一种水下未知声源定位方法的研究_张涵
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收稿日期 : 2011 -04 -06; 作者简介 : 张 修回日期 : 2011 - 05 -16。
[4 - 5]
( Pr opag ation L oss: SPL ) , 考虑声波 传播衰减的 波动方程 如式 ( 1) 所示 , 其 中 [ dB/ m] 为衰 减系数 , 即 单位距离衰 减量。 t- kr x ) ( x , t) = 0 e- x e i ( ( 1) 为简化模型 , 下文中我们仅讨论传 播过程中声压强度的变 化。 P L 由几何发散产生的扩 散衰减 和介质 吸收产 生的吸 收衰 减两部分组成 , 与传播距离 r 间关系如式 ( 2) 所示 [ 6] 。 PL = 20lg( r ) + ar + ( 2) 式 中 , 吸收 衰减系数 a [ dB/ m] 随频率 f [ kHz] 的增加而迅速 增加 , 随温度变化而 变化。 在频率 为 0 5kHz 到 100kHz 的范 围内 , 标准条件下海 水的吸 收系数 可根据 式 ( 3) 所示经 验式 算的。 系统误差 a = 0 05 f 1 4 ( 3) 的修正 方法本文不再冗述 , 详查相关资料。
一方面 , 在潜水器定位应 用中 : 声 源、发射 机、接收 机信 息为已知量 , 则可通过测量水 听器接收信号 , 分析其特征频率 声压 Rv 带入式 ( 4) , 计算 PL 。式中 , Tv [ V ] 为声源发 射声 压 ; T x [ dB] 为发射灵敏度 ; Rx [ dB] 为接收灵敏度 ; Rg [ dB] 为信号放大倍数。
基金项目 : 国家自然科学基金青年基金。 涵 ( 1986 - ) , 男 , 江苏人 , 硕 士研究生 , 主要 从事潜 水器定位导航方向的研究。
第 9期
张 涵, 等: 一种水下未知声源定位方法的研究
PL = 20lg ( T v / Rv ) + T x + Rx + Rg ( 4) ( 5)
1
1 1
原理
SP来自百度文库 测距及已知声源定位 声 波远离 声 源 过程 中 所 产 生 的 能 量 损 失 成 为 传 播 衰 减
随陆地领域 无线 传 感器 网络 技 术的 快 速发 展 , 将 WSN 技 术 引入水下定 位系 统 , 通 过建 立 多台 海 面节 点 间 的无 线 通讯 , 构成定位传 感器网络 , 一方 面增 强了 系统 的抗 干扰 性 , 一方 面扩大了定 位范围 [ 3] 。因此 , 水 面节 点的 低成 本 化和 低能 耗 化是推进该 技术产品 化的 关键 所在 。因此 , 我们 曾 针对 潜水 器等可发射 已 知 声 源 的定 位 对 象 提 出 了 基 于 声波 传 播 衰 减 ( Sound Pr opag ation L oss: SP L) 的测 距 方法 , 实现 了 无需 载 波、无需 测 量 声 波 传 播 时 间 差 ( Sound P ropagation T ime: SP T ) 的高精 度定 位 , 从而 大幅 降 低了 节点 硬 件成 本、简 化 数据处理、 降低能 耗。该方 法已 在 大量 水池 实验、 海试 取得 与 SPT 相同数量级 的测量精 度 。 本研究进一步突破 SPL 定位 方法在数据处理上的局限
( State Key L abo of Oceanic Pr oject, Shanghai Jiao tong U niv ersity , Shanghai 200240, China)
Abstract: W it h t he rapid development of W irel es s Sensor N et w ork s ( W SN ) , t he underwat er posit ioning sys t em based on W SN w as pres ent ed. H ow ever, t he cos t and pow er of nodes rest rict t he developing of W SN t ech nology. T hrough t he fu sion of s ens or netw ork s and sound propagat ion l os s, a n ew mat hem at ical model of underw at er unk nown sound localizat ion m et hod based on sen sor n et w orks is est ab lish ed. Then combinin g t he u nderw at er sound source w it h com put er simulat ion, how t his model is infl uen ced b y ref lect ed wave, environm ent al nois e and t he locat ion of t he sound source is an alyz ed. A m et hod is pres ent ed t o correct t he con st ant syst emat ic errors. Key words: unk nown s ou nd s ource; s ou nd p ropagati on l os s ( SPL) ; sound pres sure; charact erist ic f requency
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联立 ( 2) ~ ( 4) 式 , 得 : 20lg( Tv / Rv ) + T x + Rx + Rg = 20lg( r ) + ar 1 2
未知声源定位 若声源信息未知 , 则无 法根据 方程 ( 5) 直接 求解传 播距
离。然而 , 无论是 机械 振动 噪声 还是 生物 噪声 , 其特 征 频率 f 0 [ kH z] 及其 声压 T v [ V] 是相 对稳 定的。 基于 这 一特 点 , 我们先简化方程 ( 5) : K - 20lg ( Rv ) = 20lg ( r ) + ar 式中 , K = 20log10 ( T v ) + T x + Rx + Rg 为未知常数。 设各水面节点的 坐标 为 N i ( x i , y i , z i ) ( i = 1, 2 , 3 , 4 ) , 目标声源的坐标 P ( x , y , z ) , 建立各水面节点与目标声 源间的距离方程式 , 各节点传 播距 离 r 和 K , Rv 之间的 关系 式 ( 7) , 通 过测得不同 r 处的 Rv 值 ( 具体 Rv 值计算见 3 部分 的 Rv 数据处理方法 ) , 解出声源坐标位置 P ( x , y , z ) 。 ( x - x i) 2 + ( y - y i ) 2 + ( z - z i ) 2 = r i2 K - 20lg( Rv ) = 20lg( ri ) + ar i 式中 , i = 1, 2, 3, 4 ( 7) ( 6)
[ 2]
性 , 通过将
传感器网络技术
和
声波传播衰减原理
相融
合 , 进一步建立新的 基于传感器网络 的水下未知声源定位方 法 的数学模型 , 并通 过实测 水下声 源与计算 机仿真 相结合 , 分析了该模型 受反 射波、 环境 噪声 和噪 声源 距离 变化 影响 程 度 , 验证其可行性 , 提出系统误差修正方法。该方法有望 应用 于不明水下入侵物的 监测 , 鱼 类行迹跟踪 , 自然灾害的预测和 水下作业状况的监视 等领域。
200240) ( 上海交通大学 , 海洋工程国家重点实验室 , 上海
摘要 : 随 无线传感器网络 络的水下未知声源定位方法 技术快速发展 , 基于传感器网络的水下定位系统 和
被广泛提出 ; 然而 , 降低节点成本、降低 节点功耗 相融合 , 进一步建 立新的 基于 传感器网
成为该技术走向实用化发展的关键所在 ; 通过将 传感器网络技术 化影响程度 , 验证其可行性 , 提出系统误差修正方法。 关键词 : 未知声源 ; 声波传播衰减 ; 声压 ; 特征频率
图2 FFT 频谱分析结果示例
实验内容 4 台水面节点如图 3 所示 , 间距 20m 呈直线 排列 , 水 听器 设置于水深 10m 处。以节点 2 、3 中 点为坐标 原点 , 节点 1 为 y 轴 正方向 , 建立 三维直 角坐 标系 OX YZ 。则各 节点坐 标依 次 为 : 节点 1 ( 30, 0, 0) 、节点 2 ( 10, 0, 10) 、节点 3 ( - 10, 0, 0) 、节点 4 ( - 30, 0, 0) 。 为验证在 反射波、 背景噪 声等 海洋环境干扰下各坐标轴方向 定位精度变化规律 , 特设计计算 机仿真实验如下 : ( 1) 声源在 X O Y 平面 , 沿图 3 中 仿真 1 路线示 , 与 X 轴平行自远渐近移动 ; ( 2) 声源在 XO Y 平面 , 沿 图 3 中 仿真 2 路线示 , 与 Y 轴平 行自远渐 近移动 ; ( 3 ) 声源在 YOZ 平 面 , 沿图 3 中 仿真 3 路线示 , 与 Y 轴 平行自深渐浅移动。 3 3 实验结果 实验 1 结果 如图 4 所 示 , 水 听 器 - 声 源间斜 距离 > 200m 时 , x 轴 方向误差 < 1m; 斜距 离 < 200m 时 , 水面反射 影响 增大 , 随 直接 波与 反 射波位 相 差变 化 , x 轴 方 向误 差 在 20m 内波动。 实验 2 结果 如图 5 所 示 , 水 听 器 - 声源间斜 距离 > 200m 时 , Y 轴 方 向 误 差 < 1m; 斜 距 离 < 200m 时 , Y 轴 方向 误 差 随距 离 减小 逐 渐 增大 , 在坐标原 点 ( 即 各节 点的 中 垂线 上 ) 时 , Y 轴 坐标 误 差达 到 最
2220
文章编号 : 1671 -4598( 2011) 09 -2220 - 03
计算 机 测 量 与控 制 . 2 011 . 19 ( 9) Computer Measurement & Control
中图分类号 : P75 文献标识码 : A
设计与应用
一种水下未知声源定位方法的研究
张 涵, 付 斌, 刘纯虎, 连 琏
声波传播衰减原理
数学模型 , 并通过实测水下声源与计算机仿真相结合 , 分析了该 模型受反射波、环 境噪声和噪声 源距离变
Research on Underwater Positioning for Unknown Sound Source
Zhang H an, F u Bin, L iu Chunhu, L ian L ian
0 概述
目前 , 潜水 器作业中 常用 的是 基于 母船 搭载 的水 听器 阵 列的超短基 线定位方式 或预先 布设 的水 下基 站的 长 基线 定位 方式 ; 而对潜 水器轨迹 变化 需求 较高 的情 况 , 多 采 用水 声定 位与惯导系 统相结合 的组合 导航 , 并采 用多 个传 感 器之 间的 数据融合方 式 [ 1] 。以上 定位方 式或 者需 要昂 贵的 传 感器 做支 持 , 或者需要 母船长时 间相 伴。随 海上 载波 相位 动 态实 时差 分全球定位 系统技术 的成熟 , 有研 究提 出 GPS- 水 声结 合的 全新定位方 案 , 并在 A U V 定 位、海 底 地壳 变 化观 测 中取 得 较好的效果 , 国外已有 产品面 世 。 该方 法的 优 势在 于水 面 基站取代海 底基 站 , 大 幅减 小 了基 站 成本 及 基 站布 设 成本 。
2 数据处理方法
图 1 所示自上至 下分别 为试 验采 集原 始声 源波 形、 200m 远处直接波波形、水面反射波波形和接收波的仿真结果。 对声源和接收波 分别 进行 快速 傅利 叶变 换 ( Fast Four ier T ransfor m: F FT ) 处 理 , 结果 如图 2 所示。 声源 频谱 中 明显 突起处定义为 特 征频 率 f 0 , 特征 频 率对 应 振 幅定 义 为 Tv , 对应的接收波特征频率 振幅 定义为 Rv 。将 Rv 带 入方程 ( 8) 求解声源坐标与所设定的真实值对比 , 评价定位精度。 3 2
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( Pr opag ation L oss: SPL ) , 考虑声波 传播衰减的 波动方程 如式 ( 1) 所示 , 其 中 [ dB/ m] 为衰 减系数 , 即 单位距离衰 减量。 t- kr x ) ( x , t) = 0 e- x e i ( ( 1) 为简化模型 , 下文中我们仅讨论传 播过程中声压强度的变 化。 P L 由几何发散产生的扩 散衰减 和介质 吸收产 生的吸 收衰 减两部分组成 , 与传播距离 r 间关系如式 ( 2) 所示 [ 6] 。 PL = 20lg( r ) + ar + ( 2) 式 中 , 吸收 衰减系数 a [ dB/ m] 随频率 f [ kHz] 的增加而迅速 增加 , 随温度变化而 变化。 在频率 为 0 5kHz 到 100kHz 的范 围内 , 标准条件下海 水的吸 收系数 可根据 式 ( 3) 所示经 验式 算的。 系统误差 a = 0 05 f 1 4 ( 3) 的修正 方法本文不再冗述 , 详查相关资料。
一方面 , 在潜水器定位应 用中 : 声 源、发射 机、接收 机信 息为已知量 , 则可通过测量水 听器接收信号 , 分析其特征频率 声压 Rv 带入式 ( 4) , 计算 PL 。式中 , Tv [ V ] 为声源发 射声 压 ; T x [ dB] 为发射灵敏度 ; Rx [ dB] 为接收灵敏度 ; Rg [ dB] 为信号放大倍数。
基金项目 : 国家自然科学基金青年基金。 涵 ( 1986 - ) , 男 , 江苏人 , 硕 士研究生 , 主要 从事潜 水器定位导航方向的研究。
第 9期
张 涵, 等: 一种水下未知声源定位方法的研究
PL = 20lg ( T v / Rv ) + T x + Rx + Rg ( 4) ( 5)
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原理
SP来自百度文库 测距及已知声源定位 声 波远离 声 源 过程 中 所 产 生 的 能 量 损 失 成 为 传 播 衰 减
随陆地领域 无线 传 感器 网络 技 术的 快 速发 展 , 将 WSN 技 术 引入水下定 位系 统 , 通 过建 立 多台 海 面节 点 间 的无 线 通讯 , 构成定位传 感器网络 , 一方 面增 强了 系统 的抗 干扰 性 , 一方 面扩大了定 位范围 [ 3] 。因此 , 水 面节 点的 低成 本 化和 低能 耗 化是推进该 技术产品 化的 关键 所在 。因此 , 我们 曾 针对 潜水 器等可发射 已 知 声 源 的定 位 对 象 提 出 了 基 于 声波 传 播 衰 减 ( Sound Pr opag ation L oss: SP L) 的测 距 方法 , 实现 了 无需 载 波、无需 测 量 声 波 传 播 时 间 差 ( Sound P ropagation T ime: SP T ) 的高精 度定 位 , 从而 大幅 降 低了 节点 硬 件成 本、简 化 数据处理、 降低能 耗。该方 法已 在 大量 水池 实验、 海试 取得 与 SPT 相同数量级 的测量精 度 。 本研究进一步突破 SPL 定位 方法在数据处理上的局限
( State Key L abo of Oceanic Pr oject, Shanghai Jiao tong U niv ersity , Shanghai 200240, China)
Abstract: W it h t he rapid development of W irel es s Sensor N et w ork s ( W SN ) , t he underwat er posit ioning sys t em based on W SN w as pres ent ed. H ow ever, t he cos t and pow er of nodes rest rict t he developing of W SN t ech nology. T hrough t he fu sion of s ens or netw ork s and sound propagat ion l os s, a n ew mat hem at ical model of underw at er unk nown sound localizat ion m et hod based on sen sor n et w orks is est ab lish ed. Then combinin g t he u nderw at er sound source w it h com put er simulat ion, how t his model is infl uen ced b y ref lect ed wave, environm ent al nois e and t he locat ion of t he sound source is an alyz ed. A m et hod is pres ent ed t o correct t he con st ant syst emat ic errors. Key words: unk nown s ou nd s ource; s ou nd p ropagati on l os s ( SPL) ; sound pres sure; charact erist ic f requency
2221
联立 ( 2) ~ ( 4) 式 , 得 : 20lg( Tv / Rv ) + T x + Rx + Rg = 20lg( r ) + ar 1 2
未知声源定位 若声源信息未知 , 则无 法根据 方程 ( 5) 直接 求解传 播距
离。然而 , 无论是 机械 振动 噪声 还是 生物 噪声 , 其特 征 频率 f 0 [ kH z] 及其 声压 T v [ V] 是相 对稳 定的。 基于 这 一特 点 , 我们先简化方程 ( 5) : K - 20lg ( Rv ) = 20lg ( r ) + ar 式中 , K = 20log10 ( T v ) + T x + Rx + Rg 为未知常数。 设各水面节点的 坐标 为 N i ( x i , y i , z i ) ( i = 1, 2 , 3 , 4 ) , 目标声源的坐标 P ( x , y , z ) , 建立各水面节点与目标声 源间的距离方程式 , 各节点传 播距 离 r 和 K , Rv 之间的 关系 式 ( 7) , 通 过测得不同 r 处的 Rv 值 ( 具体 Rv 值计算见 3 部分 的 Rv 数据处理方法 ) , 解出声源坐标位置 P ( x , y , z ) 。 ( x - x i) 2 + ( y - y i ) 2 + ( z - z i ) 2 = r i2 K - 20lg( Rv ) = 20lg( ri ) + ar i 式中 , i = 1, 2, 3, 4 ( 7) ( 6)
[ 2]
性 , 通过将
传感器网络技术
和
声波传播衰减原理
相融
合 , 进一步建立新的 基于传感器网络 的水下未知声源定位方 法 的数学模型 , 并通 过实测 水下声 源与计算 机仿真 相结合 , 分析了该模型 受反 射波、 环境 噪声 和噪 声源 距离 变化 影响 程 度 , 验证其可行性 , 提出系统误差修正方法。该方法有望 应用 于不明水下入侵物的 监测 , 鱼 类行迹跟踪 , 自然灾害的预测和 水下作业状况的监视 等领域。
200240) ( 上海交通大学 , 海洋工程国家重点实验室 , 上海
摘要 : 随 无线传感器网络 络的水下未知声源定位方法 技术快速发展 , 基于传感器网络的水下定位系统 和
被广泛提出 ; 然而 , 降低节点成本、降低 节点功耗 相融合 , 进一步建 立新的 基于 传感器网
成为该技术走向实用化发展的关键所在 ; 通过将 传感器网络技术 化影响程度 , 验证其可行性 , 提出系统误差修正方法。 关键词 : 未知声源 ; 声波传播衰减 ; 声压 ; 特征频率
图2 FFT 频谱分析结果示例
实验内容 4 台水面节点如图 3 所示 , 间距 20m 呈直线 排列 , 水 听器 设置于水深 10m 处。以节点 2 、3 中 点为坐标 原点 , 节点 1 为 y 轴 正方向 , 建立 三维直 角坐 标系 OX YZ 。则各 节点坐 标依 次 为 : 节点 1 ( 30, 0, 0) 、节点 2 ( 10, 0, 10) 、节点 3 ( - 10, 0, 0) 、节点 4 ( - 30, 0, 0) 。 为验证在 反射波、 背景噪 声等 海洋环境干扰下各坐标轴方向 定位精度变化规律 , 特设计计算 机仿真实验如下 : ( 1) 声源在 X O Y 平面 , 沿图 3 中 仿真 1 路线示 , 与 X 轴平行自远渐近移动 ; ( 2) 声源在 XO Y 平面 , 沿 图 3 中 仿真 2 路线示 , 与 Y 轴平 行自远渐 近移动 ; ( 3 ) 声源在 YOZ 平 面 , 沿图 3 中 仿真 3 路线示 , 与 Y 轴 平行自深渐浅移动。 3 3 实验结果 实验 1 结果 如图 4 所 示 , 水 听 器 - 声 源间斜 距离 > 200m 时 , x 轴 方向误差 < 1m; 斜距 离 < 200m 时 , 水面反射 影响 增大 , 随 直接 波与 反 射波位 相 差变 化 , x 轴 方 向误 差 在 20m 内波动。 实验 2 结果 如图 5 所 示 , 水 听 器 - 声源间斜 距离 > 200m 时 , Y 轴 方 向 误 差 < 1m; 斜 距 离 < 200m 时 , Y 轴 方向 误 差 随距 离 减小 逐 渐 增大 , 在坐标原 点 ( 即 各节 点的 中 垂线 上 ) 时 , Y 轴 坐标 误 差达 到 最
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文章编号 : 1671 -4598( 2011) 09 -2220 - 03
计算 机 测 量 与控 制 . 2 011 . 19 ( 9) Computer Measurement & Control
中图分类号 : P75 文献标识码 : A
设计与应用
一种水下未知声源定位方法的研究
张 涵, 付 斌, 刘纯虎, 连 琏
声波传播衰减原理
数学模型 , 并通过实测水下声源与计算机仿真相结合 , 分析了该 模型受反射波、环 境噪声和噪声 源距离变
Research on Underwater Positioning for Unknown Sound Source
Zhang H an, F u Bin, L iu Chunhu, L ian L ian
0 概述
目前 , 潜水 器作业中 常用 的是 基于 母船 搭载 的水 听器 阵 列的超短基 线定位方式 或预先 布设 的水 下基 站的 长 基线 定位 方式 ; 而对潜 水器轨迹 变化 需求 较高 的情 况 , 多 采 用水 声定 位与惯导系 统相结合 的组合 导航 , 并采 用多 个传 感 器之 间的 数据融合方 式 [ 1] 。以上 定位方 式或 者需 要昂 贵的 传 感器 做支 持 , 或者需要 母船长时 间相 伴。随 海上 载波 相位 动 态实 时差 分全球定位 系统技术 的成熟 , 有研 究提 出 GPS- 水 声结 合的 全新定位方 案 , 并在 A U V 定 位、海 底 地壳 变 化观 测 中取 得 较好的效果 , 国外已有 产品面 世 。 该方 法的 优 势在 于水 面 基站取代海 底基 站 , 大 幅减 小 了基 站 成本 及 基 站布 设 成本 。
2 数据处理方法
图 1 所示自上至 下分别 为试 验采 集原 始声 源波 形、 200m 远处直接波波形、水面反射波波形和接收波的仿真结果。 对声源和接收波 分别 进行 快速 傅利 叶变 换 ( Fast Four ier T ransfor m: F FT ) 处 理 , 结果 如图 2 所示。 声源 频谱 中 明显 突起处定义为 特 征频 率 f 0 , 特征 频 率对 应 振 幅定 义 为 Tv , 对应的接收波特征频率 振幅 定义为 Rv 。将 Rv 带 入方程 ( 8) 求解声源坐标与所设定的真实值对比 , 评价定位精度。 3 2