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一种基于大孔径水平阵的浅海声源被动测距方法

陈亚伟 邢孟道 王俊 杨予昊

陈亚伟, 邢孟道, 王俊, 杨予昊. 一种基于大孔径水平阵的浅海声源被动测距方法[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(12): 4125-4133. doi: 10.11999/JEIT211111
引用本文: 陈亚伟, 邢孟道, 王俊, 杨予昊. 一种基于大孔径水平阵的浅海声源被动测距方法[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(12): 4125-4133. doi: 10.11999/JEIT211111
CHEN Yawei, XING Mengdao, WANG Jun, YANG Yuhao. A Passive Ranging Method for Shallow Water Sound Sources Based on Large Aperture Horizontal Array[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(12): 4125-4133. doi: 10.11999/JEIT211111
Citation: CHEN Yawei, XING Mengdao, WANG Jun, YANG Yuhao. A Passive Ranging Method for Shallow Water Sound Sources Based on Large Aperture Horizontal Array[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(12): 4125-4133. doi: 10.11999/JEIT211111

一种基于大孔径水平阵的浅海声源被动测距方法

doi: 10.11999/JEIT211111
详细信息
    作者简介:

    陈亚伟:男,1985年生,博士生,高级工程师,研究方向为水声阵列信号处理

    邢孟道:男,1975年生,教授,博士生导师,研究方向为雷达成像、动目标检测

    王俊:男,1969年生,教授,博士生导师,研究方向为外辐射源雷达理论

    杨予昊:男,1983年生,研究员级高级工程师,研究方向为雷达信号处理

    通讯作者:

    陈亚伟 perse_1@163.com

  • 中图分类号: TN929.3

A Passive Ranging Method for Shallow Water Sound Sources Based on Large Aperture Horizontal Array

  • 摘要: 面向浅海水下声源的被动测距需求,该文提出一种基于大孔径水平阵的简正波分离与测距方法。该方法针对频率波数域模态曲线弯曲导致的同阶简正波分离处理复杂的问题,在各阶简正波截止频率不随信号频率变化的条件下,提出基于波数伸缩的简正波模态对齐方法,实现不同阶简正波的有效分离。通过非线性相位补偿实现多阶简正波的能量聚焦,结合距离遍历、峰值提取实现声源距离的被动估计。该方法可获得空域、频域增益,实现多模态能量的累积,为微弱声源目标的距离估计提供了新的技术途径。最后,结合仿真数据验证了方法的有效性。
  • 图  1  声源与阵列的空间位置俯视图

    图  2  频率-波数域简正波模态对齐处理示意图

    图  3  算法流程图

    图  4  仿真海洋环境参数及水平阵的布放示意图

    图  5  方位旋转与波数伸缩处理后的水平阵的频率波数图

    图  6  能量谱峰值随距离变化的结果

    图  7  非线性相位补偿前后的距离波数谱发散情况

    图  8  最优距离补偿前后的距离能量谱

    图  9  SNR=–20 dB时波数伸缩后的频率-波数谱与距离能量谱结果

    图  10  SNR=–30 dB时波数伸缩后的频率-波数谱与距离能量谱结果

    图  11  SNR=–40 dB时波数伸缩后的频率-波数谱与距离能量谱结果

    表  1  不同信噪比下的声源测距结果

    输入信噪比(dB)测距均值(km)平均误差(m)标准差(m)
    –209.7595–240.503.29
    –259.7590–240.108.53
    –309.7587–241.3010.36
    –359.7592–240.8079.62
    –409.7097–290.27112.74
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    表  2  不同阵列长度的声源测距结果

    阵列长度(m)测距结果(km)相对误差
    5009.564.4%R
    10009.623.8%R
    15009.752.5%R
    20009.762.4%R
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    表  3  不同频段LFM信号的声源测距结果

    处理频段(Hz)测距结果(km)相对误差
    100~40017.5912.05%R
    200~50017.9610.20%R
    300~60019.253.75%R
    400~70019.741.30%R
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    表  4  不同距离的声源测距结果

    声源距离(km)测距结果(km)相对误差
    109.762.40%R
    2019.253.75%R
    3028.724.36%R
    4038.194.52%R
    5046.387.24%R
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  • [1] 李启虎. 水下目标被动测距的一种新方法: 利用波导不变量提取目标距离信息[J]. 声学学报, 2015, 40(2): 138–143. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2015.02.004

    LI Qihu. A new method of passive ranging for underwater target: Distance information extraction based on wave guide invariant[J]. Acta Acustica, 2015, 40(2): 138–143. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2015.02.004
    [2] 戚聿波, 周士弘, 任云, 等. 浅海中利用单水听器的声源被动测距[J]. 声学学报, 2015, 40(2): 144–152. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2015.02.005

    QI Yubo, ZHOU Shihong, REN Yun, et al. Passive source range estimation with a single receiver in shallow water[J]. Acta Acustica, 2015, 40(2): 144–152. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2015.02.005
    [3] 杨坤德, 段睿, 李辉, 等. 水下声源定位理论与技术[M]. 北京: 电子工业出版, 2019: 116–125.

    YANG Kunde, DUAN Rui, LI Hui, et al. Theory and Technology of Underwater Sound Source Location[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2019: 116–125.
    [4] 王宁, 高大治, 王好忠. 频散、声场干涉结构、波导不变量与消频散变换[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2010, 31(7): 825–831. doi: 10.3969/j.issn.1006-7043.2010.07.002

    WANG Ning, GAO Dazhi, and WANG Haozhong. Mode dispersion, interference, waveguide invariance and the dedispersion transform[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2010, 31(7): 825–831. doi: 10.3969/j.issn.1006-7043.2010.07.002
    [5] WALKER S C, ROUX P, and KUPERMAN W A. Data-based mode extraction with a partial water column spanning array[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2005, 118(3): 1518–1525. doi: 10.1121/1.1993149
    [6] NICOLAS B, MARS J I, and LACOUME J L. Source depth estimation using a horizontal array by matched-mode processing in the frequency-wavenumber domain[J]. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, 2006, 2006: 065901. doi: 10.1155/ASP/2006/65901
    [7] 梁玉权, 周士弘, 宫在晓, 等. 水平阵信号压缩感知用于简正波分离[J]. 声学学报, 2020, 45(5): 609–624. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2020.05.001

    LIANG Yuquan, ZHOU Shihong, GONG Zaixiao, et al. Normal mode separation based on compressive sensing with a horizontal array[J]. Acta Acustica, 2020, 45(5): 609–624. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2020.05.001
    [8] 高伟. 浅海波导中简正波相干分量的奇异值分解提取方法[J]. 声学学报, 2016, 41(1): 41–48. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2016.01.005

    GAO Wei. Extracting the interference components of normal modes in shallow water waveguide using singular value decomposition method[J]. Acta Acustica, 2016, 41(1): 41–48. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2016.01.005
    [9] 徐国军, 笪良龙, 李玉阳. 基于波导不变性的水平阵列测距研究[J]. 舰船科学技术, 2015, 37(10): 81–84. doi: 10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.017

    XU Guojun, DA Lianglong, and LI Yuyang. Research on the source ranging with the horizontal array based on the waveguide invariant theory[J]. Ship Science and Technology, 2015, 37(10): 81–84. doi: 10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.017
    [10] 余赟, 惠俊英, 赵智勇, 等. 基于声场干涉结构的双水平阵(元)被动测距[J]. 声学学报, 2012, 37(4): 440–447. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2012.04.002

    YU Yun, HUI Junying, ZHAO Zhiyong, et al. Passive ranging based on acoustic field interference structure using double arrays (elements)[J]. Acta Acustica, 2012, 37(4): 440–447. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2012.04.002
    [11] TURGUT A, ORR M, and ROUSEFF D. Broadband source localization using horizontal-beam acoustic intensity striations[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2010, 127(1): 73–83. doi: 10.1121/1.3257211
    [12] 宋雪晶, 赵安邦, 马骏, 等. 基于波导不变量的单水平阵被动测距技术[J]. 系统工程与电子技术, 2016, 38(10): 2252–2257. doi: 10.3969/J.ISSN.1001-506X.2016.10.05

    SONG Xuejing, ZHAO Anbang, MA Jun, et al. Passive ranging with horizontal array based on waveguide invariant[J]. Systems Engineering and Electronics, 2016, 38(10): 2252–2257. doi: 10.3969/J.ISSN.1001-506X.2016.10.05
    [13] YANG T C. Beam intensity striations and applications[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2003, 113(3): 1342–1352. doi: 10.1121/1.1534604
    [14] 徐国军, 赵建昕, 笪良龙, 等. 频率自适应最优权重阵列干涉条纹处理技术[J]. 声学学报, 2017, 42(3): 257–266. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2017.03.001

    XU Guojun, ZHAO Jianxin, DA Lianglong, et al. A frequency adaptive optimal array weighted method of interference striations[J]. Acta Acustica, 2017, 42(3): 257–266. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2017.03.001
    [15] NIU Haiqiang, OZANICH E, and GERSTOFT P. Ship localization in Santa Barbara Channel using machine learning classifiers[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2017, 142(5): EL455–EL460. doi: 10.1121/1.5010064
    [16] NIU Haiqiang, REEVES E, and GERSTOFT P. Source localization in an ocean waveguide using supervised machine learning[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2017, 142(3): 1176–1188. doi: 10.1121/1.5000165
    [17] 保铮, 邢孟道, 王彤. 雷达成像技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005: 38–39.

    BAO Zheng, XING Mengdao, and WANG Tong. Radar Imaging Techniques[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2005: 38–39.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-11
  • 修回日期:  2022-05-14
  • 网络出版日期:  2022-05-20
  • 刊出日期:  2022-12-16

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