專(zhuān)利名稱(chēng)：基于空氣中聲傳感器陣列的水下低頻聲源定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水下低頻聲源的定位方法，尤其是涉及一種通過(guò)在空氣中布放聲傳感器陣列 對(duì)水下低頻聲源實(shí)現(xiàn)定位的方法。
二背景技術(shù)：
水下聲源定位主要應(yīng)用場(chǎng)合有潛艇、魚(yú)雷和無(wú)人水下航行器的偵察與反偵察；海底地 震、火山爆發(fā)等各類(lèi)水下地殼運(yùn)動(dòng)的環(huán)境監(jiān)視；水下魚(yú)群活動(dòng)區(qū)域的探測(cè)。水和空氣特性阻 抗差異巨大，傳統(tǒng)的聲學(xué)理論認(rèn)為水中的聲信號(hào)在到達(dá)水-空氣分界面時(shí)，發(fā)生全反射而無(wú)法 透射到空氣中。因此現(xiàn)有技術(shù)都是基于水聲信號(hào)應(yīng)答、水聲信號(hào)的空間特性分析實(shí)現(xiàn)水下聲 源定位。
中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)CN1971649、 CN101246215、 CN1547039都是集合了水聲信號(hào)問(wèn)答和全球 定位系統(tǒng)(GPS)實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的定位。此外CN1704767提出了一種利用耐壓艙正浮力的水 下全球定位系統(tǒng)接收裝置。CN1614441提供的水下目標(biāo)自動(dòng)定位系統(tǒng)的工作過(guò)程是先將水下 電視探頭、水深探頭、水下聲波發(fā)射頭沉入目標(biāo)水域，水下電視探頭尋找到所需定位目標(biāo)的 圖像后，水深探頭測(cè)得目標(biāo)深度，聲波發(fā)射頭向水面上六個(gè)聲波接收器組成的線陣發(fā)射信號(hào)， 根據(jù)信號(hào)的時(shí)延實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的水平投影定位。在水下目標(biāo)不可視的條件下，該系統(tǒng)將不再適用。
2006年美國(guó)學(xué)者首次發(fā)現(xiàn)在低頻時(shí)存在著水下聲能量到空氣中的異常透射現(xiàn)象(Godin, "Anomalous transparency of water-air interface for low-frequency sound", Physical review letters 97, 164301, 2006)。此后關(guān)于低頻聲透射的研究?jī)H局限于其能量機(jī)制和對(duì)低頻透射聲場(chǎng)空間分 布的分析。目前尚未見(jiàn)到應(yīng)用該異常現(xiàn)象，基于空氣中測(cè)得的聲信息實(shí)現(xiàn)水下聲源的定位的 報(bào)道。
三
發(fā)明內(nèi)容
1、 發(fā)明冃的本發(fā)明的目的在于提供一種基于空氣中聲傳感器陣列的測(cè)量信息實(shí)現(xiàn)水下 低頻聲源定位的方法。
2、 技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所述的基于空氣中聲傳感器陣列的水下低頻
聲源定位方法，其特征在于該方法包括以下步驟
(1)在聲源深度遠(yuǎn)小于水下聲波波長(zhǎng)時(shí)，存在著一種反常的聲透射現(xiàn)象，可以在空氣中
測(cè)得從水下透射出來(lái)的聲壓。假定z^0區(qū)域的媒質(zhì)為空氣，2<0區(qū)域內(nèi)的媒質(zhì)為水，點(diǎn)聲 源頻率/為100 Hz且深度z。為0.24 m時(shí)，取參考聲壓； re, = 2x10—5 Pa空間聲壓級(jí)分布見(jiàn)圖 1，單位為dB，其中波數(shù)A:-2^7q , q為水下聲波速度。
在空氣中任意一個(gè)水平面內(nèi)布放兩個(gè)圓形聲傳感器陣列，每個(gè)陣列由在圓周上等角度間隔的^ + l個(gè)聲壓傳感器構(gòu)成，其中S為大于1的任意奇數(shù)。在以第/個(gè)陣列的中心為原點(diǎn)的極 坐標(biāo)系中，方位角為0處的聲傳感器測(cè)得聲壓的頻域幅度為A(^)，方位角為e + ;r處的傳感器 測(cè)得聲壓的頻域幅度為A(^ +力，以A(0為元素組成的序列記錄為P,，以p,W +冗)為元素 組成的序列為p〖，冗為180°，其中"1，2。 fe。很小時(shí)任意水平面內(nèi)，聲壓級(jí)在聲源投影處最 大，且隨著觀察點(diǎn)離投影的水平距離的增大而減少。以&。=0.1為例，不同高度的水平面內(nèi) 聲壓隨水平距離的變化曲線如圖2所示。因此水平圓形陣列中，離聲源投影最近的傳感器測(cè) 得的聲壓最大。如果將陣列中傳感器按方位角相差180°的條件分組，位于聲源投影和陣列中 心連線上的那一組傳感器測(cè)得的聲壓差最大。對(duì)于第/個(gè)陣列中各個(gè)傳感器計(jì)算物理量/,W)，
max(p,.) max(p,. - p〖)
其中max()表示對(duì)^求最大值。J,(0組成的序列J,中，最大值對(duì)應(yīng)的方位角《，即為水平面 內(nèi)聲源投影到陣列中心波達(dá)方向D04,.的估計(jì)值。由兩個(gè)陣列中心和對(duì)應(yīng)的波達(dá)方向估計(jì)值作 兩條直線，如果兩條直線相交，交點(diǎn)就是水平面內(nèi)聲源投影的位置；若兩條直線平行，則需 要在同一水平面內(nèi)現(xiàn)有兩個(gè)陣列中心連線以外，任意選取一點(diǎn)作為中心，重新布置圓形傳感 器陣列估計(jì)波達(dá)方向，由陣列中心和波達(dá)方向作出兩條相交的直線，得到水平面內(nèi)聲源投影 的位置。
(2)根據(jù)水平面內(nèi)聲源投影的位置，建立以聲源在水面投影為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系。在某 個(gè)陣列中任意選取兩個(gè)傳感器，位置坐標(biāo)分別為(x。,y。，z)、 (A,A,z)，測(cè)得聲壓的頻域幅度 為P。和JV差值A(chǔ); -201og』;7。/Al)。在聲源頻率/、水和空氣的密度比w、水和空氣中的 聲速c,和c，已知的條件下，利用公式，
Ap' = 201og
10
fjV(w。，)丄『e勿-ft,一2
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(2)
計(jì)算出聲壓差值A(chǔ)p'隨聲源深度z。的變化曲線，其中仏、《2為積分變量，聲透射系數(shù)
『2附a/0^+^)， ^和//2為水和空氣中豎直方向的波數(shù)分量，//,2 =W -仏2 ，
A:,;2; 77c,， , = 1,2。在的變化曲線中搜索△//= 時(shí)對(duì)應(yīng)的z。，確定水下聲源可能的深 度^,z。2,…,《，上標(biāo)"為正整數(shù)， 〃是變化曲線中厶;/ = ~的個(gè)數(shù)。
(3)除去已選用的兩個(gè)傳感器，該陣列剩余s-l個(gè)傳感器的位置坐標(biāo)為(X2,力,z)， (X3,少3，z)，…,0c^,:^—,，z)，測(cè)得聲壓的頻域幅度為;72,"3,…A。聲源深度為《時(shí)，陣列各 傳感器測(cè)得聲壓與p。的差值為AK^201og"/ 。/;^，其中"=0,1,..,"上標(biāo)"為小于iV的 正整數(shù)。再利用Ap'的計(jì)算公式(2)，可以得到聲壓差的理論值A(chǔ)^:，對(duì)每一個(gè)《計(jì)算并記 錄e(OT)，<附)=g (△《-AP:: )2 附=1,2,…,iV (3)
e(加)對(duì)m的最小值所對(duì)應(yīng)的深度即為水下聲源的深度。
3、有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是在于(l)僅通過(guò)空氣中低頻聲信 息的測(cè)量就可以定位水下聲源。(2)空氣中傳感器布放形式簡(jiǎn)單，只要求在任意一個(gè)水平面內(nèi) 布放兩個(gè)圓形聲傳感器陣列。
四

圖1是fe。 =0.1時(shí)水下低頻聲源透射在豎直剖面上的聲壓分布圖。
圖2是fo。 = 0.1時(shí)空氣中不同水平面內(nèi)聲壓隨水平距離的變化曲線。
圖3是本發(fā)明的傳感器布放示意圖。
圖4是具體實(shí)施例子中水平面內(nèi)波達(dá)方向估計(jì)的結(jié)果。
圖5是具體實(shí)施例子中水平面內(nèi)兩點(diǎn)聲壓差隨聲源深度的變化曲線。
五具體實(shí)施例方式
下面以水下0.24m深，直角坐標(biāo)為(O，0,-0.24)(直角坐標(biāo)的單位均為m)的100 Hz點(diǎn) 聲源的定位為例，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。設(shè)定z》0區(qū)域的媒質(zhì)為空氣，2<0區(qū)域內(nèi)的媒質(zhì) 為水。
1、 在高度、為lm的水平面內(nèi)任意放置一個(gè)傳感器，假設(shè)測(cè)得的聲壓為100Hz的單頻 信號(hào)。以該平面內(nèi)任意兩點(diǎn)^和S為圓心布放兩個(gè)圓形聲傳感器陣列A點(diǎn)直角坐標(biāo)為 (1.7,2.94,1)， B點(diǎn)直角坐標(biāo)為(5.89,3.4,1)，兩個(gè)陣列的半徑均取100 Hz聲波在空氣中波長(zhǎng)的 1/2， B口1.7m，每個(gè)陣列含12個(gè)聲傳感器，等角度間隔分布，具體配置圖見(jiàn)圖3。
2、 對(duì)于傳感器陣列J，以式(l)中的量為觀察值，觀察值的變化曲線如圖4?？梢园l(fā)現(xiàn)圖 4中J的最大值出現(xiàn)在240。，因此在以j為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系內(nèi)，聲源投影到位于方位角為2400 的直線上；類(lèi)似地可以得到聲源投影在以5為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系內(nèi)位于方位角為30°的直線上， 兩條直線的交點(diǎn)(O,O,l)即為投影位置。
3、 以投影位置作垂線，與水平面2 = 0的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系如圖3所示 (本例中新建的直角坐標(biāo)系剛好與原始坐標(biāo)系重合)。在陣列^中任意取兩個(gè)傳感器，坐標(biāo)
為(0.85,1.47,1), (2.55,4.42,1)，測(cè)得的頻域聲壓幅度記為/7。和A ，兩者的聲壓差為9.4犯。 由式(2)計(jì)算得到理論上聲壓差隨水下聲源深度的變化曲線如圖5所示，從該曲線和9.4 dB直 線的交點(diǎn)查得聲源可能的深度為z; =0.24 111或^=3.35 m。
4、 將可能深度^ = 0.24 m和z。2 = 3.35 m依次代入式(3),計(jì)算陣列^中12個(gè)傳感器測(cè)得的聲壓與(0.85,1.47,1)處傳感器測(cè)得的聲壓差A(yù)K^201og,。(]/7。/;7nl)，其中"=0,1，…,11 ' w = l,2。再根據(jù)式(2)計(jì)算得到計(jì)算出理論上的聲壓差值A(chǔ);/，由式(3)計(jì)算聲壓差的平均誤差， 得到<1) = 0 dB， e(2)=0.9dB，因?yàn)閑(l)〈e(2)，所以聲源深度為0.24m?？紤]到聲源在^ = 1 m的平面內(nèi)投影坐標(biāo)為(O，O，l)，因此確定聲源坐標(biāo)為(O, 0,-2.4)。 結(jié)果分析-
采用本發(fā)明提供的水下聲源定位方法，定位結(jié)果與實(shí)際聲源的位置完全一致。因此采用 本發(fā)明提供的方法實(shí)現(xiàn)低頻水下聲源的定位是完全可行的。
權(quán)利要求
1、一種定位水下聲源的方法，其特征在于它包括以下步驟①在空氣中任一水平面內(nèi)布放聲傳感器陣列，在頻域測(cè)量聲壓的幅度；②通過(guò)估計(jì)該水平面內(nèi)聲源豎直投影位置到兩個(gè)傳感器陣列中心的波達(dá)方向確定聲源投影的位置；③任意選取一個(gè)陣列，根據(jù)其中任意兩個(gè)傳感器測(cè)得的聲壓差，估計(jì)水下聲源深度。針對(duì)該陣列，通過(guò)比較各個(gè)估計(jì)深度的傳感器間聲壓差的平均偏差，確定聲源的深度。
2、 如權(quán)利要求1所述的聲傳感器布放方式，其特征在于在空氣中任意一個(gè)水平面內(nèi)布放 兩個(gè)圓形傳感器陣列，每個(gè)陣列由偶數(shù)(大于2)個(gè)傳感器組成，傳感器均勻布放在以陣列 中心為圓心的圓弧上。
3、 如權(quán)利要求1所述的聲源豎直投影位置的估計(jì)方法，其特征在于計(jì)算<formula>formula see original document page 2</formula>其屮，i為陣列序號(hào)，i = l,2。以第!'個(gè)陣列中心為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系中，方位角為^處的聲傳 感器測(cè)得聲壓的頻域幅度為方位角為0 + ;r處的傳感器測(cè)得聲壓的頻域幅度為 A(e + ;r)，以A(e)為元素組成的序列記錄為p,，序列中e為自變量，取值數(shù)目為陣列中傳 感器的個(gè)數(shù)；類(lèi)似地，以A(0 + O為元素組成的序列為P「，兀為180°， max()表示對(duì)^求最 大值。J,(0組成的序列J,中最大值對(duì)應(yīng)的方位角即為聲源投影到陣列中心的波達(dá)方向，由兩 個(gè)陣列中心和對(duì)應(yīng)的波達(dá)方向估計(jì)值作兩條直線，如果兩條直線相交，交點(diǎn)就是水平面內(nèi)聲源投影的位置；若兩條直線平行，則需要在同一水平面內(nèi)現(xiàn)有兩個(gè)陣列中心連線以外，任意 選取一點(diǎn)作為中心，重新布置圓形傳感器陣列估計(jì)波達(dá)方向，由陣列中心和波達(dá)方向作出兩 條相交的直線，得到水平面內(nèi)聲源投影的位置。
4、 如權(quán)利要求1所述的聲源深度估計(jì)方法，其特征在于建立以聲源在水面投影為原點(diǎn)的 直角坐標(biāo)系,任意選取某一個(gè)包含^ + l個(gè)傳感器的圓形陣列，^為大于1的任意奇數(shù)。選擇其 中任意兩個(gè)位于(x。^。,z)和(x,，^,z)的傳感器，測(cè)得的聲壓頻域幅度為; 。和a ，計(jì)算聲壓差 值<formula>formula see original document page 2</formula>在聲源頻率/、水和空氣的密度比m、水和空氣中的聲速q和C2己知的條件下，利用公式，<formula>formula see original document page 2</formula>計(jì)算出聲壓差值A(chǔ)p'隨聲源深度z。的變化曲線，其中a、《2為積分變量，聲透射系數(shù)<formula>formula see original document page 2</formula> a和〃2為水和空氣中豎直方向的波數(shù)分量，<formula>formula see original document page 2</formula>& =2</c,， z' = l,2。在 '的變化曲線中搜索 '=/^時(shí)對(duì)應(yīng)的2。，確定水下聲源可能的深 度^，^2,…,《，上標(biāo)"為正整數(shù)。針對(duì)每個(gè)可能深度《，計(jì)算陣列各傳感器測(cè)得聲壓與p。的差值 《-SOlog^A/^l), 其中上標(biāo)""為小于iV的正整數(shù)，"=0,1,…,s ， A，p3,…凡為陣列中其它位于(X2,h,z)， (x3,y3,Z)，…,(XH,凡q,z)處的傳感器測(cè)得的聲壓頻域幅度。再次利用Ap'的計(jì)算公式，可以 得到相應(yīng)聲壓差的理論值。對(duì)每一個(gè)《計(jì)算并記錄,對(duì)所有/n, e(m)最小值所對(duì)應(yīng)的深度即為水下聲源的深度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種在空氣中布放聲傳感器陣列定位水下低頻聲源的方法，該方法包括以下步驟(1)在空氣中的任意一個(gè)水平面內(nèi)布放兩個(gè)圓形聲傳感器陣列，測(cè)得聲壓信號(hào)估計(jì)出聲源在該水平面內(nèi)投影位置到傳感器陣列的波達(dá)方向，根據(jù)兩個(gè)波達(dá)方向確定水平面內(nèi)聲源投影的位置；(2)任意選取某個(gè)陣列中的兩個(gè)傳感器，基于水下點(diǎn)源低頻聲透射的規(guī)律，給出這兩點(diǎn)處聲壓差隨聲源深度的變化曲線，根據(jù)實(shí)際測(cè)得的聲壓差，通過(guò)一維搜索，確定水下聲源的可能深度。(3)通過(guò)計(jì)算并比較在各種可能深度下，該陣列中所有傳感器間聲壓差的實(shí)測(cè)值與理論值的平均偏差，確定水下聲源的深度。本發(fā)明能夠低成本、簡(jiǎn)便地定位水下目標(biāo)聲源，具有極大的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01S11/14GK101592728SQ20091003358
公開(kāi)日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月24日
發(fā)明者邱小軍, 陶建成 申請(qǐng)人:南京大學(xué)