CN104808207A - 一种混沌水声定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混沌水声定位方法，步骤包括：1)生成混沌探测信号；2)准备脉冲式发射探测信号；3)发射基地定向发射和扫描式发射探测信号；4)发射基地接收目标反射的回波信号记录目标方位角；5)发射基地估算发射基地与扫描到的目标之间的距离；6)接收基地将扫描式接收到的目标反射的回波信号送入第三混沌匹配滤波器，并记录目标方位角；7)接收基地将定向接收的直传信号送入第四混沌匹配滤波器；8)将步骤6和步骤7中得到的混沌匹配滤波信号再传统匹配滤波，脉冲积累估计出目标反射的回波信号的时延，估算发射基地到目标再到接收基地的距离；9)完成对目标的二维定位。本发明方法，定位过程简单，准确性高。

Description

一种混沌水声定位方法

技术领域

本发明属于声纳定位技术领域，涉及一种混沌水声定位方法。

背景技术

声纳技术是利用声波对水下目标进行定位、探测、识别和跟踪，广泛应用于军事领域和民用领域。利用自身主动发射声波，依据接收的目标反射的回波来探测水中目标的技术称为主动声纳技术，但其在对目标进行探测的同时也容易暴露自身的位置，容易被敌方识别和攻击，故隐蔽性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混沌水声定位方法，采用发射与海洋背景噪声相似的混沌探测信号，克服主动声纳隐蔽性差的缺点。同时与相应的混沌匹配滤波器结合，有效地减小了干扰的影响，提高了定位精度。

本发明所采用的技术方案是，一种混沌水声定位方法，脉冲式发射基于混杂系统产生的混沌探测信号，采用一个发射机和两个接收机分开布置的双基地声纳，

第一个接收机与发射机位于同一发射基地，该发射基地发送探测信号的同时也接收目标反射的回波信号；发射基地将扫描式接收的目标反射回波信号经过第一混沌匹配滤波器，其输出信号与原混沌探测信号经过第二混沌匹配滤波器后的信号再进行传统匹配滤波和脉冲积累，进而估算发射基地与扫描到的目标之间的距离；

位于接收基地的第二个接收机同时扫描式接收目标反射的回波信号和定向接收发射基地通过直传通道发送来的混沌探测信号，这两个信号分别经过第三混沌匹配滤波器、第四混沌匹配滤波器，再进行传统匹配滤波和脉冲累计，估算接收基地接收的目标反射的回波信号与直传信号之间的时延，再根据直传通道距离L和水中声速c，进而估算出发射基地到目标再到接收基地的距离；

最后，根据发射基地与扫描到的目标之间的距离、发射基地到目标再到接收基地的距离，同时再借助信号接收方位角，实现对目标的定位。

本发明的有益效果是，能够在多径严重的浅海水声信道中实现对目标的二维定位，具体优点在于：

1)采用发射基于混杂系统产生的宽频混沌探测信号，由于混沌信号类似于海洋的背景噪声，具有难于预测的特点，所以被探测的目标不易发现其附近存在声纳，这样就提高了主动声纳的隐蔽性。同时，混沌信号对海洋生物的影响小，故具有良好的环境兼容性。

2)采用相应的混沌匹配滤波器，有效地减少了传统匹配滤波器在多径严重的浅海水声信道中出现的副峰超过主峰的现象，具有更好的抵抗多径和噪声的性能，提高了目标定位的精度。

附图说明

图1是本发明方法所用的双基地声纳几何关系；

图2是本发明方法采用的目标定位原理图；

图3是本发明方法实施例采用的基频为800Hz时，时间长度0.12s的混沌信号波形；

图4是本发明方法所用的混沌探测信号的相平面图；

图5是本发明方法实施例采用的发射基地脉冲式发射混沌探测信号；

图6是本发明方法实施例中发射基地扫描式接收目标反射的回波信号；

图7是本发明方法实施例中发射的混沌探测信号经过混沌匹配滤波器的波形；

图8是本发明方法实施例中发射基地扫描式接收目标反射的回波信号经过混沌匹配滤波器的波形；

图9是本发明方法实施例中发射基地扫描式接收目标反射的回波信号经过两次匹配滤波和脉冲积累后的波形；

图10是本发明方法实施例中接收基地扫描式接收目标反射的回波经过混沌匹配滤波器的波形；

图11是本发明方法实施例中接收基地定向接收的直传信号经过混沌匹配滤波器的波形；

图12是本发明方法实施例中接收基地扫描式接收目标反射的回波经过混沌匹配滤波器和传统匹配滤波的波形；

图13为本发明方法实施例中接收基地定向接收的直传信号经过混沌匹配滤波器、传统匹配滤波器和脉冲积累后的波形；

图14为本发明方法实施例中接收基地定向接收的直传信号只经过传统匹配滤波器和脉冲积累后的波形；

图15为本发明方法实施例采用的分别脉冲式发射传统探测信号和其他混沌探测信号时，接收基地定向接收的直传信号经过传统匹配滤波器、脉冲积累后的波形；

图16为本发明方法实施例采用的基于混杂系统产生的基频为800Hz的混沌信号和其他信号的400次测量的距离平均相对误差比较；

图17为本发明方法实施例采用的基于混杂系统产生的基频为1000Hz的混沌信号和其他信号的400次测量的距离平均相对误差比较；

图18为本发明方法实施例采用的基于混杂系统产生的基频为1600Hz的混沌信号和其他信号的400次测量的距离平均相对误差比较；

图19为本发明方法实施例采用的基于混杂系统产生的基频为2000Hz的混沌信号和其他信号的400次测量的距离平均相对误差比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的混沌水声定位方法，针对主动声纳因发射探测信号造成隐蔽性差的缺点，提供一种基于特定混沌信号的水声定位方法，该方法是脉冲式发射基于混杂系统产生的混沌探测信号，采用一个发射机和两个接收机分开布置的双基地声纳，其几何关系如图1所示，其中T/R代表发射基地，其坐标为(-900,0)，具有一个发射机和一个接收机，它能够同时扫描式发射混沌信号和接收目标反射的回波信号；R代表接收基地，其坐标为(900,0)，具有一个接收机，能够扫描式接收经目标反射的回波信号；Q表示水下待探测的目标，其坐标为(100,40)。

如图2所示，为目标定位原理图。首先，发射基地接收机将扫描式接收的目标反射回波信号经过第一混沌匹配滤波器(混沌匹配滤波1)，其输出信号与原混沌探测信号经过第二混沌匹配滤波器(混沌匹配滤波2)后的输出信号进行传统匹配滤波器一(传统匹配滤波1)和脉冲积累，进而估算发射基地与扫描到的目标之间的距离；然后，接收基地扫描式接收目标反射的回波信号和定向接收直传信号，这两个信号分别经过第三混沌匹配滤波器(混沌匹配滤波3)和第四混沌匹配滤波器(混沌匹配滤波4)，再将这两个混沌匹配滤波器的输出经过传统匹配滤波器二(传统匹配滤波2)和脉冲累计，估算接收基地接收的目标反射的回波信号与直传信号之间的时延，再根据直传通道距离L和水中声速c，进而估算出发射基地到目标再到接收基地的距离；最后，根据发射基地与扫描到的目标之间的距离、发射基地到目标再到接收基地的距离，同时借助信号接收方位角，实现对目标的定位。

本发明的混沌水声定位方法，基于上述的原理，具体按照以下步骤实施：

步骤1、生成混沌探测信号

采用式(1)的混杂系统生成所要发射的混沌信号：

$\stackrel{\·\·}{u}=-\mathrm{\β}\stackrel{\·}{u}+({\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{\β}}^2)(u-s_u)=0,---\left(1\right)$

其中，u为混沌信号，参数ω＝2πf，参数β＝f ln2，其中f为信号的基频，则s_u的定义如下：

当时，s_u(t)＝sgn(u(t))；

当时，s_u(t)保持不变，并且有：

$\mathrm{sgn}\left(u\right)=\left\{\begin{array}{cc}+1,& u\&GreaterEqual;0\\ -1,& u<0\end{array}\right.---\left(2\right)$

例如，当基频f取800Hz时，该混杂系统产生的0.12s的混沌信号波形如图3所示，其相平面图如图4所示。

步骤2、设置脉冲式发射的探测信号

如图5所示，为发射基地准备脉冲式发射的探测信号，探测信号的脉冲持续时间为0.1s，脉冲重复周期为2s。

步骤3、发射基地进行定向发射和扫描发射探测信号

由于采用双基地声纳，当发射基地和接收基地之间没有专门用于同步处理的物理链路时，接收基地就只能利用定向接收的直传信号来实现同步，故发射基地在向目标扫描式发射探测信号u的同时，还需向接收基地定向发射探测信号u。

步骤4、发射基地扫描式接收目标反射的回波信号，并记录目标方位角θ_T

发射基地扫描式接收目标反射的回波信号u₁，同时记录接收的目标方位角θ_T，本实施例通信试验在多径严重的浅海水声信道中进行，浅海水声信道参数如表1所示，当信噪比为-22dB时，发射基地扫描式接收目标反射的回波信号u₁，如图6所示，同时记录接收的目标方位角θ_T为2.2906°。

表1、浅海水声信道参数

参数名称	符号	参数值
			海深	h	200m
基站间水平距离	L	1800m
			发射基地距水面的垂直距离	d1	50m
接收基地距水面的垂直距离	d2	50m
			水中声速	c	1500m/s
海底声速	c1	1650m/s
			水的密度	ρ	1023kg/m3
海底密度	ρ1	1500kg/m3
			直达波的多径数目	N1	5条
目标回波的多径数目	N2	9条
			目标距发射基地的水平距离	d3	1000m
目标距水面的垂直距离	d4	10m

步骤5、估算发射基地与扫描到的目标之间的距离

发射基地将扫描式接收的目标反射回波信号u₁与原混沌探测信号u分别送入式(3)的第一混沌匹配滤波器、第二混沌匹配滤波器中：

$\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}=\tilde{u}(t+1/f)-\tilde{u}\left(t\right)\\ \stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&xi;}}+2\mathrm{\&beta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&xi;}}+({\mathrm{\&omega;}}^2+{\mathrm{\&beta;}}^2)\mathrm{\&xi;}=({\mathrm{\&omega;}}^2+{\mathrm{\&beta;}}^2)\mathrm{\&eta;}\left(t\right)\end{array},---\left(3\right)$

其中为混沌匹配滤波器的输入信号，ξ(t)为混沌匹配滤波器的输出信号，参数ω和β的定义与式(1)相同。

如图7所示，为原混沌探测信号u经过第二混沌匹配滤波器后的波形u₃；如图8所示，为发射基地扫描式接收的目标反射回波信号经过第一混沌匹配滤波器的波形u₂；然后将这两个混沌匹配滤波器的输出重新进行传统匹配滤波，再进行脉冲积累，根据脉冲峰值时刻就得到了发射基地接收的目标反射回波信号的时延；

如图9所示，为发射基地扫描式接收的目标反射回波信号经过两次匹配滤波(先经过第一和第二混沌匹配滤波器的滤波，再经过传统匹配滤波器一的滤波)和脉冲积累后的波形u₅，根据该波形估算出目标反射回波信号的时延为1.3344s，进而估算出扫描到的目标与发射基地之间的距离为1000.8075m。

步骤6、接收基地将扫描式接收到的目标反射的回波信号送入第三混沌匹配滤波器，并记录目标方位角θ_R

接收基地扫描式接收目标通道的水听器输出u₆，并将其送入式(3)的第三混沌匹配滤波器，进行混沌匹配滤波处理后的输出波形u₈，如图10所示，同时记录接收的目标方位角θ_R为2.8624°。

步骤7、接收基地将定向接收的直传信号送入第四混沌匹配滤波器

接收基地定向接收直传通道的水听器输出u₇，并将其送入式(3)的第四混沌匹配滤波器，混沌匹配滤波处理后的输出波形u₉，如图11所示。

步骤8、估计发射基地到目标再到接收基地的距离

将步骤6和步骤7中得到的两个混沌匹配滤波器输出信号，再重新进行传统匹配滤波(即先经过第三和第四混沌匹配滤波器的滤波，再经过传统匹配滤波二一的滤波)，所得到的输出波形u₁₀，如图12所示，再经过脉冲积累估计出目标反射的回波信号和定向接收的直传信号(u₁₁)到达接收基地的时延差Δt为0.0011s，根据直传通道距离L为1800m和水中声速c估计出发射基地到目标再到接收基地的距离即为1801.6350m。

步骤9、目标定位

根据步骤5估计得到的发射基地与扫描到的目标之间的距离和步骤8估计得到的发射基地到目标再到接收基地的距离同时借助目标方位角完成对目标的二维定位。

双基地声纳一般选取基线的中点作为坐标的原点，x轴与基线重合，y轴与基线垂直，其中基线是指发射基地和接收基地之间的连线，由双基地声纳的工作方式得到其定位方程为：

$\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{\&Sigma;}}=r_T+\sqrt{{(x-x_R)}^2+{(y-y_R)}^2}\\ r_T=\sqrt{{(x-x_T)}^2+{(y-y_T)}^2}\end{array},---\left(4\right)$

其中(x_T,y_T)为发射基地的坐标，(x_R,y_R)为接收基地的坐标。

由该定位方程得到系统的两组解(x₁，y₁)和(x₂，y₂)，因为y存在二值解，即存在着定位模糊现象，所以必须要利用方位角信息来解决定位模糊的问题，将这两组解分别代入发射基地的方位角方程中得到式(5)：

${\mathrm{\&theta;}}_{T1}=\arctan \frac{y_1-y_T}{x_1-x_T},{\mathrm{\&theta;}}_{T2}=\arctan \frac{y_2-y_T}{x_2-x_T},---\left(5\right)$

其中θ_T1为目标在(x₁，y₁)处时计算的目标方位角，θ_T2为目标在(x₂，y₂)处时计算的目标方位角，θ_T为实际记录的目标方位角。

如果|θ_T1-θ_T|≤|θ_T2-θ_T|，则目标的位置为(x₁,y₁)，否则目标的位置为(x₂,y₂)，仿真中根据步骤5估算的发射基地与扫描到的目标之间的距离和步骤8估算的发射基地到目标再到接收基地的距离及目标方位角，最终估算出目标的位置为(100.0808，38.1313)。

性能仿真对比：

1)仿真在浅海水声信道中进行，发射基地和接收基地相距150m，混沌信号基频为800Hz，发射3个脉冲，脉冲持续时间0.05s，脉冲重复周期0.3s。如图13所示，为接收基地定向接收的直传信号经过混沌匹配滤波后的输出信号再经过传统匹配滤波2(传统匹配滤波器二)、脉冲积累后的波形。如图14所示，为接收基地定向接收的直传信号只经过传统匹配滤波器和脉冲积累后的波形。对比图13和图14的仿真结果可知，由混杂系统产生的混沌信号经过混沌匹配滤波后，由多径传输造成的旁瓣被大幅减小。如图15所示，为发射基地分别发射传统信号和其他混沌信号时，接收基地定向接收的直传信号经过传统匹配滤波、脉冲积累后的波形。由图13和图15的仿真结果可知，与传统信号和其他混沌信号相比，基于混杂系统产生的混沌信号经过混沌匹配滤波后由多径传输造成的旁瓣最小。

2)为了验证采用混杂系统产生混沌信号的定位方法与采用其他信号的定位方法相比，具有更高的测量精度。仿真中采用的浅海水声信道参数如表1所示，采用双基地声纳，发射一个脉冲，脉冲持续时间为0.1s，脉冲重复周期为1.5s，在接收基地利用直传信号同步，分别对基于混杂系统产生的混沌信号、余弦信号、线性调频信号(LFM)及混沌相位调制信号的目标反射的回波信号进行400次独立测量，并计算其距离的平均相对误差。如图16-图19所示分别为基频800Hz、1000Hz、1600Hz、2000Hz时，混沌信号与其他信号(余弦信号、线性调频信号和混沌相位调制信号)的测量距离平均相对误差与信噪比变化之间曲线比较，其中标记符为实线加圆圈符的表示本发明方法的结果，标记符为方块符实线的表示基于混杂系统产生的混沌信号只经过传统匹配滤波的结果，标记符为朝下三角符号的实线表示采用余弦信号的结果，标记符为朝右三角符号的实线表示采用线性调频信号的结果，标记符为五角星符的实线表示采用混沌相位调制信号的结果。表2所示为距离的均方根误差，表明：与其他信号相比，在不同频率、不同信噪比下，本发明方法的距离均方根误差小，其精度更高。

表2、距离的均方根误差RMSE(m)

由仿真结果可知，发射的信号经过浅海水声信道传输后，由于受噪声和多径的影响严重，接收的信号会发生畸变。当仅利用传统匹配滤波器检测回波的时延时，传统匹配滤波器的输出信号会形成多个峰值，在多径严重时，还会出现副峰超过主峰的现象，这会影响目标回波时延的准确性，进而影响目标定位的精度。

综上所述，与传统方法和其他定位方法相比，本发明使用的基于混杂系统产生的宽频混沌信号，由于与海洋的背景噪声相似，故其具有可探测性低的特点，同时与相应的混沌匹配滤波器结合，能得到更好的效果，因此利用该混沌信号进行探测水下目标时，它的精度更高，且具有更好的抵抗噪声及抵抗多径的性能。另外，该信号用于目标定位同时还具有隐蔽性好、对海洋生物影响小的优点，是一种优异的测距方法。

Claims (4)

1.一种混沌水声定位方法，其特征在于：脉冲式发射基于混杂系统产生的混沌探测信号，采用一个发射机和两个接收机分开布置的双基地声纳，

其中的第一个接收机与发射机位于同一发射基地，该发射基地发送探测信号的同时也接收目标反射的回波信号；发射基地将扫描式接收的目标反射回波信号经过第一混沌匹配滤波器，其输出信号与原混沌探测信号经过第二混沌匹配滤波器后的信号再进行传统匹配滤波和脉冲积累，进而估算发射基地与扫描到的目标之间的距离；

位于接收基地的第二个接收机同时扫描式接收目标反射的回波信号和定向接收发射基地通过直传通道发送来的混沌探测信号，这两个信号分别经过第三混沌匹配滤波器、第四混沌匹配滤波器，再进行传统匹配滤波和脉冲累计，估算接收基地接收的目标反射的回波信号与直传信号之间的时延，再根据直传通道距离L和水中声速c，进而估算出发射基地到目标再到接收基地的距离；

最后，根据发射基地与扫描到的目标之间的距离、发射基地到目标再到接收基地的距离，同时再借助信号接收方位角，实现对目标的定位。

2.根据权利要求1所述的混沌水声定位方法，其特征在于，该方法具体按照以下步骤实施：

步骤1、生成混沌探测信号；

步骤2、设置脉冲式发射的探测信号

发射基地准备脉冲式发射的探测信号，设置探测信号的脉冲持续时间和脉冲重复周期；

步骤3、发射基地进行定向发射和扫描发射探测信号

发射基地在向目标扫描式发射探测信号u的同时，向接收基地定向发射探测信号u；

步骤4、发射基地扫描式接收目标反射的回波信号，并记录目标方位角θ_T

发射基地扫描式接收目标反射的回波信号u₁，同时记录接收的目标方位角θ_T；

步骤5、估算发射基地与扫描到的目标之间的距离

发射基地将扫描式接收的目标反射回波信号u₁与原混沌探测信号u分别送入式(3)的第一混沌匹配滤波器、第二混沌匹配滤波器中：

$\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&eta;}}=\tilde{u}(t+1/f)-\tilde{u}\left(t\right)\\ \stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&xi;}}+2\mathrm{\&beta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&xi;}}+({\mathrm{\&omega;}}^2+{\mathrm{\&beta;}}^2)\mathrm{\&xi;}=({\mathrm{\&omega;}}^2+{\mathrm{\&beta;}}^2)\mathrm{\&eta;}\left(t\right)\end{array}---\left(3\right)$

其中为混沌匹配滤波器的输入信号，ξ(t)为混沌匹配滤波器的输出信号，参数ω和β的定义与式(1)相同，

原混沌探测信号u经过第二混沌匹配滤波器后的波形u₃；发射基地扫描式接收的目标反射回波信号经过第一混沌匹配滤波器的波形u₂；然后将这两个混沌匹配滤波器的输出重新进行传统匹配滤波，再进行脉冲积累，根据脉冲峰值时刻就得到了发射基地接收的目标反射回波信号的时延，进而估算出扫描到的目标与发射基地之间的距离

步骤6、接收基地将扫描式接收到的目标反射的回波信号送入第三混沌匹配滤波器，并记录目标方位角θ_R

接收基地扫描式接收目标通道的水听器输出u₆，并将其送入式(3)的第三混沌匹配滤波器，进行滤波处理后的输出波形u₈，同时记录接收的目标方位角θ_R；

步骤7、接收基地将定向接收的直传信号送入第四混沌匹配滤波器

接收基地定向接收直传通道的水听器输出u₇，并将其送入式(3)的第四混沌匹配滤波器，滤波处理后输出波形u₉；

步骤8、估计发射基地到目标再到接收基地的距离

将步骤6和步骤7中得到的两个混沌匹配滤波器输出信号，再重新进行传统匹配滤波，得到输出波形u₁₀，再经过脉冲积累估计出目标反射的回波信号和定向接收的直传信号到达接收基地的时延差Δt，根据直传通道距离L和水中声速c估计出发射基地到目标再到接收基地的距离即

步骤9、目标定位

根据步骤5估计得到的发射基地与扫描到的目标之间的距离和步骤8估计得到的发射基地到目标再到接收基地的距离同时借助目标方位角对目标二维定位，即成。

3.根据权利要求2所述的混沌水声定位方法，其特征在于：所述的步骤1中，采用式(1)的混杂系统生成所要发射的混沌信号：

$\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{u}-2\mathrm{\&beta;}\stackrel{\&CenterDot;}{u}+({\mathrm{\&omega;}}^2+{\mathrm{\&beta;}}^2)(u-s_u)=0,---\left(1\right)$

其中，u为混沌信号，参数ω＝2πf，参数β＝fln2，其中f为信号的基频，则s_u的定义如下：

当时，s_u(t)＝sgn(u(t))；

当时，s_u(t)保持不变，并且有：

$\mathrm{sgn}\left(u\right)=\left\{\begin{array}{cc}+1,& u\&GreaterEqual;0\\ -1,& u<0\end{array}\right..---\left(2\right)$

4.根据权利要求2所述的混沌水声定位方法，其特征在于：所述的步骤9中，双基地声纳选取基线的中点作为坐标的原点，x轴与基线重合，y轴与基线垂直，其中基线是指发射基地和接收基地之间的连线，由双基地声纳的工作方式得到其定位方程为：

$r_{\mathrm{\&Sigma;}}=r_T+\sqrt{{(x-x_R)}^2+{(y-y_R)}^2}$               (4)

$r_T=\sqrt{{(x-x_T)}^2+{(y-y_T)}^2},$

其中(x_T,y_T)为发射基地的坐标，(x_R,y_R)为接收基地的坐标，

由该定位方程得到系统的两组解(x₁，y₁)和(x₂，y₂)，因为y存在二值解，即存在着定位模糊现象，将这两组解分别代入发射基地的方位角方程中得到式(5)：

${\mathrm{\&theta;}}_{T1}=\arctan \frac{y_1-y_T}{x_1-x_T},{\mathrm{\&theta;}}_{T2}=\arctan \frac{y_2-y_T}{x_2-x_T},---\left(5\right)$

其中θ_T1为目标在(x₁，y₁)处时计算的目标方位角，θ_T2为目标在(x₂，y₂)处时计算的目标方位角，θ_T为实际记录的目标方位角，

如果|θ_T1-θ_T|≤|θ_T2-θ_T|，则目标的位置为(x₁,y₁)，否则目标的位置为(x₂,y₂)，根据步骤5估算的发射基地与扫描到的目标之间的距离和步骤8估算的发射基地到目标再到接收基地的距离及目标方位角，最终估算出目标的位置。