基于海洋声学预报的稳健水下目标定位方法研究

The spatial and temporal variations in underwater acoustic channel parameters make it difficult to characterize the channel accurately, resulting in an uncertain ocean acoustic environment. This uncertainty can cause severe performance degradation in sonar detection and localization algorithms that rely on precise knowledge of the environmental parameters. The research on environmental adaptive underwater acoustic signal processing methods has become a research focus. Under this background, this work will make a research on robust target localization based on ocean acoustic prediction. The work will make a research on the theory and methods of ocean acoustic prediction first, and then construct the ocean acoustic prediction model. The uncertainty propagation in the ocean prediction will be studied and the uncertainty in the prediction result will be quantified. The ocean acoustic prediction result will be used to localize the target based on Bayes' theorem. Finally, the proposed method with be verified using the real sea experimental data. The meaning of this work is that we have fully utilized the priori information based on the ocean dynamic model to improve the performance of the signal localization, which is valuable for military application.

海洋声场环境的时变不确定性严重制约了水下声呐设备的工作性能，因此环境适应性的水声信号处理理论和方法成为了近年来研究热点。本项目以此为背景，探索基于海洋声学预报的稳健水下目标定位方法。项目主要内容为：研究海洋声学预报的理论和方法，建立海洋声学预报模型；分析和研究不确定性在海洋声学预报中的传递过程，实现对不确定性输出结果的量化描述；基于贝叶斯原理，将海洋声学预报输出结果及其不确定性量化描述应用到水下目标定位方法中；利用海上实测数据验证所提方法实际性能。项目的研究意义在于：结合海洋动力学理论，充分利用了物理海洋环境的先验信息，得到最优贝叶斯稳健目标定位方法，可以有效提高水下目标定位概率，具有重要的军事应用价值。

如何在不确定性的海洋声场环境中实现目标的稳健定位一直是海洋声学领域研究的热点，本项目重点考虑利用海洋声学预报模型结果来提高声纳的定位能力。为了达到这个目标，本项目从以下4个方面开展了研究：1）海洋声学预报理论和方法基础研究，2）环境-声场不确定性传递计算研究，3）基于海洋声学预报的稳健水下目标定位方法研究和4）同步式自容水听器水声信号采集系统。通过以上几个方面内容的研究，取得了相应的结果如下：.1）与其他课题一道合作搭建了全球海洋声学预报模式，可以为全球范围内的海洋声传播损失计算和声纳效能评估等提供大范围的数据支持。.2）提出了一种新的基于多项式-克里金方法(PC-Kriging)的代理建模方法, 可以高效地计算海洋环境参数至声场之间的不确定性传递过程。该方法使用多项式方法来提取系统响应的全局趋势, 使用克里金方法逼近局地响应。仿真结果表明: PC-Kriging代理建模方法在逼近精度上优于单独使用多项式或者克里金方法, 传播损失PDF也与蒙特卡罗方法结果吻合得较好。.3）提出了一种基于合成孔径波束形成的被动定位方法。该方法首先基于合成孔径波束形成方法获得运动目标的速度，进而得到目标距离。继续利用目标距离和合成孔径波束形成方法获得目标所激发的各阶模态对应的模态系数，可以实现对目标的测深。由于目标速度和模态系数信息是从数据解算得到的，匹配模型只需要知道标称的声速剖面和地声参数信息，方法的环境宽容度高。.4）新提出了一种同步式自容水听器水声信号采集方法和系统，兼具自容式水听器布放灵活性和高精度同步性。该系统相关的专利已经获得授权，相关设备也已经基本研发完毕。.基于以上结果，发表论文3篇，其中SCI、EI论文两篇，授权发明专利3项。本项目在不确定性传递定量计算和评估、稳健目标定位和同步式自容水听器上的研究进展，为动态海洋环境中的水声信号处理和采集提供了新的思路和方案，对于声纳效能评估和提升声纳定位能力具有重要的应用价值。