CN101846738B - 基于界面反射极性判别的虚元定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于界面反射极性判别的虚元定位方法。(1)采用自相关运算对接收信号进行预处理，结合自适应能量门限检测和界面反射极性判别，对海面反射声信号进行辨识；(2)采用基于分布式计算理念的虚元定位方法实现对目标的定位解算；(3)针对各个阵元物理特性的差异，以及不同方位和距离上定位精度的差异，对各个阵元的定位结果进行加权融合。本发明提供的虚元定位方法将自适应能量门限检测、自相关运算预处理、界面反射极性判别、聚类分析等方法融合在一起，具有稳健、可靠、实用的特点。

Description

基于界面反射极性判别的虚元定位方法

技术领域

本发明涉及一种水声定位技术，更确切的说是在复杂多变的水声环境下实现精确、可靠定位的水声被动定位方法。

背景技术

我国是一个海岸线绵长的国家，海岸预警和监听对于维护国家海洋资源和领海主权都有重要的意义。海洋噪声监听技术需要通过被动接收目标的辐射噪声隐蔽地来对目标进行分类、识别和定位。并且为了有效对广阔海域进行信息搜集，要求能够方便地布放在所需海域，不适宜采用多基元系统，因而发展单水听器的被动三维定位技术有重要意义。

传统的水下定位系统一般都需要多个基元来对目标进行定位，例如长基线、短基线、超短基线系统等。近年来，被动定位技术发展的新方向主要包括目标运动分析(TMA)和匹配场(MFP)定位技术。TMA方法通过对一段时间数据的信息综合，利用如方位、频率等信息来确定目标位置，然而这一方法多要求本艇(接收平台)进行特定的机动航行，实际应用很受限制。匹配场定位技术利用声源、水下声场信道和接收器三者的联系，但是只有在已知目标信号的特征和水下声场的分布后才能够对声源位置进行被动定位，而在实际应用中，这些参数通常都是未知的。

文献[1]从物理模型的角度，对声波在水中传播的反射和极性特征进行了理论研究，并构建了一种二次定位方法，但该方法并没有充分利用声波的界面反射极性特征。文献[2]采用虚元定位实现对水下目标的定位解算，但只是大体介绍了虚元定位解算的原理和方法，并没有对声波的界面反射特性作深入分析，更没有利用该特性来优化算法的性能。

相关文献主要有：

[1]杨正华.海上地震勘探模拟实验研究及二次定位理论探讨.长安大学博士学位论文.2004.

[2]黄如龙.主被动水声定位系统显控软件设计.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2009。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳健、可靠、适用的基于界面反射极性判别的虚元定位方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)采用自相关运算对接收信号进行预处理，结合自适应能量门限检测和界面反射极性判别，构建了一种稳健可靠的海面反射声辨识体系；

(2)采用基于分布式计算理念的虚元定位方法实现对目标的定位解算；

(3)针对各个阵元物理特性的差异，以及不同方位和距离上定位精度的差异，对各个阵元的定位结果进行加权融合，以此来提高定位精度。

本发明的主要技术特征是：

1、能量检测是一种朴素而又直观的检测思想，本发明采用自适应能量门限，参数根据环境自适应调整，在保证检测性能的同时，简化参数设置，最终的系统具有较强的自适应能力。

2、本发明所述的极性判别方法建立在多途信号自身的物理特性的基础之上。由理论分析可知：海面边界的声波反射系数接近于-1，因此海面反射声信号成分与直达声信号成分进行自相关运算后得到的相关峰是“负峰”；而其它途径信号成分进行相关运算后得到的相关峰是“正峰”。采用极性判决准则可以将所有“正峰”屏蔽掉，这样就大大缩小了搜索范围，提高了海面反射声的辨识概率。

3、本发明所述的虚元定位方法，在目标水平坐标已知的情况下，仅需要单个阵元就可以完成对目标的定位解算，而传统的基于互相关运算的解算方法至少需要2个阵元，所以本方法更容易工程实现，且增大了有效孔径。同时，每个阵元对应一个独立的处理单元，在运算过程中，各个处理单元之间不需要进行任何交互。基于这一特点，引入了分布式计算理念，提高了运算性能，系统的实时性也得到了保证。

4、本发明所述的数据融合技术，采用聚类分析法对各个阵元的定位结果进行“可信度”评定与分辨，然后再通过加权平均对所有“可信”阵元的定位结果进行融合。由于权值的设定综合考虑了目标信号强度和阵元自身特性的差异，它弥补了传统方法的不足，提高了定位结果的“可信度”。

本发明提供的虚元定位方法将自适应能量门限检测、自相关运算预处理、界面反射极性判别、聚类分析等方法融合在一起，具有稳健、可靠、实用的特点。

附图说明

图1是声波的界面反射与折射特性图，图中I和II分别代表两种不同的传播介质；

图2是多途传播信号声线分布图，图中仅列出了直达声、海面反射声和海底反射声三条最主要的声线；

图3是对多途信号进行自相关运算并进行归一化处理后的结果，图中得到的多个相关峰是各多途信号彼此相互作用的结果；

图4是本专利技术与传统方法时延差估计效果对比图，可以看出，本专利方法剔除了所有假脉冲，得到的是连续的时延差；

图5是虚元定位解算的原理图；

图6是分布式计算方法原理框图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

1、海面反射声辨识体系

图1给出了声波的界面反射特性。其中p_i是入射声波，p_r是反射声波，p_t是折射波，θ_i、θ_r和θ_t分别对应声波的入射角、反射角和折射角。定义A为界面反射系数，B为界面折射系数，依据声场的物理特性可以对A和B描述如下：

$\left\{\begin{array}{c}A=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2\cos {\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1\cos {\mathrm{\θ}}_t}{{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2\cos {\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1\cos {\mathrm{\θ}}_t}\\ B=\frac{2{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2\cos {\mathrm{\θ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2\cos {\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1\cos {\mathrm{\θ}}_t}\end{array}\right.---\left(1\right)$

上式中ρ₁c₁和ρ₂c₂分别代表介质I和介质II的波阻抗。对于海面边界，由于空气的波阻抗远小于水的波阻抗(ρ₂c₂＜＜ρ₁c₁)，可以推出：

$\left\{\begin{array}{c}A\≈-1\\ B\≈0\end{array}\right.---\left(2\right)$

对于海底边界，考虑海底地面绝对硬的情况，此时水的波阻抗远小于海底地面的波阻抗(ρ₂c₂＞＞ρ₁c₁)，可推出：

$\left\{\begin{array}{c}A\≈1\\ B\≈0\end{array}\right.---\left(3\right)$

以上结论表明：入射声波经过一次海面反射后相位会发生180度的跳变，而经过其它途径(包括海底反射)的信号，相位不会发生明显跳变。本发明构建的辨识体系建立在海面反射声波的这一“与众不同”特征的基础之上，以下介绍该辨识体系的具体实施方法。

假设目标位于水下40m，信号接收点位于水下70m，水深100m，目标与接收点之间的水平距离为100m，目标发出的是宽带高斯随机信号，接收端信号的采样频率为40kHz，观测时间长度为0.1s。仅考虑海底反射、海面反射和直达声三条最主要的声线对定位结果的影响，其声线分布见图2。

在对海面反射声进行辨识之前，先对接收信号进行自相关运算预处理，得到接收信号的自相关时间序列R(τ)，图3是对R(τ)进行归一化处理后的结果。从图中可以看到多个相关峰，它们是三条声线彼此相互作用的结果。为了从复杂的自相关背景中挑选出所需要的信息，本辨识体系设定了三条判决准则：

(1)能量门限判决准则：|R(τ)|＞K·R(0)；

(2)极性判决准则：R(τ)＜0；

(3)置信区间限定准则：τ_min＜τ＜τ_max；

其中，K(K∈(0，1))为常数，它的选取与两个传播途径的信号相关系数有关。当K设置好之后，总的判决门限仅取决于信号总能量R(0)。R(0)是与目标声源级、信号传播距离和环境背景等因素密切相关的量，能量门限以它作为基准，既能够适应环境的变化，又能够兼顾不同的作用距离。

极性判决准则的设立与海面的边界特性有关。根据前面的分析可知，海面反射声的相位会发生180度跳变。因此，海面反射声信号成分与直达声信号成分进行自相关运算后得到的相关峰是“负峰”；其它途径信号的相位不会发生明显跳变，由它们得到的相关峰必然是“正峰”。采用极性判决准则可以将所有“正峰”屏蔽掉，这样就大大缩小了搜索范围，提高了海面反射声的辨识概率。

置信区间是一个先验知识。因为声纳的作用距离是有限的，系统工作海域的深度也是个已知量。受这些客观条件的限制，两个不同途径的声波产生的时延差必定限定在一个有限的动态范围内。引入置信区间的限定后，将屏蔽某些二次、三次甚至更高次多途带来的干扰。

图4是本辨识体系与传统辨识方法的试验结果对比。从图中可以看出，传统方法或多或少地存在假脉冲干扰的现象，出现了一系列不连续的点，而本辨识体系剔除了所有假脉冲，得到的是连续的时延差。

2、基于分布式计算理念的虚元定位方法

本发明所述的虚元定位方法适用于目标水平坐标已知的情况，其定位解算的原理示于图5。其中，X轴对应水平面，Z轴表示水深。R代表信号接收点，其坐标为(x₁，z₁)，S代表信号发射源，其坐标为(x₂，z₂)。对接收阵元R作镜像映射，得到虚元R′，其坐标为(x₁，-z₁)。结合阵元R和虚元R′可以构建一个二元垂直阵。目标信号到这两个阵元的时延差是直达声信号与一次海面反射声信号之间的时延差，利用射线声学的声传播理论可以得到如下方程：

$\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(z_1+z_2)}^2}-\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}=\mathrm{c\τ}---\left(4\right)$

式(4)中，c表示水中声波传播速度；τ表示直达声信号与一次海面反射声信号之间的传播时延差，其值可以通过实时测量得到；接收点的位置信息x₁和z₁是已知量；目标的水平坐标x₂通过其它方式测量得到。对(4)式作进一步转换可以得到(5)式如下：

$z_2=\sqrt{\frac{[4({(x_2-x_1)}^2+{z_1}^2)-c^2{\mathrm{\τ}}^2]c^2{\mathrm{\τ}}^2}{4(4{(x_2-x_1)}^2-c^2{\mathrm{\τ}}^2)}}---\left(5\right)$

当目标水平坐标x₂确定后，通过(5)式就可以直接计算得到目标的深度信息。在工程应用领域，除了需要考虑方法的可行性之外，还要考虑方法的实时性。为了满足工程应用的需求，本发明将分布式计算理念引入其中，以此提高计算性能。以下进一步介绍分布式计算的具体实施方法。

图6给出了分布式计算的原理框图。系统采用“分——总”的工作模式：每个阵元对应一个分模块，它包含独立的测量单元和运算单元，测量单元实时采集目标信号，运算单元对采集的信号进行实时运算处理，然后再将运算结果实时反馈给终端控制平台，完成数据的融合与显示。

由于采用了虚元定位解算，在目标水平坐标已知的情况下，仅需要单个阵元就可以完成对目标的定位解算，而传统的基于互相关的解算方法至少需要2个阵元，所以本方法更容易工程实现。同时，每个阵元对应一个独立的处理单元，在运算过程中，各个处理单元之间不需要进行任何交互。基于这一特点，引入了分布式计算理念，使系统的实时性也得到了保证。

3、数据融合

由前面的分析可知，在目标水平坐标已知的情况下，采用单个阵元即可完成对目标的定位解算。那么，对于N个阵元，一共可以得到N个定位结果。是不是每个结果都可信？如果只有部分结果是可信的，如何把它们挑选出来？如何从所有可信的结果中提取出一个更加可信的结果？这些都是我们急需解决的问题。

传统的方法是先对所有不合理的结果进行简单剔除，然后再对所有被认为是“可信”的结果作平均，以平均后的输出作为最终的定位结果。这种方法由于没有考虑各个阵元自身特性的差异，存在一些不合理性。本发明采用加权平均的方法来弥补传统方法的不足。其具体实施步骤概括如下：

(1)对所有阵元的定位结果先进行聚类分析，并计算出最大聚类的中心坐标；

(2)以最大聚类的中心为圆点，以设定的误差容限为半径作圆，得到一个“可信区域”，以此来区分哪些阵元是“可信”的，哪些阵元是“不可信”的；

(3)根据各个“可信”阵元的信号强度和物理特性为它设定一个权值；

(4)对所有“可信”阵元的定位结果进行加权平均，并以平均后的输出作为最终定位结果。

聚类分析是一种直观而又可靠的分析手段，这种方法能较好地实现对各个阵元定位结果的“可信度”分辨。加权平均充分考虑了各个阵元自身特性的差异，弥补了传统方法的不足。

Claims (3)

1.一种基于界面反射极性判别的虚元定位方法，所述虚元定位方法是一种将自适应能量门限检测、自相关运算预处理、界面反射极性判别、聚类分析方法融合在一起的定位方法，其特征是：

(1)采用自相关运算对接收信号进行预处理，结合自适应能量门限检测和界面反射极性判别，对海面反射声信号进行辨识；所述对海面反射声信号进行辨识的方法为：采用自相关运算对接收信号进行预处理，得到信号的自相关时间序列R(τ)；以信号总能量R(0)为基准设定相关峰检测门限；根据设定的检测门限对信号的相关时间序列R(τ)进行搜索，找出所有过门限的相关峰；对所有挑选出的相关峰进行极性判别，挑出最可能的“负峰”；

(2)采用基于分布式计算理念的虚元定位方法实现对目标的定位解算；

(3)针对各个阵元物理特性的差异，以及不同方位和距离上定位精度的差异，对各个阵元的定位结果进行加权融合。

2.根据权利要求1所述的基于界面反射极性判别的虚元定位方法，其特征是：所述采用基于分布式计算理念的虚元定位方法实现对目标的定位解算步骤中的虚元定位方法适用于目标水平坐标已知的情况，X轴对应水平面，Z轴表示水深，R代表信号接收点、其坐标为(x₁，z₁)，S代表信号发射源、其坐标为(x₂，z₂)，对接收阵元R作镜像映射，得到虚元R′、其坐标为(x₁，-z₁)，结合阵元R和虚元R′构建一个二元垂直阵，目标信号到这两个阵元的时延差是直达声信号与一次海面反射声信号之间的时延差，利用射线声学的声传播理论得到如下方程：

$\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(z_1+z_2)}^2}-\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}=\mathrm{c\τ}$

其中，c表示水中声波传播速度；τ表示直达声信号与一次海面反射声信号之间的传播时延差；接收点的位置信息x₁和z₁是已知量；x₂为目标的水平坐标，对 $\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(z_1+z_2)}^2}-\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}=\mathrm{c\τ}$ 式作进一步转换得到：

$z_2=\sqrt{\frac{[4({(x_2-x_1)}^2+{z_1}^2)-c^2{\mathrm{\τ}}^2]c^2{\mathrm{\τ}}^2}{4(4{(x_2-x_1)}^2-c^2{\mathrm{\τ}}^2)}}$

当目标水平坐标x₂确定后，通过 $z_2=\sqrt{\frac{[4({(x_2-x_1)}^2+{z_1}^2)-c^2{\mathrm{\τ}}^2]c^2{\mathrm{\τ}}^2}{4(4{(x_2-x_1)}^2-c^2{\mathrm{\τ}}^2)}}$ 直接计算得到目标的深度信息；所述分布式计算的具体实施方法为：每个阵元对应一个分模块，分模块包含独立的测量单元和运算单元，测量单元实时采集目标信号，运算单元对采集的信号进行实时运算处理，然后再将运算结果实时反馈给终端控制平台，完成数据的融合与显示。

3.根据权利要求1或2所述的基于界面反射极性判别的虚元定位方法，其特征是加权融合的具体实现步骤为：

(1)对所有阵元的定位结果先进行聚类分析，并计算出最大聚类的中心坐标；

(2)以最大聚类的中心为圆点，以设定的误差容限为半径作圆，得到一个“可信区域”，以此来区分哪些阵元是“可信”的，哪些阵元是“不可信”的；

(3)根据各个“可信”阵元的信号强度和物理特性为它设定一个权值；

(4)对所有“可信”阵元的定位结果进行加权平均，并以平均后的输出作为最终定位结果。

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