一种针对水下小平台探测的被动声定位融合方法、系统、设备以及介质

1.一种针对水下小平台探测的被动声定位融合方法，其特征在于，包括：接收水下小平台上每个水听器观测的混合信号，并利用预设的ICA模型和功率谱熵从混合信号中得到源信号；建立由多个水听器构成的水下小平台双五元声定位阵列模型，根据源信号和各水听器的坐标位置，分别计算出在双五元声定位阵列模型中的上五元立体阵和下五元立体阵中的声源坐标；根据引入的阵形安装误差、声速误差以及时延估计误差，通过误差分析求取得到声源坐标的距离误差、方位角误差和俯仰角误差；基于声源定位的距离误差、方位角误差和俯仰角误差设定对应的权值系数，根据权值系数将上五元立体阵和下五元立体阵中的声源坐标进行融合，之后输出经过融合处理后的声源坐标。 2.如权利要求1所述的针对水下小平台探测的被动声定位融合方法，其特征在于，接收水下小平台上每个水听器观测的混合信号，并利用预设的ICA模型和功率谱熵从混合信号中得到源信号包括：接收水下小平台上每个水听器观测到的混合信号，并确认源信号和噪声信号之间在统计上独立；利用ICA模型中预先构建的混合矩阵A，通过第一转换公式X＝AS，从观测信号X中分离出真实源信号S；通过牛顿迭代法找到一逆变换矩阵W，基于逆变换矩阵W和第二转换公式Y＝WX，得到接近真实源信号S的模拟源信号Y；对模拟源信号Y进行离散傅里叶变换，获取功率谱密度估计，对功率谱进行归一化处理，确保各频率分量的总和为1；根据归一化后的功率谱计算信息熵，得到功率谱熵；根据设定的阈值和功率谱熵，判断模拟源信号Y的各个频段内的噪声成分，在剔除确定的噪声成分之后输出源信号。 3.如权利要求1所述的针对水下小平台探测的被动声定位融合方法，其特征在于，建立由多个水听器构成的水下小平台双五元声定位阵列模型，根据源信号和各水听器的坐标位置，分别计算出在双五元声定位阵列模型中的上五元立体阵和下五元立体阵中的声源坐标包括：建立由六个水听器构成的水下小平台双五元声定位阵列模型；确定每个水听器在笛卡尔三维直角坐标系中的坐标位置、声源在三维直角坐标系下的坐标以及声源到各水听器的声波传播时延值；对于上五元立体阵，利用得到的源信号、水听器坐标位置以及声源的坐标位置，通过时延估计定位算法，计算出在上五元立体阵中的声源坐标；对于下五元立体阵，利用得到的源信号、水听器坐标位置以及声源的坐标位置，通过时延估计定位算法，计算出在下五元立体阵中的声源坐标；其中，六个水听器被配置成上五元立体阵和下五元立体阵，上五元立体阵由选定的五个水听器构成，形成特定的空间几何关系，用于接收并处理水下声源发出的信号，以确定声源在上五元立体阵中的定位信息，下五元立体阵中所构成的水听器至少存在一个上五元立体阵不存在的水听器，形成另一特定的空间几何关系，用于接收并处理水下声源发出的信号，以确定声源在下五元立体阵中的定位信息。 4.如权利要求3所述的针对水下小平台探测的被动声定位融合方法，其特征在于，对于上五元立体阵，利用得到的源信号、水听器坐标位置以及声源的坐标位置，通过时延估计定位算法，计算出在上五元立体阵中的声源坐标包括：对于包含第一水听器M 1 、第二水听器M 2 、第三水听器M 3 、第四水听器M 4 与第五水听器M 5 的上五元立体阵，设定参考水听器，并确定其他水听器相对于参考水听器的时延值；利用声源到第一水听器M 1 、第二水听器M 2 、第三水听器M 3 、第四水听器M 4 与第五水听器M 5 的时延值和声速，计算出各水听器的声程差；根据第五水听器M 5 的坐标位置和声源的坐标位置求取得到声源到第五水听器M 5 距离差信息，结合声源直角坐标和各水听器的声程差，利用几何关系得到上五元立体阵的直角坐标下的定位关系式；根据设定条件R 1 >>d i1 、各水听器的声程差、由声源直角坐标和声源球坐标得到的球坐标和直角坐标系的转换公式以及上五元立体阵直角坐标下的定位关系式，得到上五元立体阵的直角坐标下的转换关系式；将上五元立体阵的直角坐标下的转换关系式代入声源坐标的球坐标，得到在上五元立体阵中的声源球坐标；其中，各水听器的声程差为：d ij ＝c·τ ij式中，c代表水中的声速，τ ij ，i、j＝1，2，3，4，5，6代表声源到第i个水听器的时延值；声源直角坐标为：S(x,y,z)；声源球坐标为 上五元立体阵的直角坐标下的定位关系式为：式中，D代表水听器到坐标系原点的距离，R i ，i＝1，2，3，4，5，6代表声源到第i个水听器的距离；球坐标和直角坐标系的转换公式为：上五元立体阵的直角坐标下的转换关系式为：在上五元立体阵中的声源球坐标为：式中，θ i ,i＝1,2,3,4,5,6，代表声源到第i个水听器的方位角， 代表声源到第i个水听器的俯仰角。 5.如权利要求3所述的针对水下小平台探测的被动声定位融合方法，其特征在于，对于下五元立体阵，利用得到的源信号、水听器坐标位置以及声源的坐标位置，通过时延估计定位算法，计算出在下五元立体阵中的声源坐标包括：对于包含第一水听器M 1 、第二水听器M 2 、第四水听器M 4 与第六水听器M 6 的下五元立体阵，设定参考水听器，并确定其他水听器相对于参考水听器的时延值；利用声源到第一水听器M 1 、第二水听器M 2 、第三水听器M 3 、第四水听器M 4 与第六水听器M 6 的时延值和声速，计算出各水听器的声程差；根据第六水听器M 6 的坐标位置和声源的坐标位置求取得到声源到第六水听器M 6 距离差信息，结合声源直角坐标和各水听器的声程差，利用几何关系得到下五元立体阵的直角坐标下的定位关系式；根据设定条件R 1 >>d i1 、各水听器的声程差、球坐标和直角坐标系的转换公式以及下五元立体阵的直角坐标下的定位关系，得到下五元立体阵的直角坐标下的转换关系式；将下五元立体阵的直角坐标下的转换关系式代入声源坐标的球坐标，得到在下五元立体阵中的声源球坐标；其中，各水听器的声程差为：d ij ＝c·τ ij ；式中，c代表水中的声速，τ ij ，i、j＝1，2，3，4，5，6代表声源到某个水听器的时延值；声源直角坐标为：S(x,y,z)；声源球坐标为 下五元立体阵的直角坐标下的定位关系式为：式中，D代表水听器到坐标系原点的距离，R i ，i＝1,2,3,4,5,6代表声源到某个水听器的距离；球坐标和直角坐标系的转换公式为：下五元立体阵的直角坐标下的转换关系式为：在下五元立体阵中的声源球坐标为：式中，θ i ,i＝1,2,3,4,5,6，代表声源到第i个水听器的方位角， 代表声源到第i个水听器的俯仰角。 6.如权利要求4或5所述的针对水下小平台探测的被动声定位融合方法，其特征在于，根据引入的阵形安装误差、声速误差以及时延估计误差，通过误差分析求取得到声源坐标的距离误差、方位角误差和俯仰角误差包括：对声源坐标的距离、方位角和俯仰角分别求偏导数，并在偏导数中引入阵形安装误差、声速误差和时延估计误差，得到距离误差、方位角误差和俯仰角误差的数学表达式；基于距离误差、方位角误差和俯仰角误差的数学表达式，通过误差分析求取得到声源坐标的距离误差、方位角误差和俯仰角误差；其中，距离误差为：方位角误差为：俯仰角误差为：式中，σ D 为阵形安装误差，σ C 为声速误差， 为时延估计误差。 7.如权利要求4或5所述的针对水下小平台探测的被动声定位融合方法，其特征在于，基于声源定位的距离误差、方位角误差和俯仰角误差设定对应的权值系数，根据权值系数将上五元立体阵和下五元立体阵中的声源坐标进行融合，之后输出经过融合处理后的声源坐标包括：确定声源定位过程中产生的距离误差、方位角误差和俯仰角误差；按照最小二乘法方法，利用对应误差的平方的倒数进行加权，以得到距离误差、方位角误差和俯仰角误差对应的权值系数；利用权值系数，分别对上五元立体阵和下五元立体阵中获取的声源坐标进行加权处理；将经过加权处理的上五元立体阵和下五元立体阵中的声源坐标进行融合；输出经过融合处理后的声源坐标；其中，权值系数为：式中，k R1 、k θ1 、 分别为上五元立体阵的距离误差、方位角误差和俯仰角误差对应的权值系数，k R2 、k θ2 、 分别为下五元立体阵的距离误差、方位角误差和俯仰角误差对应的权值系数，σ R1 、σ θ1 、 分别为上五元立体阵的距离误差、方位角误差和俯仰角误差，σ R2 、σ θ2 、 分别为下五元立体阵的距离误差、方位角误差和俯仰角误差；经过融合处理后的声源坐标为： 8.一种针对水下小平台探测的被动声定位融合系统，其特征在于，包括：源信号获取模块，用于接收水下小平台上每个水听器观测的混合信号，并利用预设的ICA模型和功率谱熵从混合信号中得到源信号；声源坐标求解模块，用于建立由多个水听器构成的水下小平台双五元声定位阵列模型，根据源信号和各水听器的坐标位置，分别计算出在双五元声定位阵列模型中的上五元立体阵和下五元立体阵中的声源坐标；误差项引入模块，用于根据引入的阵形安装误差、声速误差以及时延估计误差，通过误差分析求取得到声源坐标的距离误差、方位角误差和俯仰角误差；融合处理模块，用于基于声源定位的距离误差、方位角误差和俯仰角误差设定对应的权值系数，根据权值系数将上五元立体阵和下五元立体阵中的声源坐标进行融合，之后输出经过融合处理后的声源坐标。 9.一种水下小平台声源定位系统，其特征在于，包括：水下小平台，配备有由六个水听器构成的水下小平台双五元声定位阵列模型；控制器，配置为执行如权利要求1-7中任一项所述的针对水下小平台探测的被动声定位融合方法，对接收到的声源信号进行处理，以输出经过融合处理后的声源坐标；其中，六个水听器被配置成上五元立体阵和下五元立体阵，上五元立体阵由选定的五个水听器构成，形成特定的空间几何关系，用于接收并处理水下声源发出的信号，以确定声源在上五元立体阵中的定位信息，下五元立体阵中所构成的水听器至少存在一个上五元立体阵不存在的水听器，形成另一特定的空间几何关系，用于接收并处理水下声源发出的信号，以确定声源在下五元立体阵中的定位信息。 10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，其特征在于，可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的针对水下小平台探测的被动声定位融合方法。