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基于频差匹配场的水下宽带高频目标被动定位

黎佳艺 周建波 李少猛 石敏 王雅芬

黎佳艺, 周建波, 李少猛, 等. 基于频差匹配场的水下宽带高频目标被动定位[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(1): 74-83 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0136
引用本文: 黎佳艺, 周建波, 李少猛, 等. 基于频差匹配场的水下宽带高频目标被动定位[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(1): 74-83 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0136
LI Jiayi, ZHOU Jianbo, LI Shaomeng, SHI Min, WANG Yafen. Passive Localization of Underwater Broadband High-Frequency Targets Based on Frequency Difference Matching Field[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(1): 74-83. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0136
Citation: LI Jiayi, ZHOU Jianbo, LI Shaomeng, SHI Min, WANG Yafen. Passive Localization of Underwater Broadband High-Frequency Targets Based on Frequency Difference Matching Field[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(1): 74-83. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0136

基于频差匹配场的水下宽带高频目标被动定位

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0136
基金项目: 国家自然科学基金面上项目资助(12274347).
详细信息
    作者简介:

    黎佳艺(1998-), 女, 硕士, 助理工程师, 主要研究方向为水声信号处理

  • 中图分类号: TJ630.33; U675

Passive Localization of Underwater Broadband High-Frequency Targets Based on Frequency Difference Matching Field

  • 摘要: 高频信号在传播过程中易受环境不确定性的影响, 导致传统匹配场方法在高频段定位性能退化。为改善这一问题, 文中给出了基于频差匹配场的高频信号被动定位方法, 对高频带宽内不同频率的阵列接收数据进行二次积处理, 以构造远小于原频率差频处的声场结构。在差频处应用已建立的匹配场定位算法, 将宽带高频信号降低到低频段处理。首先, 给出了频差法的原理并对浅海多径传播到达掠射角进行准确估计, 在此基础上, 分别给出了适用于浅海和深海的频差匹配场物理模型。最后, 通过仿真证明了文中所提方法在不确定环境中对高频信号定位性能明显优于传统方法。

     

  • 图  1  声速剖面图

    Figure  1.  Profile of sound velocity

    图  2  阵列接收时域波形

    Figure  2.  Time domain waveform of array received signals

    图  3  高频宽带常规波束形成

    Figure  3.  Conventional beamforming of high frequency broadband

    图  4  低频窄带常规波束形成

    Figure  4.  Conventional beamforming of low frequency narrow band

    图  5  高频宽带频差波束形成

    Figure  5.  Frequency difference beamforming of high frequency broadband

    图  6  浅海频差匹配场处理流程图

    Figure  6.  Flow chart of shallow water frequency difference matching field processing

    图  7  声速剖面图

    Figure  7.  Profile of sound velocity

    图  8  65 Hz声源声场相位图

    Figure  8.  Sound field phase diagram of 65 Hz sound source

    图  9  5 Hz差频下频差积相位图

    Figure  9.  Frequency difference product phase diagram at 5 Hz difference frequency

    图  10  5 Hz差频下权向量相位图

    Figure  10.  Weight vector phase diagram at 5 Hz difference frequency

    图  11  常规匹配场定位

    Figure  11.  Positioning of conventional matched field

    图  12  浅海频差匹配场定位

    Figure  12.  Positioning of shallow water frequency difference matching field

    图  13  宽带匹配场定位结果

    Figure  13.  Positioning results of broadband matched field

    图  14  浅海频差匹配场定位结果

    Figure  14.  Positioning results of shallow water frequency difference matching field

    图  15  深海频差匹配场定位结果

    Figure  15.  Positioning results of deep-sea frequency difference matching field

    图  16  基于相位匹配的深海频差匹配场定位结果

    Figure  16.  Positioning results of deep sea frequency difference matching field based on phase matching

    表  1  浅海仿真环境参数

    Table  1.   Environment parameters of shallow water simulation

    海深/m 海底声速/(m/s) 海底密度/(g/cm3) 海底衰减/(dB/λ)
    75 1 668 1.806 0.692
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    表  2  深海仿真环境参数

    Table  2.   Deep sea simulation environment parameters

    海深/m 海底声速/(m/s) 海底密度/(g/cm3) 海底衰减/(dB/λ)
    6 370 2 000 1.8 0.1
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    表  3  4种定位算法对比

    Table  3.   Comparison of four positioning algorithms

    算法 频率 权向量
    范围 实测数
    据处理
    幅度权重 相位权重
    宽带匹配场定位 带内频率 $p(\omega )$ $ \left| {p(\omega )} \right| $ $ \arg \left| {p(\omega )} \right| $
    浅海频差匹配场定位 带内频
    率之下
    $A{_\Delta}(\omega ,\Delta \omega )$ $ \left| {p(\omega )} \right| $ $ \arg \left| {p(\omega )} \right| $
    深海频差匹配场定位 带内频
    率之下
    $A{_\Delta}(\omega ,\Delta \omega )$ $ \left| {p(\omega )} \right| $ $ \arg \left| {A(\Delta \omega )} \right| $
    基于相位匹配的深
    海频差匹配场定位
    带内频
    率之下
    $A{_\Delta}(\omega ,\Delta \omega )$ 1 $ \arg \left| {A(\Delta \omega )} \right| $
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    表  4  浅海定位算法偏移对比

    Table  4.   Deviation comparison of shallow water positioning algorithms

    算法深度偏移/m距离偏移/km
    常规匹配场定位42 0.6
    浅海频差匹配场定位1.00.2
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    表  5  深海定位算法偏移对比

    Table  5.   Deviation comparison of deep-sea positioning algorithms

    算法 深度偏移/m 距离偏移/km
    单个频
    率/差频
    多个频率
    /差频非相
    干平均
    单个
    差频
    多个频率
    /差频非相
    干平均
    常规匹配场定位 300 0 150 55
    浅海频差匹配场定位 1 400 3 500 106 191
    深海频差匹配场定位 0 0 0 0
    基于相位匹配的深海
    频差匹配场定位
    0 0 0 0
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-09-11
  • 修回日期:  2024-11-04
  • 录用日期:  2024-11-12
  • 网络出版日期:  2025-01-20

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