CN103048642B - 基于频域最小二乘法的水声脉冲信号匹配场定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频域最小二乘法的水声脉冲信号匹配场的定位方法，包括以下步骤：步骤10）对双阵元水听器采用声场传播模型测算声场，首先确定声源的搜索范围：在观测范围内，对观测范围进行网格点划分，获得网格区域，然后对网格区域，使用声场传播模型，将海洋环境参数作为声场传播模型的输入值，通过声场传播模型测算，得到各网格区域上的声源在每个水听器上激励所产生的信道脉冲响应；步骤20）根据双阵元水听器接收到的水声脉冲信号和声场传播模型测算的信道脉冲响应，对目标实施匹配场定位，该定位方法可在发射信号先验信息不足情况下仍可实现水声脉冲信号的定位，并克服传统多传感器阵列处理方式下所带来的诸多问题。

Description

基于频域最小二乘法的水声脉冲信号匹配场定位方法

技术领域

本发明涉及针对水声信号处理技术领域的水下目标定位方法，具体来说，涉及一种基于频域最小二乘法的水声脉冲信号匹配场的定位方法。

背景技术

水声定位技术在水声技术中扮演着极其重要的角色，是水声技术中的一个重要且基本的问题，同时也是国民经济建设和国防建设的关键技术。在水声定位技术中，被动定位技术一直是水声技术中的重要研究方向。现阶段对于水下被动定位技术目前多围绕舰船辐射噪声而展开工作，很少有针对各种水声脉冲信号在发射信号未知方式下的被动定位。对于水声脉冲信号而言，其信号形式不同于舰船辐射的噪声，它是由人工所产生的，有比较规则的信号形式，同时在时间上具有不连续性、瞬时性，在带宽上具有窄带特性，不能通过长时间的积分来获得时间增益，这就造成了对于水声脉冲信号的被动定位需要寻求与传统的舰船辐射噪声所不同的方式和手段。

考虑到水声环境的复杂性，为了能够更准确地对水下目标实施定位，需要从声传播的角度出发，借助匹配场定位技术来确定目标声源的位置。传统意义上的匹配场定位技术，一般多采用阵列的处理方式，具有大的孔径，以获得良好的阵增益和分辨性能。但是采用多阵元的大阵列，一方面增加了系统的开销，给基阵的设计带来不便；另一方面，在实际海水中布放时会受到诸如阵倾斜以及阵元失效等问题，增加了对水下目标定位的难度。因此，研究采用较少的阵元个数来对水下目标进行定位一直被研究人员所关注，相应的也取得了一些突破和进展。

使用较少的阵元个数进行目标位置估计的一个难点在于空间信息的缺乏。多数研究人员借助宽带信号的多频点特性，从假设发射信号为已知的情形出发，采用“频点换孔径”的思想来对目标信号实施定位。但在被动定位技术中，由于所获得的发射信号的先验信息有限，往往需要在发射信号未知的情形下进行，从而进一步增加了定位的难度。另外，传统匹配场处理技术当阵元个数变少时，其定位结果输出的模糊表面旁瓣较高，无法对目标进行精确定位，也成为了困扰此项技术的一个瓶颈。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于频域最小二乘法的水声脉冲信号匹配场的定位方法，该定位方法可在发射信号先验信息不足情况下仍可实现水声脉冲信号的定位，并克服传统多传感器阵列处理方式下所带来的诸多问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的一种基于频域最小二乘法的水声脉冲信号匹配场的定位方法，该定位方法包括以下步骤：

步骤10)对双阵元水听器采用声场传播模型测算声场，包括如下的步骤：

步骤101)确定声源的搜索范围：在观测范围内，对观测范围进行网格点划分，获得网格区域(R，Z)，其中，R表示搜索网格区域上的距离范围，Z表示搜索网格区域上的深度范围；

步骤102)对步骤101)所划分的网格区域(R，Z)，使用Kraken声场传播模型，将海洋环境参数作为声场传播模型的输入值，通过声场传播模型测算，得到各网格区域上的声源在每个水听器上激励所产生的信道脉冲响应H_j(ω_i)，j＝1、2；其中，ω_i表示水声脉冲信号频带范围内的各频率点，i＝1、2、…、L，L表示水声脉冲信号频带内的频点总数；

步骤20)根据双阵元水听器接收到的水声脉冲信号和声场传播模型测算的信道脉冲响应H_j(ω_i)，对目标实施匹配场定位，包括如下步骤：

步骤201)将声传播模型测算的信道脉冲响应H_j(ω_i)以式(1)形式进行排列：

${\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}=\left[\begin{array}{ccccccc}{H}_1\left({\mathrm{\ω}}_1\right)& H_2\left({\mathrm{\ω}}_1\right)& 0& 0& ...& 0& 0\\ 0& 0& H_1\left({\mathrm{\ω}}_2\right)& H_2\left({\mathrm{\ω}}_2\right)& ...& 0& 0\\ .& .& .& .& & & \\ .& .& .& .& ...& 0& 0\\ .& .& .& .& & & \\ 0& 0& 0& 0& ...& H_1\left({\mathrm{\ω}}_L\right)& H_2\left({\mathrm{\ω}}_L\right)\end{array}\right]$ 式(1)

其中，H₁(ω_i)表示一个水听器上的信道脉冲响应，H₂(ω_i)表示另一个水听器上的信道脉冲响应；i＝1、2、…、L；

步骤202)将两个水听器接收到的水声脉冲信号y₁(n)和y₂(n)分别进行傅里叶变换，得到相应的频谱Y₁(ω′_k)和Y₂(ω′_k)，其中，n表示离散时间索引，ω′_k表示整个采样频率范围内的离散频率点，k＝1、2、…、N，k表示离散频点索引，N表示整个采样频率范围内总的频点数；

步骤203)在水声脉冲信号频带范围内，取出Y₁(ω′_k)和Y₂(ω′_k)在各自频带内的频谱Y₁(ω_i)和Y₂(ω_i)，i＝1、2、…、L；

步骤204)由Y₁(ω_i)和Y₂(ω_i)构造如式(2)所示的两个水听器的接收信号的谱矩阵X_1，2：

X_1，2＝diag[Y_1，2(ω₁)，Y_1，2(ω₂)，…，Y_1，2(ω_L)]式(2)

其中，diag[Y_1，2(ω₁)，Y_1，2(ω₂)，…，Y_1，2(ω_L)]表示由Y_1，2(ω_i)组成对角阵， $Y_{\mathrm{1,2}}\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\left[\begin{array}{cc}{Y}_1\left({\mathrm{\ω}}_i\right)& Y_1\left({\mathrm{\ω}}_i\right)\\ Y_2\left({\mathrm{\ω}}_i\right)& Y_2\left({\mathrm{\ω}}_i\right)\end{array}\right],$ i＝1、2、…、L；

步骤205)利用接收信号的谱矩阵X_1，2和某网格点位置上的使用式(3)的最小二乘法，估计发射信号的谱矩阵

$\hat{S}={\left({\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}^T{\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}\right)}^{-1}{\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}^T{X}_{\mathrm{1,2}}$ 式(3)

其中，表示的转置，表示矩阵的逆阵；

根据式(3)得到的发射信号谱矩阵依据式(4)确定频域拷贝信号的谱矩阵

${\hat{X}}_{\mathrm{1,2}}={\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}\hat{S}$ 式(4)

步骤206)建立如式(5)所示的误差代价函数L(R，Z)，产生相应的定位模糊表面：

$L(R,Z)=1/{\left|\right|X_{\mathrm{1,2}}-{\hat{X}}_{\mathrm{1,2}}\left|\right|}^2$ 式(5)

其中，表示接收信号的谱矩阵X_1，2与拷贝信号的谱矩阵之间误差的范数平方和，R表示搜索网格区域上的距离范围，Z表示搜索网格区域上的深度范围；

在所划分的网格区域上，对模糊表面进行匹配场搜索，根据式(6)确定出目标所在的位置：

$({\hat{R}}_0,{\hat{Z}}_0)=\underset{R,Z}{\arg \max }L(R,Z)$ 式(6)

其中：表示定位所得到的距离估计值，表示定位所得到的深度估计值，表示L(R，Z)在峰值位置处所对应的距离R和深度Z。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有测算简单，定位精度高的优点。现有技术多针对多阵元的处理方法以及发射信号的波形已知的情形，而本发明只利用双阵元水听器来完成对波形未知的水声脉冲信号的定位。本发明通过采用频域最小二乘法，联合测算双阵元水听器上的频域拷贝场信号，无需已知发射信号的波形信息，通过在频域建立误差代价函数，寻找接收信号的谱矩阵与拷贝场信号的谱矩阵之间的最优匹配，克服了传统匹配场处理因阵元过少而带来的定位模糊表面旁瓣过高的问题，提高了定位性能。

附图说明

图1是本发明实施例采用的声学环境示意图。

图2是本发明实施例的定位模糊表面示意图。

图3是本发明实施例距离的估计结果图。

图4是本发明实施例深度的估计结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明的一种基于频域最小二乘法的水声脉冲信号匹配场的定位方法，包括以下步骤：

步骤10)对双阵元水听器采用声场传播模型测算声场。步骤10)具体包括步骤101)和步骤102)。

步骤101)确定声源的搜索范围：在观测范围内，对观测范围进行网格点划分，获得网格区域(R，Z)，其中，R表示搜索网格区域上的距离范围，Z表示搜索网格区域上的深度范围。

步骤102)对步骤101)所划分的网格区域(R，Z)，使用Kraken声场传播模型，将海洋环境参数作为声场传播模型的输入值，通过声场传播模型测算，得到各网格区域上的声源在每个水听器上激励所产生的信道脉冲响应H_j(ω_i)，j＝1、2；其中，ω_i表示水声脉冲信号频带范围内的各频率点，i＝1、2、…、L，L表示水声脉冲信号频带内的频点总数。

在步骤102)中，海洋环境参数包括声速梯度分布、海水深度、海水密度、海底密度、海底的衰减系数。

步骤20)根据双阵元水听器接收到的水声脉冲信号和声场传播模型测算的信道脉冲响应H_j(ω_i)，对目标实施匹配场定位。步骤20)具体包括步骤201)-步骤206)。

步骤201)将声传播模型测算的信道脉冲响应H_j(ω_i)以式(1)形式进行排列：

${\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}=\left[\begin{array}{ccccccc}{H}_1\left({\mathrm{\ω}}_1\right)& H_2\left({\mathrm{\ω}}_1\right)& 0& 0& ...& 0& 0\\ 0& 0& H_1\left({\mathrm{\ω}}_2\right)& H_2\left({\mathrm{\ω}}_2\right)& ...& 0& 0\\ .& .& .& .& & & \\ .& .& .& .& ...& 0& 0\\ .& .& .& .& & & \\ 0& 0& 0& 0& ...& H_1\left({\mathrm{\ω}}_L\right)& H_2\left({\mathrm{\ω}}_L\right)\end{array}\right]$ 式(1)

其中，H₁(ω_i)表示一个水听器上的信道脉冲响应，H₂(ω_i)表示另一个水听器上的信道脉冲响应；i＝1、2、…、L。

步骤202)将两个水听器接收到的水声脉冲信号y₁(n)和y₂(n)分别进行傅里叶变换，得到相应的频谱Y₁(ω′_k)和Y₂(ω′_k)，其中，n表示离散时间索引，ω′_k表示整个采样频率范围内的离散频率点，k＝1、2、…、N，k表示离散频点索引，N表示整个采样频率范围内总的频点数。

步骤203)在水声脉冲信号频带范围内，取出Y₁(ω′_k)和Y₂(ω′_k)在各自频带内的频谱Y₁(ω_i)和Y₂(ω_i)，i＝1、2、…、L。

步骤204)由Y₁(ω_i)和Y₂(ω_i)构造如式(2)所示的两个水听器的接收信号的谱矩阵X_1，2：

X_1，2＝diag[Y_1，2(ω₁)，Y_1，2(ω₂)，…，Y_1，2(ω_L)]式(2)

其中，diag[Y_1，2(ω₁)，Y_1，2(ω₂)，…，Y_1，2(ω_L)]表示由Y_1，2(ω_i)组成对角阵， $Y_{\mathrm{1,2}}\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\left[\begin{array}{cc}{Y}_1\left({\mathrm{\ω}}_i\right)& Y_1\left({\mathrm{\ω}}_i\right)\\ Y_2\left({\mathrm{\ω}}_i\right)& Y_2\left({\mathrm{\ω}}_i\right)\end{array}\right],$ i＝1、2、…、L。

步骤205)利用接收信号的谱矩阵X_1，2和某网格点位置上的使用式(3)的最小二乘法，估计发射信号的谱矩阵

$\hat{S}={\left({\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}^T{\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}\right)}^{-1}{\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}^T{X}_{\mathrm{1,2}}$ 式(3)

其中，表示的转置，表示矩阵的逆阵；

根据式(3)得到的发射信号谱矩阵依据式(4)确定频域拷贝信号的谱矩阵

${\hat{X}}_{\mathrm{1,2}}={\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}\hat{S}$ 式(4)。

步骤206)建立如式(5)所示的误差代价函数L(R，Z)，产生相应的定位模糊表面：

$L(R,Z)=1/{\left|\right|X_{\mathrm{1,2}}-{\hat{X}}_{\mathrm{1,2}}\left|\right|}^2$ 式(5)

其中，表示接收信号的谱矩阵X_1，2与拷贝信号的谱矩阵之间误差的范数平方和，R表示搜索网格区域上的距离范围，Z表示搜索网格区域上的深度范围。

在所划分的网格区域上，对模糊表面进行匹配场搜索，根据式(6)确定出目标所在的位置：

$({\hat{R}}_0,{\hat{Z}}_0)=\underset{R,Z}{\arg \max }L(R,Z)$ 式(6)

其中：表示定位所得到的距离估计值，表示定位所得到的深度估计值，表示L(R，Z)在峰值位置处所对应的距离R和深度Z。

本发明的基于频域最小二乘法的水声脉冲信号匹配场的定位方法包括：使用声场传播模型，测算声场频率响应；采用频域最小二乘法估计搜索网格区域每个网格点上发射信号的谱矩阵，测算网格点上拷贝场信号的谱矩阵；建立接收信号的谱矩阵与拷贝信号的谱矩阵之间的误差函数；网格区域的搜索以及定位结果显示。本发明的技术方案能够实现利用两垂直双阵元完成对发射信号未知的水声脉冲信号的定位。

下面例举一实施例。

如图1所示，为本实施例所采用的具有三层剖面结构的声场环境，其相关参数为：水层声速分布为负跃变层分布，水层深度为110m，沉积层厚度为5m，沉积层密度为1.5g/cm³，衰减系数为0.2dB/λ，上层声速为1550m/s，下层声速为1650m/s，底部声速为1700m/s，密度为1.9g/cm³，衰减系数为0.5dB/λ，基底声速为1800m/s，密度为2.0g/cm³，衰减系数为0.8dB/λ。声源深度为60m，两个接收水听器分别位于水下50m和70m，声源与接收机之间的距离为5km。发射信号为频带范围为150-350Hz的线性调频信号。图2是本实施例的定位模糊表面，图2采用matlab软件绘制。图2中，横坐标表示距离，单位千米(km)，纵坐标表示深度，单位米(m)。完成定位过程所需的步骤包括：

(1)对搜索区域进行网格域划分，同时配置好相关声场测算所需要的环境信息。在本实施例中，网格点按照距离为2Km-7Km，步距为100m，深度为5m-105m步距为2.5m的范围进行划分；

(2)选择kraken简正波模型，将配置好的环境文件代入声传播模型中，在所划分的网格区域上进行前向声场的测算，获得每个网格点上的测试声源在双阵元处的信道频率响应；

(3)通过双阵元上的频域接收信号和计算出的信道频率响应，采用最小二乘的方法获得搜索网格域上发射信号的谱矩阵，进而产生拷贝谱矩阵；

(4)通过网格搜索，测算出双阵元接收信号的谱矩阵与网格点位置上的拷贝谱矩阵之间的误差函数，获得模糊表面；

(5)对模糊表面进行峰值搜索，从而确定目标源的位置。

如图2所示，为本实施例的定位模糊表面。从图2可以看出：最终的定位结果为距离为5km，深度为60m。因此，本实施例的模糊表面给出的定位结果正确地反映了目标所在位置，模糊表面的峰值清晰且旁瓣较低，具有较好的定位效果。

图3是本实施例的定位模糊表面在估计位置处的距离切片。图3的横坐标表示距离，单位：千米(Km)，纵坐标表示模糊度，单位：分贝(dB)。主峰值显示了距离估计结果，其余为旁瓣区的输出结果。图4是本实施例的定位模糊表面在估计位置处的深度切片。图4的横坐标表示模糊度，单位：分贝(dB)，纵坐标表示深度，单位：米(m)。主峰值显示了深度估计的结果，其余为旁瓣区的输出结果。从图3和图4中可以看出，本发明的定位结果具有较高的主旁瓣比。

以上对本发明实施例所提供的基于频域最小二乘的水声脉冲信号匹配场定位方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种基于频域最小二乘法的水声脉冲信号匹配场的定位方法，其特征在于：该定位方法包括以下步骤：

步骤10）对双阵元水听器采用声场传播模型测算声场，包括如下的步骤：

步骤101）确定声源的搜索范围：在观测范围内，对观测范围进行网格点划分，获得网格区域(R，Z)，其中，R表示搜索网格区域上的距离范围，Z表示搜索网格区域上的深度范围；

步骤102）对步骤101）所划分的网格区域(R,Z)，使用Kraken声场传播模型，将海洋环境参数作为声场传播模型的输入值，通过声场传播模型测算，得到各网格区域上的声源在每个水听器上激励所产生的信道脉冲响应H_j(ω_i)，j=1、2；其中，ω_i表示水声脉冲信号频带范围内的各频率点，i=1、2、…、L，L表示水声脉冲信号频带内的频点总数；

步骤20）根据双阵元水听器接收到的水声脉冲信号和声场传播模型测算的信道脉冲响应H_j(ω_i)，对目标实施匹配场定位，包括如下步骤：

步骤201）将声传播模型测算的信道脉冲响应H_j(ω_i)以式（1）形式进行排列：

其中，H₁(ω_i)表示一个水听器上的信道脉冲响应，H₂(ω_i)表示另一个水听器上的信道脉冲响应；i=1、2、…、L；

步骤202）将两个水听器接收到的水声脉冲信号y₁(n)和y₂(n)分别进行傅里叶变换，得到相应的频谱Y₁(ω′_k)和Y₂(ω′_k)，其中，n表示离散时间索引，ω′_k表示整个采样频率范围内的离散频率点，k=1、2、…、N,k表示离散频点索引，N表示整个采样频率范围内总的频点数；

步骤203）在水声脉冲信号频带范围内，取出Y₁(ω′_k)和Y₂(ω′_k)在各自频带内的频谱Y₁(ω_i)和Y₂(ω_i)，i=1、2、…、L；

步骤204）由Y₁(ω_i)和Y₂(ω_i)构造如式（2）所示的两个水听器的接收信号的谱矩阵X_1,2：

X_1,2＝diag[Y_1,2(ω₁),Y_1,2(ω₂),…,Y_1,2(ω_L)]    式（2）

其中，diag[Y_1,2(ω₁),Y_1,2(ω₂),…,Y_1,2(ω_L)]表示由Y_1,2(ω_i)组成对角阵， $Y_{\mathrm{1,2}}\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\left[\begin{array}{cc}{Y}_1\left({\mathrm{\ω}}_i\right)& Y_1\left({\mathrm{\ω}}_i\right)\\ Y_2\left({\mathrm{\ω}}_i\right)& Y_2\left({\mathrm{\ω}}_i\right)\end{array}\right],$ i=1、2、…、L；

步骤205）利用接收信号的谱矩阵X_1,2和某网格点位置上的使用式（3）的最小二乘法，估计发射信号的谱矩阵

$\hat{S}{\left({\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}^T{\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}\right)}^{-1}{\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}^T{X}_{\mathrm{1,2}}$     式（3）

其中，表示的转置，表示矩阵的逆阵；

根据式（3）得到的发射信号谱矩阵依据式（4）确定频域拷贝信号的谱矩阵

${\hat{X}}_{\mathrm{1,2}}={\tilde{H}}_{\mathrm{1,2}}\hat{S}$     式（4）

步骤206）建立如式（5）所示的误差代价函数L(R,Z)，产生相应的定位模糊表面：

$L(R,Z)=1/{\left|\right|X_{\mathrm{1,2}}-{\hat{X}}_{\mathrm{1,2}}\left|\right|}^2$     式（5）

其中，表示接收信号的谱矩阵X_1,2与拷贝信号的谱矩阵之间误差的范数平方和，R表示搜索网格区域上的距离范围，Z表示搜索网格区域上的深度范围；

在所划分的网格区域上，对模糊表面进行匹配场搜索，根据式（6）确定出目标所在的位置：

$({\hat{R}}_0,{\hat{Z}}_0)=\underset{R,Z}{\arg \max }L(R,Z)$     式（6）

其中：表示定位所得到的距离估计值，表示定位所得到的深度估计值，表示L(R,Z)在峰值位置处所对应的距离R和深度Z。

2.按照权利要求1所述的一种基于频域最小二乘法的水声脉冲信号匹配场的定位方法，其特征在于，所述的步骤102）中，海洋环境参数包括声速梯度分布、海水深度、海水密度、海底密度、海底的衰减系数。