CN101900811B - 一种基于单水听器的被动测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于单水听器的被动测距方法。它利用单声压接收水听器接收引导声源和目标声源的宽带谱信号，在引导声源的LOFAR图上提取干涉条纹的斜率，结合波导不变量的原理，估计待测目标的距离和速度。本发明不需要精确了解海洋参数，利用单声压水听器就可以实现稳健的被动测距和测速，这不仅推动被动声呐技术的发展，它也对水下目标识别和水声对抗均有重要的作用。

Description

一种基于单水听器的被动测距方法

技术领域

本发明涉及的是一种探测方法，具体地说是一种适用于被动声纳的精确测距和测速方法。

背景技术

人们常说浅海声场是随机的、起伏的。这话其实是不确切的，就单程的声传播而言，约95％的声能是相干的，而随机分量仅占总能量的5％。可观察到的浅海中接收信号的波形随时间和空间而变化，这是因为波形对相位信息十分敏感，这并不否认声场强度在空间域和频域具有稳定的分布结构——声场的相干结构。

在水声宽带频谱分析中经常看到干涉条纹，波导不变量β就是用来描述这一干涉效应的。波导不变量β首先是莫斯科大学的Chuprov教授在观察到宽带点源声场干涉结构后提出的(见文献[1]：G.L.D Spain and W.A.Kuperman.Application of waveguide invariantsto analysis of spectrograms from shallow water environments that vary in range andazimuth[J].J.Acoust.Soc.Am，1999，106(5)：2454-2468)，仅用一个波导不变量β就可以描述环境的影响，而且不须环境的先验知识，后来β被引进到水声领域。

传统的被动测距的方法主要有三元子阵定位和匹配场处理。三元子阵法利用球面波或柱面波波前曲率的变化，通过测量各基元的相对时延，估计目标距离和方位。测距精度与时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因素有关，其中时延测量精度是关键。所谓的匹配场处理(matched-field processing，简称MFP)是声源、通道和接收阵三者之中，若已知两者，就可以根据接收阵的实际测量声场(已受通道影响)与接收阵的理论预测声场(信道影响由模型模拟)的匹配性对第三个进行参数估计。利用匹配场被动定位方法进行被动定位时，有三个问题需要解决：一是水声信道模型的选择，选定的信道模型能否精确地描述声场将直接决定定位结果的精度。二是匹配函数的确定，匹配函数应该是在计算的声场分布与实际采样的声场分布匹配最好时呈现最大或最小。三是搜索方法的选择问题，应选择一个既可以保证精度又快速的全局搜索方法。由此可见，传统的被动测距的方法都要求有海洋环境的精确的先验知识。一种无需海洋环境的精细的先验知识，也不要求阵型精确已知，允许阵型有宽容的偏差的被动测距及测速的技术有待研究。

若将波导不变量用于测量被动目标方法就可以解决这一问题。目前美国海军研究所及Scrip实验室将研究“基于信道不变量的引导声源垂直阵被动测距”作为水声及水声信号处理研究重点。Thode在文献[2](Aaron M.Thode.Source ranging with minimalenvironmental information using a virtual receiver and waveguide invariant theory[J].J.Acoust.Soc.Am，2000，108(4)：1582-1594)中提出利用垂直阵分别接收来自引导声源和目标声源的宽带信号，结合波导不变量原理和互谱扫频的方法，就可以在引导声源处等效地得到一条水平接收阵，通过此虚拟阵“接收”到的声信号即可得到目标声源的距离。中国科学学院声学所于2004年在南海利用爆炸声作为声源，进行了引导声源垂直阵被动测距的海试(文献[3]：鹿力成.海底变化环境下目标距离定位[J].水声及物理声学，2007，26(4)：65-68)。中国海洋大学在验证了该方法的可行性之后，发展了“引导声源水平阵被动测距技术”，采用水平阵而不是垂直阵，这是一个进步，因为水平阵被动测距更适合应用(文献[4]：赵振东，高大治，王好忠，王宁.波导不变量在目标测距中的应用[J].声学技术，2009，28(2)：45-46)。在这些文献中所用到的引导声源都是固定的，如果能用运动的目标作为引导声源，就可以实时输出被测目标的距离和速度信息。

T.C.Yan在文献[5](T.C.Yang“Beam intensity striations and application”J.A.S.A.Mar，2003，113(3)：1342)中指出：无论垂直阵，水平阵，还有单水听器都可以输出功率谱历程，也能得到干涉条纹。单声压水听器因其处理增益小而限制了其自身的发展。

若是有一种利用单声压水听器可以稳健的进行被动测距和测速的技术，这种技术将推动水声测量的各个领域的发展，也将对目标识别和水声对抗具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、实用的基于单水听器的被动测距方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)将接收信号经过与引导声源匹配的滤波器后得到引导声源的LOFAR图；

(2)结合引导声源的LOFAR图，利用Radon变换或Hough变换提取直线的方法提取干涉条纹斜率Δr_s/Δf_s，其中Δr_s为引导声源的程差，Δf_s为引导声源的频差；

(3)根据干涉条纹方程，使用广义Radon变换或Hough变换对引导声源的LOFAR图进行图像处理，在变换域上提取波导不变量β；

(4)将接收信号经过一个滤波器，滤波后得到目标源的LOFAR图；

(5)在目标声源的LOFAR图上读取在能量最强的那条干涉条纹上以开始时刻t_g0和频率f_g0为参考点为基准的目标声源的时间差Δt和目标声源的频差Δf₀；

(6)按照速度和目标距离计算公式

和

f₀为频率，计算目标速度和距离。

所述滤波器的下限频率为引导源上限频率，上限频率为接收信号的频率上限。

本发明提供了一种基于波导不变量的原理被动测距和测速的技术，它无须知道精细的海洋环境信息，仅利用单声压水听器就可以实现被动测距和测速更凸显出此方法的实用性。

附图说明

图1是引导声源被动测距和测速流程图；

图2是接收水听器在海中布放图；

图3是宽带噪声的LOFAR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：

本发明的基本思想：引导声源及目标声源辐射宽带、连续谱的噪声，它们都被看作一个点源，通过海洋，信号到达单声压接收水听器。海洋可被看作简正波波导，或看作一个相干多途信道(频率必须在200Hz以上，声线理论)。对输出信号进行信息变换。例如，自功率谱分析，互谱分析，相关分析，时延差分析，及时频分析等。信息变换的目的是使得目标信息(是否存在、距离、深度、速度及其他特征)在变换域上被加强，在变换域上得到干涉条纹，用Radon变换或Hough变换可以求得波导不变量，从而使用信号处理技术更有效地提取目标的距离和速度信息。结合图1，给出本实施例所使用引导声源被动测距和测速流程图。

结合图2，给出接收水听器在海中的布放图。海面1与海底2的垂直距离为H米，一接收声压水听器3布放在海深h米处，引导声源4和目标声源5分别在深度为z_g和z₀处等深度航行，利用接收水听器接收一段时间的被测目标和引导声源的联合宽带谱信号。通过对接收信号的连续采样数据做平均周期图，即得到在时间—频率联合域上的LOFAR图，如图3所示。本实施例假定引导声源和目标声源远离接收点，则在LOFAR图上干涉条纹是一簇直线。

首先利用引导声源的LOFAR图提取干涉条纹斜率和波导不变量。结合引导声源的距离、速度等数据由GPS经无线电通信链被传送到声呐平台这一特点，将接收到的信号经过一个与引导声源的频段相匹配的滤波器后，由声纳的一个跟踪波束输出引导声源在距离-频率联合域的LOFAR图。

声场有稳定的干涉条纹结构，在引导声源LOFAR图上有干涉条纹，其干涉条纹方程为：

$\frac{f_s}{f_{\mathrm{gs}}}={\left(\frac{r_s}{r_{\mathrm{gs}}}\right)}^{\mathrm{\β}}---\left(1\right)$

f_s表示引导声源的频率，r_s表示引导声源相对接收点的距离；f_gs为引导声源的参考频率，r_gs为引导声源相对接收点的参考距离。

结合引导声源的LOFAR图，利用Radon变换或Hough变换提取直线的方法提取干涉条纹斜率。

此外根据干涉条纹方程，使用广义Radon变换或Hough变换对引导声源的LOFAR图进行图像处理，在变换域上提取波导不变量β。

然后将接收信号经过一个滤波器(此滤波器的下限频率为引导源上限频率，其上限频率为接收信号的频率上限)，滤波后可以得到目标源在时间-频率域上的LOFAR图。β值已知(用引导源测到的)。f₀表示目标声源的频率，r₀表示目标声源相对接收点的距离；f_g0为目标声源的参考频率，r_g0为目标声源相对接收点的参考距离。试求目标距离。

目标源的干涉条纹方程为：

$\frac{f_0}{f_{g0}}={\left(\frac{r_0}{r_{g0}}\right)}^{\mathrm{\β}}---\left(2\right)$

当目标在远距离处，即目标不靠近航迹远离传感器的最近通过点时，假设海底平整，有引导声源处的干涉条纹斜率(dr/df)_s与目标声源的干涉条纹斜率(dr/df)₀近似相同这一特征，即

${\left(\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{df}}\right)}_0\≈{\left(\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{df}}\right)}_s=\frac{\mathrm{\Δ}{r}_s}{\mathrm{\Δ}{f}_s},\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{r}_s=r_s-r_{\mathrm{gs}}\\ \mathrm{\Δ}{f}_s=f_s-f_{\mathrm{gs}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

Δr_s/Δf_s为在引导声源的LOFAR图提取的干涉条纹斜率，Δr_s为引导声源的程差，Δf_s为引导声源的频差。假设目标声源的程差为Δr₀，目标声源的时间差为Δt，有Δr₀＝vΔt＝(dr/df)₀Δf₀，其中Δf₀为目标声源的频差。在目标声源的LOFAR图上读取目标声源的时间差Δt和目标声源的频差Δf₀。则可得到速度公式：

$v=\frac{\mathrm{\Δ}{r}_s\mathrm{\Δ}{f}_0}{\mathrm{\Δ}{f}_s\mathrm{\Δt}}---\left(4\right)$

速度式右边均为已知量，故可以估计速度v值。将速度值，波导不变量及干涉条纹代入(2)式，可以得到距离的估计值，

$r_{g0}=\frac{\mathrm{\Δ}{r}_s\mathrm{\Δ}{f}_0}{\mathrm{\Δ}{f}_s[{\left(\frac{f_0}{f_{g0}}\right)}^{1/\mathrm{\β}}-1]}---\left(5\right)$

在同一片海区，假设海底是平整这一前提下，利用引导声源估计的干涉条纹斜率和提取的波导不变量，结合目标声源的LOFAR图，按式(5)和式(4)，即可以测得进行目标的距离和速度。

当然，本发明还可以有其他的实施例，在不背离发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于单水听器的被动测距方法，其特征是：

(1)将接收信号经过与引导声源匹配的滤波器后得到引导声源的LOFAR图；

(2)结合引导声源的LOFAR图，利用Radon变换或Hough变换提取直线的方法提取干涉条纹斜率Δr_s/Δf_s，其中Δr_s为引导声源的程差，Δf_s为引导声源的频差；

(3)根据干涉条纹方程，使用广义Radon变换或Hough变换对引导声源的LOFAR图进行图像处理，在变换域上提取波导不变量β；

(4)将接收信号经过另一个滤波器，滤波后得到目标声源的LOFAR图；

(5)在目标声源的LOFAR图上读取在能量最强的那条干涉条纹上以开始时刻t_g0和目标声源的参考频率f_g0为参考点基准的目标声源的时间差Δt和目标声源的频差Δf₀；

(6)按照速度和目标距离计算公式

和

f₀为目标声源的频率，计算目标速度和距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于单水听器的被动测距方法，其特征是：所述另一个滤波器的下限频率为引导声源上限频率，所述另一个滤波器的上限频率为接收信号的频率上限。

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