潜艇的不断发展，其辐射噪声水平不断下降，隐身性能不断提高，使得传统噪声源定位方法识别不到目标。因此，国内外相继提出了一些新的噪声源识别方法，包括基于多输入或输出模型的噪声源分析方法、自噪声抵消法、声全息成像技术、聚焦波束形成法及功率流分析方法等[5]。20世纪70年代以来，声全息方法和聚焦波束形成算法被广泛应用到噪声源定位识别方面，这两种方法利用声波的幅度和相位信息，获得了更高的空间分辨率。近场声全息技术是通过包围源的全息测量面进行测量获取全息数据，然后借助源表面和全息面之间的空间场变换关系，由全息面数据重建源面的声场。但是由于稳定性和计算量等因素的影响，该算法不能应用于处理宽带信号。聚焦波束形成算法是将一定几何形状(直线、圆柱等)排列的多元基阵经过处理(例如加权、时延、求和等)形成空间指向性，是基于平面波理论假设的，适用于远场，但无法进行测距。
[0005]
综上所述：大量学者针对近场声源定位已经有了许多成果，但是还存在以下问题：
[0006]
1、浅海环境中的背景极其复杂，存在不可控因素导致实际获取数据与理论存在较大偏差；
[0007]
2、浅海环境中的声源存在大量干扰噪声，实际获取的声源信号精确度不高。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的是为了解决上述问题，而提出一种浅海近场声源定位方法。
[0009]
一种浅海近场声源定位方法，所述方法通过以下步骤实现：
[0010]
首先，利用matlab的水声工具箱进行水下环境仿真；然后，模拟不同环境的海底反射系数对水下声场建模进行改进，改进后的三种环境再根据不同算法进行仿真分析，以此得出每一种环境下的最优解。
[0011]
优选地，所述的利用matlab的水声工具箱进行水下环境仿真的过程包括：
[0012]
(1)利用matlab仿真平台对三种不同海底情况进行仿真分析；
[0013]
(2)利用matlab仿真平台利用两种组合阵对水下声源分布进行定位分析；所述的两种组合阵包括与声源平行和与声源具有30
°
夹角的组合阵；
[0014]
(3)将之前所做得研究结合起来，利用不同环境下的不同组合阵，对cbf、mvdr、ac-mvdr三种算法进行仿真分析对比。
[0015]
优选地，所述的模拟不同环境的海底反射系数对水下声场建模进行改进，改进后的三种环境再根据不同算法进行仿真分析，以此得出每一种环境下的最优解的过程为：
[0016]
设置仿真实验一的内容为：11元均匀水平线列阵位于x轴，1号阵元位于坐标原点，阵元间距为1m；存在同频等幅的不相干双源，声源频率为f1＝f2＝lkhz，采样频率10khz，水中声速为1500m/s，定义声源发出信号的信噪比20db；测量垂直距离yi＝4m，双源位置坐标为(x1，z1)＝(3，0)m，(x2，z2)＝(7，0)m；
[0017]
设置仿真实验二的内容为：坐标为(x2，z2)＝)7，0)m的声源幅度是坐标为(x1，z1)＝(3，0)m的声源幅度的二倍和四倍，其它的仿真条件不变，采用幅度补偿的与未补偿的mvdr聚焦波束形成的空间谱切片图进行对比；
[0018]
其中，
[0019]
(1)建立水下声传播模型的过程为：
[0020]
声波在水介质中的传播规律可用压力场通过海洋的传播来描述，它满足与时间有关的波动方程或与时间无关的亥姆霍兹方程；当初始条件与边界条件确知时，波动方程有唯一确定解；
[0021]
波动方程是从更基本的状态方程、连续方程和运动方程导出的；采用简化的与时间有关的双曲型二阶线性偏积分方程：
[0022][0023]
式中是拉普拉斯算子；是与时间函数有关的势函数：c＝c(x，y，z)为声速，它是位置的函数；t是时间；
[0024]
引入单频连续波解的简谐解，即假定势函数的简谐解是：
[0025]
[0026]
式中是与事件无关的势函数，w为声源频率；波动方程简化为：
[0027][0028]
式中为波数，λ为波长；
[0029]
(2)建立组合阵近场测量模型的内容为：
[0030]
将矢量水听器与声压水听器组成的水平线阵，称之为组合阵，利用矢量水听器的振速信息判别真实声源的位置；
[0031]
假设海水深度为h，m元均匀矢量阵位于zm处，把中心阵元当做参考阵元，以中心阵元在海底的投影为坐标系原点，建立直角坐标系；
[0032]
设第m个阵元的坐标为(xm，ym，zm)，m＝1，2，3，....，m，声源的坐标为(x0，y0，z0)，则第m个阵元接收到的信号可表示为：
[0033][0034][0035][0036][0037]
其中，
[0038][0039]
(l＝0，1，2，3，...，∞，i＝1，2，3，4)
[0040]zl1
＝2hl z
0-zm
[0041]zl2
＝2h(l 1)-z
0-zm[0042]zl3
＝-2hl-z
0-zm[0043]zl4
＝-2h(l 1) z
0-zm[0044][0045]
式中，p表示基阵接收到的声压信号，v
x
、vy、vz分别表示基阵接收到的质点振速信息在x轴、y轴、z轴方向的分量，v是海面反射系数，在本发明中设为-1，v
li
是海底反射系数，θ
li
、分别表示声源到达接收点声线对应的方位角和俯仰角，zu
li
是复阻抗，可表示为采用的组合阵包含声压水听器和矢量水听器两种水听器，声压水听器只接收声压信号，矢量水听器除了接收声压信号，还接收振速信号，组合阵的接收信号包括全部水听器接收的声压信息和矢量水听器接收的振速信息。
[0046]
本发明的有益效果为：
[0047]
本发明针对现有技术存在的问题对浅海环境下近场声源定位方法进行研究，主要解决以下问题：
[0048]
1、通过对不同海底环境下的水下声场分布进行建模分析得出在不同情况下的水下声场分布。
[0049]
2、通过对比cbf、mvdr、ac-mvdr波束形成在不同组合阵的环境下进行分析，保证分析结果的可信度。
[0050]
由于海底材质不同带来的影响就是反射角度的变化，本发明拟对海底情况进行分析，利用现有的研究对声场分布进行建模分析，再根据拟提出的反射系数的变化进行模型改进，从而解决海底环境带来的实验偏差。通过对水声定位的学习和了解，结合水下噪声源分布等相关知识的研究，加上对cbf、mvdr以及ac-mvdr聚焦波束形成三种方法进行全面分析，发现大部分研究并没有充分考虑到角度对声场分析带来的影响，产生角度也就意味着水平面或者垂直面上的距离产生偏差，带来巨大的实验误差。本发明拟采用两种组合阵(与噪声源平行和与噪声源具有300夹角的组合阵)的不同环境下的数学分析之后，对三种算法在角度上的影响进行评估，然后根据海底不同材质的研究情况下，进一步验证角度带来的影响，从而解决角度带来的实验偏差。
附图说明
[0051]
图1为本发明的原理流程图；
[0052]
图2a为本发明涉及的ac-mvdr的仿真结果；
[0053]
图2b为本发明涉及的ac-mvdr的仿真结果；
[0054]
图3a为本发明涉及的mvdr的仿真结果；
[0055]
图3b为本发明涉及的mvdr的仿真结果；
[0056]
图4为本发明涉及的相差6db的ac-mvdr；
[0057]
图5为本发明涉及的相差6db的mvdr；
[0058]
图6为本发明涉及的相差12db的ac-mvdr；
[0059]
图7为本发明涉及的相差12db的mvdr；
[0060]
图8为本发明涉及的不同声场模型间的关系；
[0061]
图9为本发明涉及的基于射线理论的虚源模型；
[0062]
图10为本发明涉及的组合阵接收信号模型。
具体实施方式
[0063]
具体实施方式一：
[0064]
本实施方式的一种浅海近场声源定位方法，如图1所示，所述方法通过以下步骤实现：
[0065]
首先，利用matlab的水声工具箱进行水下环境仿真；然后，模拟不同环境的海底反射系数对水下声场建模进行改进，改进后的三种环境再根据不同算法进行仿真分析，以此得出每一种环境下的最优解。
[0066]
具体实施方式二：
[0067]
与具体实施方式一不同的是，本实施方式的一种浅海近场声源定位方法，所述的利用matlab的水声工具箱进行水下环境仿真的过程包括：
[0068]
(1)利用matlab仿真平台对三种不同海底情况进行仿真分析；
[0069]
(2)利用matlab仿真平台利用两种组合阵对水下声源分布进行定位分析；所述的两种组合阵包括与声源平行和与声源具有30
°
夹角的组合阵；
[0070]
(3)将之前所做得研究结合起来，利用不同环境下的不同组合阵，对cbf、mvdr、ac-mvdr三种算法进行仿真分析对比。
[0071]
具体实施方式三：
[0072]
与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的一种浅海近场声源定位方法，所述的模拟不同环境的海底反射系数对水下声场建模进行改进，改进后的三种环境再根据不同算法进行仿真分析，以此得出每一种环境下的最优解的过程为：
[0073]
设置仿真实验一的内容为：11元均匀水平线列阵位于x轴，1号阵元位于坐标原点，阵元间距为1m。存在同频等幅的不相干双源，声源频率为f1＝f2＝lkhz，采样频率10khz，水中声速为1500m/s，定义声源发出信号的信噪比20db。测量垂直距离yi＝4m，双源位置坐标为(x1，z1)＝(3，0)m，(x2，z2)＝(7，0)m，ac-mvdr、mvdr和的仿真结果如下图2、3所示:
[0074]
设置仿真实验二的内容为：坐标为(x2，z2)＝)7，0)m的声源幅度是坐标为(x1，z1)＝(3，0)m的声源幅度的二倍和四倍，其它的仿真条件不变，采用幅度补偿的与未补偿的mvdr聚焦波束形成的空间谱切片图对比如下图4、5、6、7所示：
[0075]
其中，
[0076]
(1)建立水下声传播模型的过程为：
[0077]
声波在水介质中的传播规律可用压力场通过海洋的传播来描述，它满足波动方程(与时间有关)或亥姆霍兹方程(与时间无关)。当初始条件与边界条件确知时，波动方程有唯一确定解。
[0078]
波动方程是从更基本的状态方程、连续方程和运动方程导出的。通常，建立声传播模型的公式是从与时间有关的三维波动方程着手。对于大多数的应用，通常都采用简化的与时间有关的双曲型二阶线性偏积分方程：
[0079][0080]
式中是拉普拉斯算子；是与时间函数有关的势函数：c＝c(x，y，z)为声速，它是位置的函数；t是时间。
[0081]
为了求得与时间无关的亥姆霍兹方程，又进一步简化，引入了简谐解(单频连续波解)，即假定势函数的简谐解是：
[0082][0083]
式中是与事件无关的势函数，w为声源频率。波动方程就可以简化为：
[0084][0085]
式中为波数，λ为波长。上式就是亥姆霍兹方程，又被称为与事件无关的(或频率的)的波动方程。
[0086]
解亥姆霍兹方程有多种理论方法，选用哪种方法取决于对传播所作的具体假定和对的解选取的类型。不同的理论方法对应着不同的声传播模型。常见的典型解法有射线理论(声线理论)、简正波理论、多路径展开、快速场和抛物型方程五种。如图8所示
[0087]
简正波解是波动方程精确的积分解，它是用简正波(特征函数)来描述声传播，每一个特征函数都是波动方程的一个解，把简正波迭加起来，以满足边界条件和初始条件，就得到简正波解。实际海洋环境中介质的声速和密度不仅随深度的不同而不同，并且也存在水平方向上的水深、声速、密度的变化，但通常介质的水平性质变化梯度要比其沿深度方向变化梯度小得多，因此当声传播距离不太远、海底地形变化较为平缓时可以将海洋环境近似成水平分层介质。在水平分层介质情况下，考虑单频简谐过程，波动方程就可以化为亥姆霍兹方程，可以用分离变量法求解。非均匀介质时波动方程式的求解要比均匀介质中的求解复杂得多。一般来说，对于特定频率的声信号，仅有有限阶次的简正波能够在声场中传播，频率越高，可传播的简正波的阶次也越高；频率越低，简正波就越少，相应的计算量也减少。
[0088]
尽管介质在水平方向上的梯度要比深度方向上的梯度小好几个数量级，但是在远距离传播中，这种变化不容忽视；浅海海域的海底地形复杂多变，对声传播要产生重要影响。这种变化使得海洋环境不能简单近似成为水平分层介质，传统的简正波也不存在。
[0089]
简正波理论由于在声波的频率较高或海深较深时，简正波阶数较多，计算量增大，因此，简正波不适合处理高频深海问题，而适合低频远距离求解，能够给出声场的解析解。同时，简正波不适用于非水平分层介质问题、海底地形、声速、密度等海洋环境参数变化剧烈的传播问题，虽然耦合简正波方法可以解决，但其计算量也非常大。随着声速剖面复杂性的增加，物理模型的分层就会更多，计算量也就越大。何况在本征方程的求解问题上，只有特定的介质情况能够获得本征方程的严格的解析解，绝大多数海洋环境中只能求助于数值近似求解,常用的数值方法有wkb法、wkbj法和wkbz法。基于简正波的声场计算软件不能快速的解算三维声场，因此将简正波模型用于水声定位还有待进一步研究。
[0090]
波动方程的另一种解法是射线理论，其结果和结论本身称为射线声学。射线理论
模型是根据声线轨迹计算传播损失的(美国国防研究委员会，1946)。射线理论始于亥姆霍兹方程，它是声速在实际声源波长范围内平缓变化的假定下，作为波动方程的渐进极限(无限高的频率)解而导出的。图9为基于射线理论的虚源模型。
[0091]
虽然射线理论原则上不能处理影区和焦散区附近的声场，借助于波动理论或者改进的射线理论可以解决，用衍“射声线”的概念描述影区声场；对于焦散区附近的声场，用airy函数及其导数形式表示。射线理论通过对不同频率进行适当的衍射修正，可以扩展到较低频率的声场问题。射线理论不仅能够解决与距离无关的声传播问题，也适用于与距离有关的声场问题，并且求解特征声线比其他方法要简单。目前的射线理论声场计算软件有harpo、rtpo等，它们利用对费马原理的微分形式——汉密尔顿方程数值积分求解特征声线轨迹，采用声线跨度的概念进行声场解算。
[0092]
(2)建立组合阵近场测量模型的内容为：
[0093]
在对浅海声源进行定位时，由于声压水听器的无指向性，使得定位时存在左右舷模糊问题，不能准确识别出声源位置。为了抑制左右舷问题，去除虚假声源的影响，将矢量水听器与声压水听器组成的水平线阵，称之为组合阵，利用矢量水听器的振速信息判别真实声源的位置。
[0094]
假设海水深度为h，m元均匀矢量阵位于zm处，把中心阵元当做参考阵元，以中心阵元在海底的投影为坐标系原点，建立如图10所示的直角坐标系。
[0095]
设第m个阵元的坐标为(xm，ym，zm)，m＝1,2,3,....,m，声源的坐标为(x0，y0，z0)，则第m个阵元接收到的信号可表示为：
[0096][0097][0098][0099]
[0100][0101]
其中，
[0102][0103]
(l＝0，1，2，3，...，∞，i＝1，2，3，4)
[0104]zl1
＝2hl z
0-zm[0105]zl2
＝2h(l 1)-z
0-zm[0106]zl3
＝-2hl-z
0-zm[0107]zl4
＝-2h(l 1) z
0-zm[0108][0109]
式中，p表示基阵接收到的声压信号，v
x
、vy、vz分别表示基阵接收到的质点振速信息在x轴、y轴、z轴方向的分量，v是海面反射系数，在本发明中设为-1，v
li
是海底反射系数，θ
li
、分别表示声源到达接收点声线对应的方位角和俯仰角，zu
li
是复阻抗，可表示为在实际应用中，由于矢量水听器的一致性不好这一问题，会直接影响到后续的信号处理。为了有效减小矢量水听器的一致性对后续信号处理的影响，本发明采用组合阵，旨在不影响对噪声源定位的前提下，减少矢量水听器个数。
[0110]
组合阵包含声压水听器和矢量水听器两种水听器，声压水听器只接收声压信号，矢量水听器除了接收声压信号，还接收振速信号，因此，组合阵的接收信号包括全部水听器接收的声压信息和矢量水听器接收的振速信息。
[0111]
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。