CN107651119B 有效 具有水下噪声源被动定位功能的海上浮标及定位方法
1.一种水下噪声源被动定位方法,采用具有水下噪声源被动定位功能的海上浮标,包括浮标本体,在浮标本体的底部连接有锚链,在锚链的底部连接有重力锚,重力锚固定在海底,其特征在于:在浮标本体上还连接有尼龙绳,在尼龙绳上设置有噪声源定位阵元装置,所述噪声源定位阵元装置包括第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆,所述第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆均相互交叉垂直布置,共同连接成三维坐标系结构,在第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆上分别设置有偶数个声压传感器,且第一支撑杆、第二支撑杆或第三支撑杆上的声压传感器均沿第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆的交点呈对称分布;
水下噪声源被动定位方法具体包括以下步骤:
步骤一、采用自适应门限检测方法对水下噪声源判别
首先对各个声压传感器接收到的信号进行处理,对处理过的信号x(t)进行双门限能量检测,以λ1,λ2作为能量检测的上下门限,若累积能量Y>λ1,则认为所选频谱被占用;若Y<λ2,则认为所选频谱空闲;若λ2≤Y≤λ1,则认为利用能量检测法无法判决所选频谱的占用状态,定义该区域为不可靠区S,此时再对处理过的信号x(t)进行循环平稳特征检测;
步骤二、采用多阵元混合定位方法对判别出的水下噪声源进行被动声源定位
(1)利用三维坐标系X、Y、Z三个轴上的以原点为对称点的6m+n个阵元,m≥1,n≥0,且n为偶数,必须在一个轴上,且关于坐标系原点对称确立阵元坐标;
(2)以原点o为中心,对称分布于x,y,z轴上,其中M1-M6为6个阵元,组成XOY、YOZ、XOZ三个平面坐标系上的十字阵,此外有6(m-1)+n个阵元呈十字阵或线列阵布置在其中;
(3)设声源位置为S(x,y,z),声源距坐标原点距离为r,声源S到阵元M1的距离为R1,声源S到阵元M2的距离为R2,d12,d13,d14为阵元之间的声程差,以d12为例进行说明,d12为目标到阵元1和阵元2的距离之差,则根据目标和声阵的几何位置关系有:
利用M1~M6 6个阵元组成空间坐标系中的三个四元十字阵
分别为xoy面,4个阵元组合M1,M2,M3,M4
分别为yoz面,4个阵元组合M2,M5,M4,M6
分别为xoz面,4个阵元组合M1,M5,M3,M6
A:xoy面十字阵,4个阵元M1,M2,M3,M4
得出
B:yoz面,4个阵元组合M2,M5,M4,M6
得出
C:xoz面,4个阵元组合M1,M5,M3,M6
得出
其中d12=τ12c,d13=τ13c,d14=τ14c,d15=τ15c,d16=τ16c,d24=τ24c,d25=τ25c,d26=τ26ij为声源到阵元i和j的时延差,c为声速,目标声源坐标(x,y,z);
(4)剩余6(m-1)+n个阵元可任意放在x轴,y轴,z轴上,并与x或y或z轴上的阵元组成间距为2L的线列阵或者间距为4L的十字阵;
以线列阵为例,该阵元位置为Mi(xi,yi,zi),则有
c为声速;ti为第i个阵元所测时延;
以x轴三元线列阵为例
得到
得出
y存在二值:即线列声压阵存在的左右舷模糊问题;
(5)利用各十字阵和线列阵通过计算时延差得到值做求平均处理,得到一个较为准确的目标声源位置。
2.根据权利要求1所述的一种水下噪声源被动定位方法,其特征在于:在第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆上均设置有4个声压传感器,沿交点呈两两对称分布,其中距离交点较远的声压传感器与交点之间的距离为距离交点较近的声压传感器与交点之间距离的两倍。
3.根据权利要求1所述的一种水下噪声源被动定位方法,其特征在于:在尼龙绳上间隔设置有用于减少流噪声的布条流苏,在尼龙绳的底部连接有金属坠。
4.根据权利要求1所述的一种水下噪声源被动定位方法,其特征在于:在浮标本体上设置有摄像装置。
5.根据权利要求1所述的一种水下噪声源被动定位方法,其特征在于,所述步骤一:在能量检测法中,判决门限λ是依据期望检测概率的要求设置的,但由于信道环境的不确定性,当接收信号能量值在门限λ附近时很难做出可靠判断,为此,定义一个范围为判决的不可靠区,即λ1=kλ;λ2=λ/k,式子中k≥1为不可靠区S的范围调整因子,且有Δ=10logk;通过检测信道保护带宽内的噪声能量可以近似估计该信道内的信噪比,从而得到信道状态,为了适应信道变化,依据估计的信道信噪比信息动态设置门限;如果实际检测概率比期望检测概率低,就适当增大λ1和λ2之间的距离,即增大k值,如果实际检测概率比期望检测概率高,就减小k值;当信道质量足够好时,令k=1,此时λ1=λ2=λ,实行单门限检测。
6.根据权利要求1所述的一种水下噪声源被动定位方法,其特征在于,所述步骤一:为了避免过于频繁的调整门限,引入期望检测概率范围因子a,当实际检测概率高于低于时才调整门限,若检测概率处于二者之间则不必调整,这里为期望检测概率,a的取值应远小于1,以保证尽可能达到期望的检测概率。
7.根据权利要求1所述的一种水下噪声源被动定位方法,其特征在于:所述阵元为声压阵元。
8.根据权利要求1所述的一种水下噪声源被动定位方法,其特征在于还包括:
步骤三、启动摄像装置,对定位的噪声源进行拍照取证。
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