CN102981146A - 一种单矢量水听器被动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种单矢量水听器被动定位方法。（1）对声压信号进行短时傅立叶变换，得到噪声信号的时频分布；（2）提取强线谱信号的时间历程，根据线谱频率的时间历程估计目标最近通过时刻，根据线谱的多普勒频偏估计目标的运动速度；（3）利用单矢量水听器接收的声压信号和水平振速信号对线谱相应的目标进行测向，得到目标通过测点过程的方位的时间历程；（4）根据目标的方位时间历程和运动速度估计目标的运动轨迹。本发明的优点在于不需要已知海洋的水文参数，仅须连续测量声压与水平振速信息即可实现对目标定位。本发明既适用于深海，也适用于浅海。

Description

一种单矢量水听器被动定位方法

技术领域

本发明涉及的是一种水声定位方法。

背景技术

现有的水声定位方法，主要有主动和被动两大类。主动定位方法需要借助于已知的信号波形，而被动定位方法则主要借助于目标噪声。本发明属于后者。常规的被动定位方法需要借助于阵列在空间不同位置对目标进行测距测向，对于低频带目标通常需要较大的阵列孔径。对现有的技术手段而言，固定布放于海底的单个声压水听器由于其无测距测向能力，因而无法实现对非合作目标的被动定位。

矢量水听器由于可以同步共点测量声场的声压和振速信息，可以对目标进行测向。根据测量海域的海深、声速分布、密度、底质声速、底质密度、层厚等水文条件，可以通过声场计算对目标进行距离与速度比值的估计。通常情况下这些水文条件参数不易获得，或者即便获得也有较大的误差和较低的可信度。

文献“基于单矢量水听器的水面目标运动分析”（声学技术，2010.29(4):361-364）中给出了一种单矢量水听器定位的方法，但是其利用了矢量水听器所测的俯仰角信息，该方法仅在深海或者满足自由场条件下适用。

文献“基于干涉谱分析的单水听器被动定位技术研究”（哈尔滨工程大学硕士学位论文，2006）从声场的干涉特性出发利用单矢量水听器对目标进行定位。文献“时间反转镜被动定位技术研究”利用时间反转镜方法给出单矢量水听器的被动定位方法。这两篇文献中公开的技术方案的共同特点是要求准确知道作业海域的水文参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在海洋水文参数未知的条件下能够对匀速直线运动目标进行被动定位的单矢量水听器被动定位方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）对声压信号进行短时傅立叶变换，得到噪声信号的时频分布；

（2）提取强线谱信号的时间历程，根据线谱频率的时间历程估计目标最近通过时刻，根据线谱的多普勒频偏估计目标的运动速度；

（3）利用单矢量水听器接收的声压信号和水平振速信号对线谱相应的目标进行测向，得到目标通过测点过程的方位的时间历程；

（4）根据目标的方位时间历程和运动速度估计目标的运动轨迹。

本发明适用于保持匀速直线运动且在矢量水听器工作频带内具有特征线谱的目标，能够估计出其运动速度。

是用本发明的矢量水听器能够连续测量目标辐射的声压与振速信号并估计得到目标的方位时间历程。

本发明的优点在于不需要已知海洋的水文参数，仅须连续测量声压与水平振速信息即可实现对目标定位。本发明既适用于深海，也适用于浅海。

附图说明

图1是单矢量水听器被动定位的几何配置示意图。

图2是最近通过距离一定时不同速度对应的多普勒频移时间历程。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述。

本发明中，图1给出了单矢量水听器被动定位的几何配置图。单矢量水听器1既可以坐底方式布放于海底，也可以锚泊方式布放于距海底一定深度的水中。目标2以恒定的速度做直线运动。目标2可以是船舶等水面目标，也可以是水下作业机器人等水下目标。

第一步，对声压信号p(t)进行短时傅立叶变换，得到噪声信号的时频分布P(t,f)：

$P(t,f)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}p\left(t\right)g\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\πft}}\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中数据窗函数g(t)定义为

$g\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& -\frac{T}{2}\≤t\≤\frac{T}{2}\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.$

T为窗长，t为时间。

第二步，从P(t,f)中挑选出连续变化的线谱，线谱挑选的方法可采取文“噪声中的线谱检测及自动提取研究”（应用声学，2009，28（3）：220-225）的方法。得到其中一条线谱频率的时间历程f(t)。

当目标从矢量水听器1通过时，其频率有如下特点：

假定目标以速度v作匀速直线运动辐射频率为f₀的信号，最近通过距离为r₀，其轨迹几何关系如图1所示，则矢量水听器在任意时刻接收到信号的频率f(t)满足：

$f\left(t\right)=f_0-\frac{v^2\mathrm{\τ}}{c\sqrt{r_0^2+v^2{(t-t_0)}^2}}{f}_0---\left(2\right)$

式中t₀为目标最近通过时刻。由式(2)可得多普勒频移f_d为:

$f_d\left(t\right)=f\left(t\right)-f_0=-\frac{v^2\mathrm{\τ}}{c\sqrt{r_0^2+v^2{(t-t_0)}^2}}{f}_0=-\frac{1}{\sqrt{1+\frac{r_0^2}{v^2{(t-t_0)}^2}}}\frac{v}{c}{f}_0---\left(3\right)$

在|v(t-t₀)|＞＞r₀时，

此时目标近似于相对潜标相向运动，式(3)可以得到最大多普勒频移f_dmax满足：

$f_{d\max }=-\frac{v}{c}{f}_0---\left(4\right)$

由式(4)可知，如果测得目标信号的最大多普勒频移和目标辐射噪声的线谱频率，就可以计算目标的速度。

然而在实际计算时，式（4）不可直接应用。这是由于只能测得多普勒之后的线谱频率，而不知f₀，也不知f_dmax。因此需要对进行估计。

中心频率f₀可采用如下方法估计得到：对f(τ)求导

当其变化最快时对应的频率即为中心频率f₀。此时所对应的时刻即为最近通过时刻t₀。

最大多普勒频偏f_dmax可由下式求得：

f_dmax＝max{f(t)-f₀}（5）

将f₀和f_dmax代入式（4）可以求得目标运动速度。

这里给出一个算例：设目标速度为v=2m/s，v=5m/s和v=10m/s，声速c=1500m/s，信号中心频率f₀＝150Hz，最近通过距离r₀为2km。如图2所示，该图给出了多普勒频移随相对时间τ的变化关系曲线。从图中可以看出，零时刻目标线谱频率变化最快，其值等于中心频率（零多普勒）；在目标速度为10m/s且距离较远时，多普勒频移接近于±1Hz，分别对应于目标靠近和远离矢量水听器的情形。

第三步，利用单矢量水听器接收的声压信号和水平振速信号对线谱相应的目标进行测向，得到目标通过测点过程的方位的时间历程。对于线谱信号s(t)＝cos(2πf₀t)，在满足平面波条件下，矢量水听器接收到的声压和振速分别为：

p(t)＝s(t)＝cos(2πf₀t)           （6）

v_x(t)＝s(t)cosθ＝cos(2πf₀t)cosθ（7）

v_y(t)＝s(t)sinθ＝cos(2πf₀t)sinθ（8）

式中θ为目标的水平方位。

计算x和y方向的水平能流I_x(f)和I_y(f)：

I_x(f)＝Re{P(f)^HV_x(f)}    （9）

I_y(f)＝Re{P(f)^HV_y(f)}    （10）

式中P(f)，V_x(f)和V_y(f)分别为p(t)，v_x(t)和v_y(t)的傅立叶变换，Re(·)表示取实部。

在不同的时刻t利用下式对线谱f(t)测向可得到方位的时间历程θ(t)：

$\mathrm{\θ}\left(t\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{I_y\left(f\left(t\right)\right)}{I_x\left(f\left(t\right)\right)}\right)---\left(11\right)$

第四步，根据方位的时间历程和运动速度估计目标的运动轨迹。

根据下式可以估计目标的最近通过距离r₀：

$r_0=\left|\frac{v(t-t_0)}{\tan (\mathrm{\θ}\left(t\right)-{\mathrm{\θ}}_0)}\right|---\left(12\right)$

式中θ₀为最近通过时刻t₀所对应的目标方位。

根据下式可以得到t时刻目标在大地坐标系下的位置：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(t\right)=\frac{r_0}{\left|\cos ({\mathrm{\θ}}_0-\mathrm{\θ}\left(t\right))\right|}\cos \mathrm{\θ}\left(t\right)+x_0\\ y\left(t\right)=\frac{r_0}{\left|\cos ({\mathrm{\θ}}_0-\mathrm{\θ}\left(t\right))\right|}\sin \mathrm{\θ}\left(t\right)+y_0\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中，(x₀,y₀)为单矢量水听器所在测点的大地坐标。

Claims (1)

1.一种单矢量水听器被动定位方法，其特征是：

（1）对声压信号进行短时傅立叶变换，得到噪声信号的时频分布；

（2）提取强线谱信号的时间历程，根据线谱频率的时间历程估计目标最近通过时刻，根据线谱的多普勒频偏估计目标的运动速度；

（3）利用单矢量水听器接收的声压信号和水平振速信号对线谱相应的目标进行测向，得到目标通过测点过程的方位的时间历程；

（4）根据目标的方位时间历程和运动速度估计目标的运动轨迹。

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