CN102636785A - 一种水下目标三维定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种水下目标三维定位方法。采用3个以上阵元组成具有空间尺度的分布式阵列，接收水下目标发射脉冲信号，对各阵元经预处理得到的脉冲序列进行联合处理，首先剔除干扰脉冲；直达声、海面或海底反射声辨识；辨识出3以上阵元接收直达声脉冲的情况下，选择有效因子最高的三个基元，进行球交汇得三维坐标。本发明的核心技术内容在于多阵元联合辨识脉冲类型，将海面、海底反射声信息同时保留，并视其为虚拟阵元接收直达声信号，利用空间球面交汇定出目标三维坐标。本发明充分利用了水声信道的多途特性，确保了在直达声缺失或漏报的情况下仍能进行准确的定位，具有较高的稳健性和实用价值。本发明更适用于短基线近程合作目标三维定位。

Description

一种水下目标三维定位方法

技术领域

本发明涉及的是一种水声定位方法，具体涉及一种水下目标三维坐标定位的方法。

背景技术

水声定位系统主要指的是可以用于局部区域精确定位导航的系统。大多数的水声定位系统，都是在某一参照系内通过测距或测向确定航行器或目标的位置。

短基线定位系统通常是在船底或平台舷侧布置3个以上的基元构成基线阵，通过测量声波在目标与各个基元之间的传播时间差来解算目标的方位和距离，进而推算出目标的坐标。为了获取测量阵的位置和姿态，短基线定位系统需要配有垂直参考单元、罗经和参考坐标系统。其优点是：系统组成简单而便于操作；测距精度高。短基线定位系统的缺点是：需要在船底安装3个以上接收阵元且需要良好的几何图形，接收阵需要精确的校准；定位精度工作距离关系较大，工作距离越远精度越差。

短基线定位系统通常采用的工作方式主要有应答器式或同步信标式。

应答式工作方式，基元向水下应答器发送询问信号，水下应答器接收到询问信号后，以另外一频率发回应答信号。应答器在收到询问信号后开始计时，短基线接收基元则由应答信号到达时刻减去二分之一“询问应答”时间，并计算其绝对距离，进而得出水下应答器相对于基阵的坐标。应答器工作方式要求在应答器和测量船上都安装询问(应答)发射机和接收机。

信标式工作方式要求在待测目标和与基阵基元上都安装高精度同步时钟系统，信标按同步时刻定时发射信号，经基阵基元测时装置测出信号从发射到接收所经历的时间，计算其距离，以确定出声源(目标)相对于接收基阵的空间位置。信标式工作方式要求基元之间完全时刻同步，而根据声源时钟和基元接收机的时钟是否完全同步又可分为同步和异步两种，同步方式采用球交汇模型，异步方式采用双曲交汇模型求得定位解。与应答式系统相比，信标式系统在设备上比较简单，但对时钟的要求比较高。

公开号为CN 101846738B的专利文件中，提供了一种利用海面反射声进行测深的方法，其适用的条件是目标水平距离已知，通过被动测量目标噪声实现。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能确保在直达声缺失或漏报的情况下仍能进行准确定位的水下目标三维定位方法。

本发明的目的是这样实现的：

1、采用3个以上阵元组成具有空间尺度的分布式阵列，接收水下目标发射脉冲信号，对各阵元经预处理得到的脉冲序列进行联合处理，首先剔除干扰脉冲；第i、j号阵元接收脉冲时延分别为t_i、t_j，阵元直线距离为L_ij，声速为c，则不满足不等式c·|t_i-t_j|＜L_ij的两个脉冲中必有一个为干扰脉冲，对两两阵元间脉冲时延进行比较，剔除干扰脉冲；

2、直达声、海面或海底反射声辨识，主要实现步骤为：

(2.1)依据脉冲时延、幅度、脉宽、频率、频率方差信息选择最可能的直达声脉冲以及相应阵元，设定第i号阵元k号脉冲为参考基准，脉冲时延值为t_ik，为剩余的第j号阵元设定时延窗T_ij＝L_ij/c，其中第i、j号阵元阵元直线距离为L_ij，声速为c，从时间窗内挑选出第j号阵元直达声，记录直达声时延值，并评定各个直达脉冲的有效因子；

(2.2)将各阵元直达脉冲置为无效值，不参与海面或海底一次反射声的挑选；依据脉冲时延、幅度、脉宽、频率、频率方差信息选择最可能的海面或海底反射声以及相应阵元，设定第i号阵元k号反射声脉冲为参考基准，脉冲时延值为t_ik，为剩余的第j号阵元设定时延窗T_ij＝L_ij/c，其中第i、j号阵元阵元直线距离为L_ij，声速为c，从时间窗内挑选出第j号阵元反射声，记录反射声时延值，并评定各个直达脉冲、反射脉冲的有效因子；

3、辨识出3以上阵元接收直达声脉冲的情况下，选择有效因子最高的三个基元，进行球交汇得三维坐标；

4、辨识出直达声脉冲不足3阵元的情况下，按照以下方法进行目标定位：

(4.1)根据射线声学理论，仅考虑海面或海底一次反射声，对于任一坐标为(x_i，y_i，z_i)的阵元虚拟出2个接收阵元，分别以海面海底作镜像，得到虚拟阵元坐标(x_i，y_i，-z_i)(x₂，y₂，z₂)和(x_i，y_i，2H-z_i)，其中H为海深；

(4.2)取任意一组独立阵元进行球交汇定位出水下目标三维坐标，不同阵元组合解算得到一组三维坐标，依据参与解算的有效脉冲有效因子加权平均得到水下目标三维坐标；所述的一组独立阵元是指其空间位置分布能形成水平尺度和垂直尺度的3个真实阵元或虚拟阵元。

本发明针对的是同步信标式短基线定位系统对水下目标三维定位问题。传统信标式工作方式，信标辐射单频短脉冲，接收阵元检测多途脉冲信号，通过距离门等手段，屏蔽干扰脉冲，并且各个阵元相对独立的进行脉冲辨识，仅保留直达声脉冲，测得其时延后在进行空间交汇获得目标三维坐标。而在某些情况下，由于平台遮挡或者反射叠加信号相消，会导致直达声缺失或者漏报。此时，传统的基于直达声的球面交汇方法就不能确定目标坐标。实际上由于水声信道多途效应，海面、海底反射声稳定存在，可资利用之。本发明主要提供的即是基于海面海底与直达声联合定位方法，主要包括直达声、反射声的辨识，以及如何利用直达声、反射声进行三维定位。

本发明的核心技术内容在于多阵元联合辨识脉冲类型，将海面、海底反射声信息同时保留，并视其为虚拟阵元接收直达声信号，利用空间球面交汇定出目标三维坐标。

本发明的优点在于充分利用了水声信道的多途特性，确保了在直达声缺失或漏报的情况下仍能进行准确的定位，具有较高的稳健性和实用价值。

本发明更适用于短基线近程合作目标三维定位。

附图说明

图1为本发明实现的主要框图；

图2为1#阵元接收脉冲信号图；

图3为2#阵元接收脉冲信号图；

图4为3#阵元接收脉冲信号图；

图5为4#阵元接收脉冲信号图；

图6为1#阵元预处理后脉冲序列图；

图7为2#阵元预处理后脉冲序列图；

图8为3#阵元预处理后脉冲序列图；

图9为4#阵元预处理后脉冲序列图；

图10为经多阵元处理1#阵元剔除的干扰脉冲图；

图11为经多阵元处理2#阵元剔除的干扰脉冲图；

图12为经多阵元处理3#阵元剔除的干扰脉冲图；

图13为经多阵元处理4#阵元剔除的干扰脉冲图；

图14为经多阵元处理1#阵元辨识出的脉冲类型图；

图15为经多阵元处理2#阵元辨识出的脉冲类型图；

图16为经多阵元处理3#阵元辨识出的脉冲类型图；

图17为经多阵元处理4#阵元辨识出的脉冲类型图；

图18为目标、真实阵元与虚拟阵元几何图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细地描述：

假定海深100m，声速为1500m/s，信标位于(50，80，-55)处周期发射单频脉冲信号，四阵元组成接收阵列安装于水下平台上，其坐标位置分别为1#(5，0，-30)、2#(0，0，-30)、3#(0，0，-25)、4#(-5，0，-30)，水下目标三维定位过程，实现的主要步骤如图1所示，具体如下进行：

1、1#、2#、3#、4#阵元接收信号分别如图2-5所示，各个阵元独立对接收信号进行常规预处理，主要包括窄带滤波，脉冲检测，参数估计等，得到脉冲序列，如图6-9所示。

2、剔除干扰脉冲。两两阵元间各个脉冲时延比较，第i、j号阵元接收脉冲时延分别为t_i、t_j，阵元直线距离为L_ij，声速为c，则不满足不等式c·|t_i-t_j|＜L_ij的两个脉冲中必有一个为干扰脉冲，经过多次时延比较，将无时延匹配的脉冲剔除，图10-13给出了1-4#阵元进行联合处理后剔除的干扰脉冲。

3、在余下的脉冲中选择基准直达声脉冲和阵元。对所有阵元脉冲的幅度、脉宽、频差、频率方差等信息进行比较，1#阵元的幅度最大信号、脉宽、频率与发射脉冲最接近，且频率方差最小，选择该脉冲为基准直达声脉冲，1#阵元为基准阵元。为2#、3#、4#阵元设定时间窗T_1j＝L_1j/c，在设定时间窗内寻找直达声脉冲。类似的，从各阵元余下的脉冲中挑选出海面或海底一次反射声。并依据脉冲的幅度、脉宽、频差、频率方差以及配对脉冲个数等信息评定各个直达脉冲、反射脉冲的有效因子Q_id、Q_is、Q_ib，挑选出的直达脉冲、一次反射声如图5所示。

4、这里辨识出4个阵元接收到直达声，选择有效因子最高的1#、2#、3#阵元进行解算，其坐标分别用1#(x₁，y₁，z₁)、2#(x₂，y₂，z₂)、3#(x₃，y₃，z₃)来表示，目标(x_s，y_s，z_s)位置满足球面方程：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x_S)}^2+{(y_1-y_S)}^2+{(z_1-z_S)}^2=c^2{t}_1^2\\ {(x_2-x_S)}^2+{(y_2-y_S)}^2+{(z_2-z_S)}^2=c^2{t}_2^2\\ {(x_3-x_S)}^2+{(y_3-y_S)}^2+{(z_3-z_S)}^2=c^2{t}_3^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

将(1)式改写为矩阵方程：

AX+BY＝D                        (2)

其中，X＝[x_S]， $A=2\left[\begin{array}{c}{x}_2-x_1\\ x_3-x_1\end{array}\right],$ $B=2\left[\begin{array}{cc}{y}_2-y_1& z_2-z_1\\ y_3-y_1& z_3-z_1\end{array}\right],$ Y＝[y_S  z_S]^T

$D={\left[\begin{array}{cc}{d}_2^2-r_2^2-d_1^2+r_1^2& d_3^2-r_3^2-d_1^2+r_1^2\end{array}\right]}^T..$

如果矩阵B可逆，由(2)式解得：

Y＝-B^-1(AX-D)                (3)

将(3)式带入(1)式中的任意一个球面方程，即可得到一个以x_S为变量的一元二次方程，解该方程得到两个解，再带回(1)式，可得到一组双解，舍去z_S＞0的解，即可得到目标的三维坐标。

5、假定由于平台遮挡，仅1#阵元、2#阵元能接收到所有脉冲，3#阵元、4#阵元直达声缺失。分别将3#阵元、4#阵元位置以海面海底作镜像虚拟两个虚拟阵元，如图6所示，得到3#阵元对应的海面虚拟阵元3′#坐标(0，0，25)和海底虚拟阵元3″#坐标(0，0，-175)，4#阵元对应的海面虚拟阵元4′#坐标(-5，0，30)和海底虚拟阵元4″#坐标(0，0，-170)，以虚拟阵元坐标和其对应海面、海底反射声时延带入(1)式，视其为虚拟阵元的直达声解算目标三维坐标。

仅考虑1#、2#阵元与海底虚拟阵元组合(1#，2#，3″#)、(1#，2#，4″#)、(1#，3″#，4″#)、(2#，3″#，4″#)解分别为s₁、s₂、s₃、s₄，其权值定为w₁＝Q_1d·Q_2d·Q_3b、w₂＝Q_1d·Q_2d·Q_4b，w₃＝Q_1d·Q_3b·Q_4b、w₄＝Q_2d·Q_3b·Q_4b，目标三维坐标为

如果考虑1#、2#阵元的虚拟阵元可以得到的解更多。而且1#、2#真实阵元和1#、2#阵元的任意一个虚拟阵元组合就可以解算出目标三维坐标。

在所有阵元直达声缺失的情况下，只要有海面或海底反射声，就可以给出目标三维坐标，此时需要结合一些先验知识来辨识脉冲类型了。

Claims (1)

1.一种水下目标三维定位方法，其特征是：

(1)采用3个以上阵元组成具有空间尺度的分布式阵列，接收水下目标发射脉冲信号，对各阵元经预处理得到的脉冲序列进行联合处理，首先剔除干扰脉冲；第i、j号阵元接收脉冲时延分别为t_i、t_j，阵元直线距离为L_ij，声速为c，则不满足不等式c·|t_i-t_j|＜L_ij的两个脉冲中必有一个为干扰脉冲，对两两阵元间脉冲时延进行比较，剔除干扰脉冲；

(2)直达声、海面或海底反射声辨识，主要实现步骤为：

(2.1)依据脉冲时延、幅度、脉宽、频率、频率方差信息选择最可能的直达声脉冲以及相应阵元，设定第i号阵元k号脉冲为参考基准，脉冲时延值为t_ik，为剩余的第j号阵元设定时延窗T_ij＝L_ij/c，其中第i、j号阵元阵元直线距离为L_ij，声速为c，从时间窗内挑选出第j号阵元直达声，记录直达声时延值，并评定各个直达脉冲的有效因子；

(2.2)将各阵元直达脉冲置为无效值，不参与海面或海底一次反射声的挑选；依据脉冲时延、幅度、脉宽、频率、频率方差信息选择最可能的海面或海底反射声以及相应阵元，设定第i号阵元k号反射声脉冲为参考基准，脉冲时延值为t_ik，为剩余的第j号阵元设定时延窗T_ij＝L_ij/c，其中第i、j号阵元阵元直线距离为L_ij，声速为c，从时间窗内挑选出第j号阵元反射声，记录反射声时延值，并评定各个直达脉冲、反射脉冲的有效因子；

(3)辨识出3以上阵元接收直达声脉冲的情况下，选择有效因子最高的三个基元，进行球交汇得三维坐标；

(4)辨识出直达声脉冲不足3阵元的情况下，按照以下方法进行目标定位：

(4.1)仅考虑海面或海底一次反射声，对于任一坐标为(x_i，y_i，z_i)的阵元虚拟出2个接收阵元，分别以海面海底作镜像，得到虚拟阵元坐标(x_i，y_i，-z_i)(x₂，y₂，z₂)和(x_i，y_i，2H-z_i)，其中H为海深；

(4.2)取任意一组独立阵元进行球交汇定位出水下目标三维坐标，不同阵元组合解算得到一组三维坐标，依据参与解算的有效脉冲有效因子加权平均得到水下目标三维坐标；所述的一组独立阵元是指其空间位置分布能形成水平尺度和垂直尺度的3个真实阵元或虚拟阵元。

Images