CN103487796B - 一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水声探测领域，具体公开了一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，基于双阵元对目标进行被动探测，每一个阵元分别对接收的目标宽带噪声信号进行LOFAR分析，对接收信号的LOFAR图使用HOUGH变换等边缘提取技术提取条纹，得到波导不变量以及抛物线参数的估计值，进而得到目标的CPA点的距离和目标速度信息。本方法基于波导不变量进行被动探测，对海洋环境不确定因素具有较强的适应能力；而采用双阵元模型，装置简便，计算量小，仅使用两个阵元数据就能解算出目标运动参数信息，实现目标被动探测。

Description

一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法

技术领域

本发明涉及一种基于波导不变量及双阵元模型来实现对目标被动探测的方法，具体涉及一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，属于水声探测领域。

背景技术

水下目标的探测一直是水声领域研究的重点和难点问题之一，基于隐蔽性考虑，测距声纳多使用被动方式，声纳基阵通过对目标辐射噪声进行采集、处理，估计目标距离信息。

被动探测的主要方法包括：（1）基于球面波或柱面波波前的三点测距法，其测距精度依赖于时延估计精度，与目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因素有关；（2）基于目标方位历程的目标运动分析（TMA：Target Motion Analysis）方法，包括纯方位TMA、频率-方位TMA、多途TMA等多种方法；（3）基于三角测量原理的被动多途测距方法，其测距精度受到多途结构预测的影响；（4）基于球面波假设的聚焦波束形成方式,是一种近场测距方式；(5)基于声场模型的模基测距方法，如匹配场（MFP：Matched Field Processing）、匹配模（MMP：Matched-mode Processing）以及被动时间反转（PTRM：Passive Time Revesal Mirror）方法，需要根据实际环境参数建立信道模型来计算拷贝声场。

目前被动探测技术的研究主要集中在上述几种方法针对特定应用环境的改进，但究其基本原理，上述方法（1）到（4）基于平面波、球面波假设，没有利用水声信道等环境信息，方法（5）虽然利用环境信息基于声场建模来实现被动探测，但现实水声环境信息的难于获取及其不确定性使其在实际使用中受到很大限制。水声信道的不确定中也蕴含有相对统计不变性，如果能利用水声信道的这种统计不变特征（如波导不变量）来实现被动探测，将不受环境不确定因素的影响。

发明内容

本发明的技术目的是克服现有各类水声被动探测的弊端，提供一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，其中统计不变特征为波导不变量，并采用双阵元模型的方法进行对目标的被动探测，方便快捷，直观准确，从而可以更精确获得目标运动信息和得出CPA点距离，是一种不依赖海洋环境具体模型的目标距离提取方式。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，包括如下步骤：

（1）采用两个阵元接收目标辐射的宽带声信号，每个阵元安置一个接收水听器；

（2）分别对两个阵元接收到的信号进行LOFAR分析，对得到的LOFAR图采用Hough变换边缘提取技术提取条纹，得到每个波导不变量以及抛物线参数的估计值；

（3）通过两个阵元和目标形成的几何关系，进而计算出CPA点的距离，最后获得目标的详细运动信息。

前述的一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，在步骤（1）中，每个阵元采用标量或者矢量水听器，水听器与用于接收并处理目标辐射的宽带声信号的接收处理电路以及信号处理机连接。

前述的一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，在步骤（2）中，基于波导不变量理论，LOFAR图存在相应干涉条纹，通过提取干涉条纹，得到关键抛物线的参数估计值。

前述的一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，在步骤（2）中，将Hough变换方法应用于LOFAR图的参数提取以得到直线条纹，LOFAR图为一图像空间，该空间的曲线通过抛物线方程确定，并假设顶点坐标直接从LOFAR图上读取。

前述的一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，对于远程目标，需根据短时傅里叶变换获得清晰LOFAR图，通过建立干涉条纹与波导不变量的关系，进而根据图像处理的方法提取β值，β为波导不变量。

前述的一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，在步骤（1）中，当目标以某一方向匀速运动时，两个接收水听器分别接收来自目标的宽带声信号，在每一离散的t时刻对接收信号作功率谱分析，得到LOFAR图上平行于频率f横轴的一个切面，该切面的时间历程综合成LOFAR图。

本方法所达到的有益效果：

舰船低频宽带辐射噪声的激励声场存在稳定的干涉结构，可以用波导不变量来描述，它反映了不确定海洋环境中的相对统计不变特性。本方法运用波导不变量进行被动探测，且在线提取波导不变量能显著提高测距精度。

本方法采用双阵元模型来被动探测，通过两个阵元接收到的目标宽带声信号，分别做LOFAR图分析，然后对LOFAR图上的斜纹即抛物线进行波导不变量和抛物线参数提取，可以有效的估计出目标CPA点距离；假定目标是匀速运动的，这样通过2个阵元得到的不同参数，加上阵元组和目标直接的几何联系，可以方便地计算出目标的速度及目标和接收点的距离。

本方法基于波导不变量理论和双阵元模型提出了一种算法，原理性仿真分析研究可以验证此算法的准确性。该测距方法算法简单，测距精度较高，而且无需海洋环境的精细先验知识。

附图说明

图1是目标航迹和水平阵元之间的简单几何图；

图2是目标最近点（CPA点）示意图；

图3是接收信号LOFAR图中的干涉条纹；

图4是从图3上截取的一小段直线条纹；

图5是本发明的仿真流程图。

实施例1

如图1和2所示，本发明的基于波导不变量理论采用双阵元模型进行被动测距方法的装置包括，A和B阵元处两个接收水听器，当目标以某一方向匀速运动时，两个接收水听器分别接收来自目标的宽带声信号，在每一离散的t时刻对接收信号作功率谱分析，即得到LOFAR图上平行于横轴（频率f轴）的一个切面，该切面的时间历程综合成LOFAR图(图3)。在信噪比较高时，单水听器就可以测得干涉条纹清晰的LOFAR图；对于远程目标，信噪比较低时，必须经过阵信号处理，对跟踪波束输出作LOFAR分析，才能得到清晰的LOFAR图。

如图1所示，目标运动方向与两阵元所在直线夹角假设为θ，即目标航向角为θ，假定为匀速直线运动，速度为ν，如图所示，目标与阵元A的最近距离为D₁，时刻为t₀₁；与阵元B的最近距离为D₂，通过时刻为t₀₂；这样通过简单的几何关系：

Δd sinθ＝D₂-D₁            （1）

Δd代表两阵元间距离

Δd cosθ＝Δtυ Δt＝t₀₁-t₀₂             （2）

假设目标到接收点的距离如图2所示的由远及近，再由近及远的过程。这时接收信号LOFAR图中的干涉条纹会呈现相应的抛物线状，如图3所示：声场干涉形成的抛物线状条纹和其横坐标角频率ω，纵坐标时间t之间满足下面关系：

ω＝ω₀[1+(v/r₀)²(t-t₀)²]^β/2                   （3）

其中r₀为最近点距离，t₀为到达最近点距离的时刻，ω₀为积分常数。若方括号内项1+(v/r₀)²(t-t₀)²接近1（一般容易满足），则方程可以依据泰勒级数展开进一步近似为：

$\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0=\frac{\mathrm{\ω}}{2}\mathrm{\β}{(v/r_0)}^2{(t-t_0)}^2,---\left(4\right)$

上式又可以写成： ${(t-t_0)}^2=\frac{2}{f_0\·\mathrm{\β}\·{(v/r_0)}^2}\·(f-f_0),---\left(5\right)$

这符合抛物线的标准方程

(x-x₀)²＝2·p·(y-y₀)                   （6）

对抛物线条纹运用Hough变换进行提取，可以估计出f₀和p，f₀为干涉条纹顶点频率,f为频率。

由（5）式可以得出： $r_0=\sqrt{p\·f_0\·\mathrm{\β}\·v^2}---\left(7\right)$

于是，根据式（7），可以得出目标经过阵元1和阵元2的最近距离分别为：

$D_1=\sqrt{p_1\·f_{01}\·\mathrm{\β}\·v_2},D_2=\sqrt{p_2\·f_{02}\·\mathrm{\β}\·v_2}---\left(8\right)$

f₀₁指的是目标经过阵元1的最近距离时的干涉条纹顶点频率；f₀₂的是目标经过阵元2的最近距离时的干涉条纹顶点频率；p₁、p₂同前述的p，加下标分别对应不同的阵元。

在图3抛物线条纹截取一小块，得到如图4所示的在t-f平面上的直线条纹，将其变换到r-f平面，这样就可以根据定义估计出波导不变量β。r是指t时刻目标离阵元的距离。

首先对阵元2，如图1和4所示，目标在t_L时刻距离为r_L2，在t_H时刻距离为r_H2。如图1，目标从t_L时刻到t₀₂时刻行驶的距离为v·(t₀₂-t_L)由简单几何关系可以求得 $r_{L2}=\sqrt{D_2^2+v^2{(t_{02}-t_L)}^2}---\left(10\right)$

$r_{H2}=\sqrt{D_2^2+v^2{(t_{02}-t_H)}^2}---\left(11\right)$

这样图4中t-f平面就可以变换到求解波导不变量的r-f平面，根据定义由式（9），（10），（11）可以求得波导不变量

$\mathrm{\β}=\frac{r_{L2}}{f_L}\·\frac{f_L-f_H}{r_{L2}-r_{H2}}$ 即β(D₂,v)        （12）

其中f_L、f_H分别为t_L时刻和t_H时刻的频率。

同样的，在阵元1处，进行类似的分析，得到β(D₁,v)   （13）

联立（1），（2），（8），（12），（13）

可以解出D₂ D₁ β v 这四个参数，可见在估计出波导不变量的同时，还可以得到目标的速度信息以及对各个阵元的最近点距离，在此基础上，不难进一步推出运动目标的实时距离信息。

另一种算法思路如下：

根据定义波导不变量可表示为 $\mathrm{\β}=\frac{r}{\mathrm{\ω}}\·\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dr}}---\left(14\right)$

干涉条纹斜率 $\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{d\τ}}=\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dr}}\·\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{d\τ}}---\left(15\right)$

由（14）可知 $\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dr}}=\frac{f}{r}\·\mathrm{\β}---\left(16\right)$

图1中若选某一个阵元作为原点，根据简单几何关系，容易求得目标轨迹方程 $r\left(t\right)=\sqrt{v^2{\mathrm{\τ}}^2+r_0^2}---\left(17\right)$

将（16），（17）代入（15）得

$\frac{\mathrm{df}}{f}=\frac{\mathrm{\β}{v}^2\mathrm{\τ}}{v^2{\mathrm{\τ}}^2+r_0^2}\mathrm{d\τ}---\left(18\right)$

两边积分，整理得：

$f=f_0{[1+{\left(\frac{v}{r_0}\right)}^2{\mathrm{\τ}}^2]}^{\mathrm{\β}/2}---\left(19\right)$

上式就是声场干涉形成的抛物线状条纹和其横坐标角频率ω，纵坐标时间t的关系式。

然后再将Hough变换应用于LOFAR图上的参数提取，LOFAR图即为上述的图像空间，该空间的曲线由（19）式确定，且t₀和f₀作为某条干涉条纹的顶点坐标可以直接从LOFAR图上读取，然后再做相应hough变换做参数估计。

通过确定这一关系式和对参数的估计，可以得到CPA点距离。而单阵尚不能单独估计出速度v，采用双阵元可进行被动测距，再综合2个接收水听器不同信息的分析，就可以获得目标运动的详细信息。

发明可用其他的不违背本发明的精神和主要特征的具体形式来概括，因此，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，在与本发明的权利要求相当的含义和范围内任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，包括如下步骤：

(1)采用两个阵元接收目标辐射的宽带声信号，每个阵元安置一个接收水听器；

(2)分别对两个阵元接收到的信号进行LOFAR分析，对得到的LOFAR图采用Hough变换边缘提取技术提取条纹，得到每个波导不变量以及抛物线参数的估计值；

(3)通过两个阵元和目标形成的几何关系，进而计算出CPA点的距离，最后获得目标的详细运动信息；

其中步骤(2)的具体过程为：目标运动方向与两阵元所在直线夹角假设为θ，即目标航向角为θ，假定为匀速直线运动，速度为ν，目标与阵元A的最近距离为D₁，通过时刻为t₀₁；与阵元B的最近距离为D₂，通过时刻为t₀₂；通过几何关系：

Δd sinθ＝D₂-D₁   (1)

Δd代表两阵元间距离

Δd cosθ＝Δtυ  Δt＝t₀₁-t₀₂   (2)

假设目标到接收点的距离为由远及近，再由近及远的过程；接收信号LOFAR图中的干涉条纹呈现相应的抛物线状：声场干涉形成的抛物线状条纹和其横坐标角频率ω，纵坐标时间t之间满足下面关系：

ω＝ω₀[1+(v/r₀)²(t-t₀)²]^β/2   (3)

其中r₀为最近点距离，t₀为到达最近点距离的时刻，ω₀为积分常数；若方括号内项1+(v/r₀)²(t-t₀)²接近1，则方程依据泰勒级数展开进一步近似为：

$\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0=\frac{\mathrm{\ω}}{2}\mathrm{\β}{(v/r_0)}^2{(t-t_0)}^2,---\left(4\right)$

上式又可以写成： ${(t-t_0)}^2=\frac{2}{f_0\·\mathrm{\β}\·{(v/r_0)}^2}\·(f-f_0),---\left(5\right)$ 这符合抛物线的标准方程

(x-x₀)²＝2·p·(y-y₀)   (6)

对抛物线条纹运用Hough变换进行提取，估计出f₀和p，f₀为干涉条纹顶点频率,f为频率；

由(5)式可以得出： $r_0=\sqrt{p\·f_0\·\mathrm{\β}\·v^2}---\left(7\right)$

于是，根据式(7)，得出目标经过阵元A和阵元B的最近距离分别为：

$\begin{array}{cc}{D}_1=\sqrt{p_1\·f_{01}\·\mathrm{\β}\·v^2}& D_2=\sqrt{p_2\·f_{02}\·\mathrm{\β}\·v^2}\end{array}---\left(8\right)$

f₀₁指的是目标经过阵元A的最近距离时的干涉条纹顶点频率；f₀₂的是目标经过阵元B的最近距离时的干涉条纹顶点频率；p₁、p₂同前述的p，加下标分别对应不同的阵元；

在抛物线条纹截取一小块，得到t-f平面上的直线条纹，将其变换到r-f平面，根据定义 $\mathrm{\β}=\frac{r}{\mathrm{\ω}}\·\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dr}}---\left(9\right)$

估计出波导不变量β；r是指t时刻目标离阵元的距离；

首先对阵元B，目标在t_L时刻距离为r_L2，在t_H时刻距离为r_H2,目标从t_L时刻到t₀₂时刻行驶的距离为v·(t₀₂-t_L)

由几何关系可以求得 $r_{L2}=\sqrt{D_2^2+v^2{(t_{02}-t_L)}^2}---\left(10\right)$

$r_{H2}=\sqrt{D_2^2+v^2{(t_{02}-t_H)}^2}---\left(11\right)$

这样t-f平面变换到求解波导不变量的r-f平面，根据定义

由式(9)，(10)，(11)可以求得波导不变量

$\mathrm{\β}=\frac{r_{L2}}{f_L}\·\frac{f_L-f_H}{r_{L2}-r_{H2}}$ 即β(D₂,v)   (12)

其中f_L、f_H分别为t_L时刻和t_H时刻的频率；

同样的，在阵元A处，进行类似的分析，得到β(D₁,v)   (13)

联立(1)，(2)，(8)，(12)，(13)

解出D₂ D₁ β v这四个参数。

2.根据权利要求1所述的一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，其特征在于：在步骤(1)中，每个阵元采用标量或者矢量水听器，水听器与用于接收并处理目标辐射的宽带声信号的接收处理电路以及信号处理机连接。

3.根据权利要求1所述的一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，其特征在于：在步骤(2)中，基于波导不变量理论，LOFAR图存在相应干涉条纹，通过提取干涉条纹，得到关键抛物线的参数估计值。

4.根据权利要求1或3所述的一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，其特征在于：在步骤(2)中，将Hough变换方法应用于LOFAR图的参数提取得到直线条纹，LOFAR图为一图像空间，该空间的曲线通过抛物线方程确定，并假设顶点坐标直接从LOFAR图上读取。

5.根据权利要求4所述的一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，其特征在于：对于远程目标，需根据短时傅里叶变换获得清晰LOFAR图，通过建立干涉条纹与波导不变量的关系，进而根据图像处理的方法提取β值，β为波导不变量。

6.根据权利要求1所述的一种利用水声信道统计不变特征实现被动测距的方法，其特征在于：在步骤(1)中，当目标以某一方向匀速运动时，两个接收水听器分别接收来自目标的宽带声信号，在每一离散的t时刻对接收信号作功率谱分析，得到LOFAR图上平行于频率f横轴的一个切面，该切面的时间历程综合成LOFAR图。