发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法。本发明不仅能提高深海环境下声传播特性的认识，而且为海上声源测量系统的合理选取基阵构型与精度评定等问题提供有效参考。

本发明的技术方案：

一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法，首先建立基于声速变化的多基站TDOA定位解算模型；其次，分析不同基站布设条件下深海直达波和海底一次反射波的作用距离和多基站可解算区域声波覆盖面积；最后，利用蒙特卡洛数值模拟方法分析不同声传播方式下多基站定位精度分布情况；具体如下：

一、建立基于声速变化的多基站TDOA定位解算模型

假定目标辐射噪声的声源级为SL，经过距离为r的传播衰减后，在到达接收基阵时，信号的声级变为SL-TL，此外，背景噪声级NL也作用于接收传感器，于是目标声信号到达接收传感器的信噪比SNR可按声纳方程计算

DT＝SL-TL-(NL-DI) (1)

式中，各项均以谱级(单位：[email protected])定义，DT为检测阈；TL为传播损失，与海洋环境条件、声信道及接收深度等有关；NL为海洋环境噪声或者有海洋噪声和舰艇自噪声构成；DI为接收指向性指数。

对于某一接收基站，当接收声信号的信噪比SNR大于检测阈DT时，可检测到目标声信号并得出到达时间的估值(含有一定误差)，最终获取各基站的到达时间信息，然后利用TDOA算法解算落点位置。

设T_i为待测目标到达各基站的时间测量值，T_i ⁰为初始位置至各基站到达时延，X⁰＝(x⁰,y⁰,z⁰)^T为待测点附近选取的某一初始位置，R_i为待测目标至各基站距离，为等效声速。利用泰勒级数展开法得到待测目标到达各基站到达时延差为

式(2)可进一步改写成如下形式：

ΔT＝BΔX (3)

其中，

由最小二乘原理可得

ΔX＝(B^TB)^-1B^TΔT (4)

为保证计算精度，需进行多次迭代，在每一次递归中，对初始位置进行重新赋值，即令当(设门限ε为一小正数)时，迭代停止，此时即为待测点最终估值。

在上述模型解算过程中，需要对声速进行修正，这是因为深海中声传播路径与浅海有显著差别，当测量区域较大时，声线弯曲明显，声速修正不可忽略。在声速剖面已知的条件下(数据可通过现场测量获得)，对于从声源到各接收基站的直达本征声线，其传播时延可利用射线模型计算。

可将声信号沿直达本征声线(非常定声速梯度条件下通常为不规则曲线)传播等效为以某一等效声速沿从待测目标到基站的直线传播，两者经历时延相等，则该等效声速可表示为：

由于待测目标位置X与初始位置X⁰之间的距离远小于与基站位置X_i之间的斜距，可由X⁰到X_i的等效声速近似表示X到X_i的等效声速再结合多组不同基站获取的到达时间估计目标位置。在每次迭代过程中，需随X⁰的更新而重新求解，当X⁰趋近于时，经过不断修正的趋近于得到的目标位置估计值也趋近于真实值。

二、解算区域声波覆盖面积，分析定位精度分布情况

采用BELLHOP高斯束射线模型计算传播损失场，然后计算传感器位于不同深度时直达波和一次反射波信噪比曲线，根据接收传感器检测阈利用式(1)计算深海汇聚区条件下直达波和海底一次反射波有效作用距离，在此基础上估算在不同基站布设方式下利用直达波和海底一次反射波定位时可解算区域覆盖区域面积。

根据直达波和一次反射波的有效作用距离提取定位信息，在TDOA定位解算模型的基础上，利用蒙特卡洛数值模拟算法分析不同布站条件下的测量区域精度特性。

具体步骤如下：

(1)假设高速目标入水点的真实坐标值为X＝(x,y,z)^T，在理论值附近选取迭代初值，即分别以x,y,z为均值，方差为的正态分布 随机生成迭代坐标初值X⁰＝(x⁰,y⁰,z⁰)^T，设n个接收基站的真实坐标值为X_i＝(x_i,y_i,z_i)^T，已知基站站址误差分别按 生成基站坐标测量值为

(2)根据声源及接收基站的真实位置，利用射线模型求出声信号沿直达本征声线真实传播时间T_i，并按迭加到达时延估计误差得到到达时间的测量值T_mi，其中为总时延差误差，为时延估计误差，σ_τ1为声速起伏引起的时延误差，σ_τ1＝(σ_τc/c)τ，σ_τc为声速起伏误差，c为等效声速；

(3)根据到达时间测量值，计算时延差ΔT_i1＝T_mi-T_m1，然后根据X₀、得到初始位置到各基站的距离为计算声信号沿直达本征声线传播时间T_i ⁰，得到等效声速进一步得到初始时延差

(4)由声源初始位置X⁰、基站坐标等效声速初始位置到各基站距离按式(3)计算得到系数矩阵B，由测量时延差ΔT_i1和初始时延差得到观测向量ΔT；

(5)由公式(4)、(5)计算得出第一次迭代后的目标位置用替换X⁰，重复上述迭代过程，当时，停止迭代，此时即为目标位置最终解；

(6)根据蒙特卡洛数值方法，将步骤(1)～(5)重复抽样试验若干次，通常抽样次数越多，精度越高，但同时增加了计算量。在本发明中，设置重复采样数大于200次，并对所有测量结果按照正态分布进行统计分析，即可得到X轴方向定位误差σ_X、Y轴方向定位误差σ_X及总位置误差

本发明的技术方案主要集中在以下三个方面：

(1)本发明使用Taylor级数展开法建立了基于声速变化的多基站TDOA定位解算模型。在算法每一次迭代递归中，对初始位置进行重新赋值，同时不断修正等效声速值，直至目标位置估计值趋近于真实值；

(2)本发明中分析了深海汇聚区条件下直达波和海底一次反射波传播特性。利用BELLHOP高斯束射线模型计算传播损失场，然后得到传感器位于不同深度时直达波和一次反射波信噪比曲线，根据接收传感器检测阈利用声纳方程计算深海汇聚区条件下直达波和海底一次反射波有效作用距离，然后估算在不同基站布设方式下，利用直达波和海底一次反射波定位覆盖区域面积；

(3)本发明采用了蒙特卡洛数值模拟方法通过大子样抽样将呈正态分布的随机误差带入定位测量模型，研究不同布站条件下利用直达波和海底一次反射波进行定位时，测量区域内高速目标入水位置测量精度特性分布情况。

本发明的有益效果：

本发明建立了基于声速变化的多基站TDOA被动定位模型，较以往常声速定位模型更加科学合理。通过计算直达波和海底一次反射波的作用距离，能够定性分析声波覆盖特性，定量估算多基站布设条件下声波覆盖面积，同时可分析高速运动目标入水位置在多基站条件下的测量精度分布情况。本发明成果能够提高深海海域海洋声信道的利用能力，为海上声源测量系统的论证设计、定位精度评定和基站优化布设等问题提供理论依据。