技术领域 [0001]本发明涉及一种海上浮标，具体地说是涉及一种具有水下噪声源被动定位功能的海上浮标，以及基于该海上浮标的定位方法。 背景技术 [0002]浮标，是指浮于水面上的一种航标，是指锚定在指定位置，用以标示航道范围，指示浅滩、碍航物或表示专门用途的水面助航标志。现在有的多功能浮标还装载有雷达应答器、无线电指向标、雾警信号和海洋调查仪器等设备，集成功能越来越多。但是随着当前航运量发展、领土争端等多方面原因，海上浮标容易遭到船舶撞击或者遭到蓄意破坏，尤其是搭载有精密调查仪器设备的海洋调查浮标，抗破坏能力更弱。浮标作为海上无人值守的平台，遭到破坏后不易搜集破坏证据。 发明内容 [0003]基于上述技术问题，本发明提供一种具有水下噪声源被动定位功能的海上浮标及定位方法。 [0004]本发明所采用的技术解决方案是： [0005]一种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，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。 [0006]优选的，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。 [0007]优选的，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。 [0008]优选的，在浮标本体上设置有摄像装置。 [0009]一种水下噪声源被动定位方法，采用上述的海上浮标，包括以下步骤： [0010]步骤一、采用自适应门限检测方法对水下噪声源判别 [0011]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； [0012]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 [0013](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； [0014](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； [0015](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： [0016]利用M₁～M₆ 6个阵元组成空间坐标系中的三个四元十字阵 [0017]分别为xoy面，4个阵元组合M₁,M₂,M₃,M₄ [0018]分别为yoz面，4个阵元组合M₂,M₅,M₄,M₆ [0019]分别为xoz面，4个阵元组合M₁,M₅,M₃,M₆ [0020]A：xoy面十字阵，4个阵元M₁,M₂,M₃,M₄ [0021]得出 [0022]B：yoz面，4个阵元组合M₂,M₅,M₄,M₆ [0023]得出 [0024]C:xoz面，4个阵元组合M₁,M₅,M₃,M₆ [0025]得出 [0026]其中d₁₂＝τ₁₂c，d₁₃＝τ₁₃c，d₁₄＝τ₁₄c，d₁₅＝τ₁₅c，d₁₆＝τ₁₆c，d₂₄＝τ₂₄c，d₂₅＝τ₂₅c，d₂₆＝τ₂₆cτ_ij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)； [0027](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； [0028]以线列阵为例，该阵元位置为M_i(x_i,y_i,z_i)，则有 [0029] [0030]c为声速；t_i为第i个阵元所测时延； [0031]以x轴三元线列阵为例 [0032] [0033]得到 [0034]得出 [0035]y存在二值：即线列声压阵存在的左右舷模糊问题； [0036](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。 [0037]优选的，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； [0038]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。 [0039]优选的，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。 [0040]优选的，所述阵元为声压阵元。 [0041]优选的，上述定位方法还包括： [0042]步骤三、启动摄像装置，对定位的噪声源进行拍照取证。 [0043]本发明的有益技术效果是： [0044](1)浮标在海上使用时，一般通过蓄电池或者太阳能电池板提供电源，电源具有有限且不稳定的特性，而且浮标上搭载的各种设备需要长期工作，功耗较大，因此本发明在不改变现有浮标结构和功能的条件下，设计了一种可用于对靠近浮标的水下噪声源进行定位、且功耗低的浮标；其中噪声源定位采用声压被动定位方式(门限检测方式为自适应双门限频谱感知方式)，当水下噪声源累积功率超过自适应门限检测时，通过多声压阵元(声压传感器)对水下噪声源进行定位；定位后启动浮标上的摄像装置或者其它记录设备对靠近浮标的噪声源进行摄像等取证行为。 [0045](2)本发明在浮标入水部分的下端通过软尼龙绳悬挂多阵元，阵元下方通过软尼龙绳挂着重物，尽可能的保证多阵元在波浪起伏或者恶劣海况条件下导致的浮标晃动的情况下多阵元稳定性。软尼龙绳上随机绑有布条流苏，其目的在于减少水流冲击尼龙绳造成的流噪声。 附图说明 [0046]下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明： [0047]图1为本发明具有水下噪声源被动定位功能的海上浮标的结构示意图； [0048]图2为在三维坐标系上确立阵元坐标的示意图。 具体实施方式 [0049]如图1所示，一种具有水下噪声源被动定位功能的海上浮标，包括浮标本体1，在浮标本体1的底部连接有锚链2，在锚链2的底部连接有重力锚3，重力锚3固定在海底。在浮标本体1上还连接有尼龙绳4，在尼龙绳4上设置有噪声源定位阵元装置5，所述噪声源定位阵元装置5包括第一支撑杆501、第二支撑杆502和第三支撑杆503，所述第一支撑杆501、第二支撑杆502和第三支撑杆503均相互交叉垂直布置，共同连接成XYZ三维直角坐标系结构。在第一支撑杆501、第二支撑杆502和第三支撑杆503上分别设置有偶数个声压传感器504，且第一支撑杆501、第二支撑杆502或第三支撑杆503上的声压传感器504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。 [0050]作为对本发明的进一步设计，在第一支撑杆501、第二支撑杆502和第三支撑杆503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。声压传感器采用该布置方式能够较为精确的进行噪声源定位。 [0051]进一步的，在尼龙绳4上间隔设置有用于减少流噪声的布条流苏6，在尼龙绳的底部连接有金属坠7，以尽可能的保证多阵元在波浪起伏或者恶劣海况条件下导致的浮标晃动的情况下多阵元稳定性。 [0052]更进一步的，在浮标本体1上设置有摄像装置8，以在对噪声源进行定位后启动摄像功能进行取证。 [0053]利用上述海上浮标进行水下噪声源被动定位的方法，包括以下步骤： [0054]步骤一、采用自适应门限检测方法对水下噪声源判别 [0055]因为海上浮标多采用电池或者太阳能电池板供电，电量有限且不稳定，因此不能采用实时探测的方法进行探测。此外，海面和海水中的噪声强度变化快，起伏大，因此在检测过程中设置检测门限时并未采用固定门限值来设置门限，而是采用自适应双门限频谱感知算法，具体介绍如下： [0056]首先对各个阵元接收到的信号进行算数平均滤波得到x(t)，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(固定门限方法)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。 [0057]自适应门限设置：在能量检测法(固定门限方法)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。 [0058]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。通过这种门限设置方法在保证检测概率的同时，又使得在信道质量好的时候降低算法复杂度，减少系统功耗。 [0059]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。 [0060]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 [0061]传统的使用声压阵元进行声源定位的方法主要有线列阵、十字阵、圆阵等阵型，这些阵型在使用过程中都存在一些不可避免的问题，比如线列阵定位方法中存在声源目标左右舷不分的问题，十字阵在估计距离时有较大误差，其次在估计仰角时需要声源和多阵元之间的仰角较大时才有较高精度。因此本发明提出了一种利用直角坐标系轴上的多阵元进行被动声源定位的方法，利用直角坐标系X、Y、Z三个轴上的以原点为对称点的6m+n(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)个阵元，如图2所示。 [0062]则在空间坐标系中有阵元坐标为M₁(L,0,0)，M₂(0,L,0)，M₃(-L,0,0)，M₄(0,-L,0)，M₅(0,0,L)，M₆(0,0,-L)，M₇(3L,0,0),M₈(0,3L,0),M₉(-3L,0,0),M₁₀(0,-3L,0),M₁₁(0,0,3L),M₁₂(0,0,-3L)......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(最少为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。 [0063]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等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： [0064]利用M₁～M₆6个阵元组成空间坐标系中的三个四元十字阵 [0065]分别为xoy面，4个阵元组合M₁,M₂,M₃,M₄ [0066]分别为yoz面，4个阵元组合M₂,M₅,M₄,M₆ [0067]分别为xoz面，4个阵元组合M₁,M₅,M₃,M₆ [0068]A：xoy面十字阵。4个阵元M₁,M₂,M₃,M₄ [0069]得出 [0070]B：yoz面，4个阵元组合M₂,M₅,M₄,M₆ [0071]得出 [0072]C:xoz面，4个阵元组合M₁,M₅,M₃,M₆ [0073]得出 [0074]其中d₁₂＝τ₁₂c，d₁₃＝τ₁₃c，d₁₄＝τ₁₄c，d₁₅＝τ₁₅c，d₁₆＝τ₁₆c，d₂₄＝τ₂₄c，d₂₅＝τ₂₅c，d₂₆＝τ₂₆c [0075]τ_ij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)； [0076]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(无法满足十字阵的情况下)或者间距为4L(随着阵元数目增加，可以更大，但是要小于半波长)的十字阵(线列阵方法如下，十字阵方法同上)。 [0077]以线列阵为例，该阵元位置为M_i(x_i,y_i,z_i)，则有 [0078] [0079]c为声速；t_i为第i个阵元所测时延； [0080]以x轴三元线列阵为例 [0081] [0082]得到 [0083]得出 [0084]y存在二值：即线列声压阵存在的左右舷模糊问题。 [0085]最后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。 [0086]上述方法中，最少需要六个阵元组成三个十字阵进行测量定位，以图中所示为例，12个阵元，组成共计有间距为2L的十字阵三个，间距为4L的十字阵三个，间距为2L的四元线列阵三条，每一个阵型都是进行单独时延定位，最后对每一个阵型的处理结果加权求平均，以有效解决传统水下声源被动定位的缺点。 [0087]以上阵元为声压阵元，具体为声压传感器，空气、水中均可使用，要求阵元间距小于半波长＝(声速/频率)/2。 [0088]上述方法中，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。 [0089]下面对本发明方法作如下补充说明： [0090]1、声功率与声压之间的关系，用于门限检测，即根据能量进行上下门限检测 [0091]W＝(P^2*S)/ρc，其中P为声压，即声压传感器测得的值，单位为pa；S为声波垂直通过声压传感器的面积，即声压传感器的面积，单位为m²，这个值已知，属于对硬件设备的测量；ρc为声传播媒质的特性阻抗，单位为瑞利，即帕*秒/米(pa*s/m)，这个值也是已知，可以在需要使用的区域提前实际测量确定该值大小，或者使用默认的海水的特性阻抗值。 [0092]2、检测概率和虚警概率之间的关系(这里把涉及两者的所有因素给出了全面解释，包括判决概率，检测概率，虚警概率，漏报概率)； [0093]噪声源实际目标有两种情况，有或者无；检测判决也有两种情况，有或者无；则共有四种情况，即有目标，可能检测为有，也可能检测为无，没有目标，可能检测为有，也可能检测为无。 [0094](1)实际是H₀假设为真，而判决检测为H₀为真； [0095](2)实际是H₀假设为真，而判决检测为H₁为真； [0096](3)实际是H₁假设为真，而判决检测为H₀为真； [0097](4)实际是H₁假设为真，而判决检测为H₁为真； [0098]则正确的判决检测为(1)(4)，错误的判决检测为(2)(3)。 [0099]对应于每一种判决检测结果，有相应的判决检测概率P(D_j|H_i)(i,j＝0,1)，假设H_i为真的条件下，判决检测H_j成立的概率；在假设H_i为真的条件下，判决检测量(x|H_i)的概率密度函数为f(x|H_i)，由于判决检测量(x|H_i)落在判决空间D_i，则判决H_i成立，所以判决概率有其中i,j＝0,1，对于判决概率，我们希望正确的判决概率尽可能大，而错误判决概率尽可能小。(判决概率是评价检测性能的重要因素之一) [0100]代价函数C_ij:表示实际是H_j假设为真，而判决为H_i假设为真所付出的代价。也称为风险函数。 [0101]正确的判决无代价：C₀₀＝C₁₁＝0； [0102]检测概率：正确判决的概率P(D₁|H₁)和P(D₀|H₀)；实际有噪声源目标，检测为有噪声源目标，或者，实际没有噪声源目标，检测为没有噪声源目标的概率。 [0103]虚警：实际H₀假设为真，而判决为H₁假设为真(实际没有噪声源目标，检测为有噪声源目标)。又称为第一类错误。虚警引入的代价称为虚警代价C₀₁。虚警发生的概率(虚警概率)为：P(D₁|H₀)称为虚警概率。 [0104]漏报：实际H₁假设为真，而判决为H₀假设为真。称为第二类错误。漏报引入的代价称为漏报代价C₁₀。漏报发生的概率为：P(D₀|H₁)称为漏报概率。 [0105]3、信号异常检测算法 [0106]这里异常与否是通过比较概率大小得到； [0107]传统的频谱感知算法，多利用接收信号的周期平稳特性实施信号的检测和辨识，虽然传统的方法如傅里叶变化等对时间平稳且规则的信号提供了完整的描述，但是对于自然界中大量存在的带有奇异性的不规则信号来讲，传统方法往往难以奏效，比如水声信道中，在许多情况下，目标声源和噪声频谱差异性很大，可以利用目标声源和噪声的频域特征检测异常。 [0108]异常检测感知算法： [0109]其中M为小波分层的层数，m代表各个不同的小波层，N(m)表示第m层小波系数的总数。分别表示噪声和异常(存在目标噪声源的小波系数的方差)，V₀表示预先提取的噪声的方差参数，V₁表示预先提取的异常(存在目标噪声源头)的方差参数，为第m层的小波系数。 [0110](1)对输入语音信号进行抽样，对离散化的语音信号进行分帧，记为R_i(0＜i＜D)，D为帧总数。 [0111](2)对第i帧R_i进行M层的db N小波变换，N称为消失矩，N越大，小波分解得到的高频系数越小，就有更多的高频系数为0，去噪、压缩效果也更好，一般选用N值大的小波，N范围为0-9。这里所得的小波系数记为 [0112]信号为噪声(不存在目标噪声源)的概率： [0113]信号为存在目标噪声源(异常)的概率 [0114] [0115]通过上述两式分别进行计算，如果则为(存在目标噪声源)异常，否则标识此帧为噪声(无目标噪声源)。