CN103267966A - 一种单个二维压差式矢量水听器方位估计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单个二维压差式矢量水听器方位估计的方法。该方法根据二维压差式矢量水听器系统的中心频率和对角阵元之间的间距求得修正的压差式矢量水听器的“导向矢量”，利用修正的“导向矢量”和二维压差式矢量输出的噪声子空间，求出单个二维压差式矢量水听器的空间谱，通过谱峰搜索来估计目标的方位。本发明的有益效果是：可以实现对弱目标进行精确的方位估计，对水声探测、水下定位与导航均有重要意义；在二维压差式矢量水听器半径不满足r≤0.1λ的一定限度内，依然保持较好的方位估计性能，可扩展压差式矢量水听器的工作频带。

Description

一种单个二维压差式矢量水听器方位估计的方法

技术领域

本发明涉及的是一种单个二维压差式矢量水听器方位估计的方法，具体的说是一种在压差式矢量水听器的半径r不满足r≤0.1λ（λ为信号波长）时，利用单个二维压差式矢量水听器来估计目标方位的方法。

背景技术

矢量水听器是获取水下声信息的一种新型复合传感器。理论上单个矢量水听器便可实现空间三维的定向。单矢量水听器方位估计的方法有平均声强法、复声强法、互谱估计法和高分辨MUSIC算法等。在矢量水听器接收信噪比比较高时，上述方法能准确的估计出目标的方位，其中平均声强法、复声强法和互谱估计法相对于MUSIC算法来讲运算量小且不需要谱峰搜索。当矢量水听器接收信噪降低时，上述前三种方法性能下降，单矢量水听器MUSIC算法表现出相对较好的性能。

常用的矢量水听器有压差式矢量水听器和同振式矢量水听器。压差型矢量水听器可使用在较高的工作频段，价格低廉，结构简单，对机械运动扰动不敏感，便于安装固定，因而它在浮标，潜标和超短基线水声定位等系统中使用较多。压差式矢量水听器在在工程应用中，通常要求压差式矢量水听器的半径r满足r≤0.1λ，其中λ为信号的波长。这一点在矢量水听器工作频段比较高时通常很难满足。不满足这个近似条件时，压差式矢量水听器方位估计的性能就会迅速下降。从另外一个角度来讲，上述条件限制了压差矢量水听器的工作频带。

如果有一种处理方法或技术，在不满足上述r≤0.1λ的近似条件时，依然能准确的检测和估计出目标信号的方位，这种技术会扩宽压差式矢量水听器的工作频带，降低其制作成本，进而会扩展压差式矢量水听器的应用范围，尤其是在水下移动平台上进行目标探测和水下定位与导航技术中会有重要的应用前景。

发明内容

本发明的目的是，克服现有技术在不满足r≤0.1λ的近似条件时不能准确的检测和估计出目标信号的方位的不足，提供一种简单、实用、稳健的二维压差式矢量水听器方位估计方法。

本发明的技术方案是：一种单个二维压差式矢量水听器方位估计的方法，包括如下步骤：

步骤一：将二维压差式矢量水听器四个通道的接收数据通过希尔伯特变换器、乘法器和加法器转换成复声压信号；

步骤二：对四个通道的复声压信号求平均，求取二维压差式矢量水听器中心点处的声压；

步骤三：对同一坐标轴上的两个阵元数据做差分，然后移相-90°，求得二维压差式矢量水听器中心点处两个坐标轴正方向上的振速分量；

步骤四：将步骤二得到的二维压差式矢量水听器中心点处声压和步骤三得到的两个振速分量罗列在一起求二维压差式矢量水听器输出的自协方差矩阵

所述自协方差矩阵

为3×3的共轭对称矩阵；

步骤五：对二维压差式矢量水听器的自协方差矩阵

进行特征分解，求出与信号分量正交的噪声子空间

步骤六：根据阵列配置，利用公式

求解修正的二维压差式矢量水听器的导向矢量，其中k表示信号波数，r表示二维压差式矢量水听器的半径，θ表示扫描角度；

步骤七：利用

取代二维压差式矢量水听器原来的“导向矢量”a(θ)＝[1,cosθ,sinθ]^T，在[0°,360°)的方位范围内进行扫描，求得所有扫描角度值上的二维压差式矢量水听器的空间谱

步骤八：通过极值搜索的方法，找到空间谱极值对应的角度值，该角度值即为目标的方位角度。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种稳健的基于单个二维压差式矢量水听器方位估计技术，根据阵列配置和信号频率计算出精确的“导向矢量”，采用多重信号分类（MUSIC）算法的基本原理，就可以实现对弱目标进行精确的方位估计，对水声探测、水下定位与导航均有重要意义。

本发明在二维压差式矢量水听器半径不满足r≤0.1λ的一定限度内，依然保持较好的方位估计性能，可扩展压差式矢量水听器的工作频带。若保持系统性能指标不变，本方法可降低压差式矢量水听器在制作工艺上的要求，从而可消减压差式矢量水听器的应用成本，扩展压差式矢量水听器在浮标、潜标、水下航行器、水下定位与导航产品和鱼探仪等产品中的应用。

附图说明

图1是本发明提出的单个二维压差式矢量水听器方位估计的信号处理流程图。

图2为实施例中二维压差式矢量水听器半径为0.01米，信号频率为7kHz时，系统带宽为2kHz，目标在30°方位时，单个二维压差式矢量水听器不同处理方法的方位估计成功概率统计结果图。

图3是实施例中二维压差式矢量水听器半径为0.04米，信号频率为7kHz时，系统带宽为2kHz，目标在30°方位时，单个二维压差式矢量水听器不同处理方法的方位估计成功概率统计结果图。

图4是单个二维压差式矢量水听器湖上试验系统示意图。

图5是利用常规的“导向矢量”扫描，即普通的单个矢量水听器MUSIC算法得到的单个二维压差式矢量水听器湖上实验的方位历程图。

图6是实施例中利用修正的“导向矢量”扫描，得到的单个二维压差式矢量水听器湖上试验的方位历程图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明根据二维压差式矢量水听器系统的中心频率和对角阵元之间的间距求得修正的压差式矢量水听器的“导向矢量”，利用修正的“导向矢量”和二维压差式矢量输出的噪声子空间，求出单个二维压差式矢量水听器的空间谱，通过谱峰搜索来估计目标的方位。

本实施例中单个二维压差式矢量水听器方位估计的方法，包括如下步骤：

步骤一：二维压差式矢量水听器的四个阵元接收信号用p₁(t)、p₂(t)、p₃(t)和p₄(t)来表示，先通过希尔伯特变换器、乘法器和加法器将接收的实信号转换成复声压信号

和

步骤二：由四路复声压信号

和

求出二维压差式矢量水听器中心点处声压为 ${\tilde{p}}_o\left(t\right)=[{\tilde{p}}_1\left(t\right)+{\tilde{p}}_2\left(t\right)+{\tilde{p}}_3\left(t\right)+{\tilde{p}}_4\left(t\right)]/4.$

步骤三：由1号阵元和3号阵元的声压复信号求出二维压差式矢量水听器x轴上压差量 $\mathrm{\Δ}{\tilde{p}}_x\left(t\right)={\tilde{p}}_1\left(t\right)-{\tilde{p}}_3\left(t\right).$

由2号阵元和4号阵元的声压复信号求出二维压差式矢量水听器y轴上压差量 $\mathrm{\Δ}{\tilde{p}}_y\left(t\right)={\tilde{p}}_2\left(t\right)-{\tilde{p}}_4\left(t\right).$

利用移相器将两坐标轴的压差量分别移相-90°，得到

和 ${\tilde{v}}_y\left(t\right)=\mathrm{\Δ}{\tilde{p}}_y\left(t\right)e^{-\mathrm{j\π}/2}.$

步骤四：将矢量水听器单次快拍输出写成

利用压差式矢量水听器的N次快拍数据求出压差式矢量水听器输出的协方差矩阵 $\hat{R}=\frac{1}{N}\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}X\left(t\right)X^H\left(t\right).$

步骤五：对协方差矩阵

进行特征分解，求出小特征值对应的特征矢量，将其排列在一起得到二维压差式矢量水听器输出协方差矩阵的噪声子空间

步骤六：根据压差式矢量水听器的中心频率和声波在传输介质中的波数值，利用公式

求出所有扫描角度值θ_l(l＝1,2,…,L)上的“导向矢量”

将求出的导向矢量矩阵带入公式

求出所有扫描角度值上的空间谱值

步骤八：对全部空间谱值进行极值搜索，求出极大值对应的索引值，利用索引值求出相应的角度值，所求角度值便是目标的方位值

参阅图2，本发明给出了一个实施例：二维压差式矢量水听器半径为0.01米，信号频率为7kHz时，系统带宽为2kHz，目标在30°方位。利用复声强法、单矢量水听器的MUSIC算法和本发明方法（修正MUSIC方法：MMUSIC）的方位估计成功概率的仿真统计结果图，统计过程中估计偏差小于1°认为成功，大于1°认为失败。此种情况下压差式矢量水听器的半径波长比为0.0467，满足小于0.1的工程近似条件（r≤0.1λ）。从图中可以看出在这种情况下本发明方法的性能与单矢量水听器的MUSIC算法的性能基本一致，他们在信噪比比较低的时候性能优于复声强法。

参阅图3，本发明还给出了另一个实施例：二维压差式矢量水听器半径为0.04米，信号频率为7kHz时，系统带宽为2kHz，目标在30°方位。利用复声强法、单矢量水听器的MUSIC算法和本发明方法（修正MUSIC方法：MMUSIC）的方位估计成功概率的仿真统计结果图，统计过程中估计偏差小于1°认为成功，大于1°认为失败。此种情况下压差式矢量水听器的半径波长比为0.1867，不满足小于0.1的工程近似条件（r≤0.1λ）。从图中可以看出在这种情况下本发明方法在信噪比大于等于6dB时便可获得100%的成功概率，而二维压差式矢量水听器的复声强法和MUSIC算法由于不满足r≤0.1λ的条件，性能严重下降。这充分体现了本发明方法的稳健性。

参阅图4，是本发明给出的单个二维压差式矢量水听器湖上试验系统示意图。在该实施例中，系统的中心频率为7kHz，系统的带宽为2kHz，二维压差式矢量水听器半径为0.04米，发射换能器和接收的二维压差式矢量水听器置于水下约3米的位置，发射设备距离接收设备约为80米的距离。对图4所示实施例的数据进行处理，得出了80秒的方位历程图。图5是直接利用单压差式矢量水听器MUSIC算法处理的方位历程图。图6是利用本发明方法处理得出的方位历程图。通过两图的比较可以得出本发明方法在实际系统中的有效性和稳健性。

当然，本发明还可以有其他的实施例，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出相应的改变，但这些改变都应该属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种单个二维压差式矢量水听器方位估计的方法，包括如下步骤：

步骤一：将二维压差式矢量水听器四个通道的接收数据通过希尔伯特变换器、乘法器和加法器转换成复声压信号；

步骤二：对四个通道的复声压信号求平均，求取二维压差式矢量水听器中心点处的声压；

步骤三：对同一坐标轴上的两个阵元数据做差分，然后移相-90°，求得二维压差式矢量水听器中心点处两个坐标轴正方向上的振速分量；

步骤四：将步骤二得到的二维压差式矢量水听器中心点处声压和步骤三得到的两个振速分量罗列在一起求二维压差式矢量水听器输出的自协方差矩阵

所述自协方差矩阵

为3×3的共轭对称矩阵；

步骤五：对二维压差式矢量水听器的自协方差矩阵

进行特征分解，求出与信号分量正交的噪声子空间

步骤六：根据阵列配置，利用公式

求解修正的二维压差式矢量水听器的导向矢量，其中k表示信号波数，r表示二维压差式矢量水听器的半径，θ表示扫描角度；

步骤七：利用取代二维压差式矢量水听器原来的“导向矢量”a(θ)＝[1,cosθ,sinθ]^T，在[0°,360°)的方位范围内进行扫描，求得所有扫描角度值上的二维压差式矢量水听器的空间谱

步骤八：通过极值搜索的方法，找到空间谱极值对应的角度值，该角度值即为目标的方位角度。

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