CN105158734A - 一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法，包括以下步骤，对声压信号p(t)和水平振速信号v_r(t)进行短时傅立叶变换，得到声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)；利用步骤一中的声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)得到简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面根据步骤二中的简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面利用阵不变量的方法实现目标定位。本发明降低了定位方法对海洋环境先验知识的依赖性。

Description

一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法

技术领域

本发明属于水声定位领域，尤其涉及一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法。

背景技术

随着水声定位方法的发展，被动定位技术由于其良好的隐蔽性，在军事领域中有着良好的应用前景，多年来一直备受世界各国水声学者的关注和重视。一方面，随着声呐系统工作频段不断向低频发展，常规的声压水听器构成的水听器阵列在保持一定增益和束宽的条件下，其阵列孔径越来越大，这在一定程度上限制了其在实际工程中的应用。另一方面，当前成熟的被动定位技术对于较为复杂的浅海环境，还面临着诸多问题，如匹配场定位技术的环境失配问题等。矢量水听器迅速发展为被动定位开辟了新的视野，矢量水听器作为一种新型的水声传感器，在低频和甚低频段依然可以获得良好的空间增益，应用在低频和甚低频领域可以有效解决设备庞大的问题；矢量水听器可以同步共点测量声场的声压和振速信息，为水声信号的处理提供了全面的声场信息。

文献“Thearrayinvariant”(J.Acoust.Soc.Am.Vol.119,336-351,2006)在水平分层海洋波导环境下提出了一种基于浅海基阵不变量理论的瞬态声源定位方法，该方法利用了基阵常规波束形成后的被动波束-时间强度数据偏移不变性原理。

文献“Anewinvariantmethodforinstantaneoussourcerangeestimationinanoceanwaveguidefrompassivebeam-timeintensitydata”(J.Acoust.Soc.Am.116(4),2646,2004)推导出了一种基于阵不变量利用常规基阵估计瞬态源距离的方法。

文献“Rangeestimationofbroadbandnoisesourcesinanoceanwaveguideusingthearrayinvariant”(J.Acoust.Soc.Am.117(4),2577,2005)提出了在环境的先验知识未知情况下用于宽带噪声源距离估计的方法，这种方法适用于在水平分层海洋波导定位多个不相关噪声源。

文献“浅海波导中宽带声源被动测距研究”(中国海洋大学硕士论文，2011)对阵不变量测距进行了推广发展，提出了广义阵不变量，并对水平阵和垂直阵的阵不变量测距进行了试验验证。

文献“基于基阵不变量理论的水平阵被动估距方法研究”(声学与电子工程，104(4)：14-17,2011)针对浅海水平阵测距问题，研究了一种基于浅海基阵不变量理论的瞬态声源定位方法。

以上文献的共同特点是基于阵不变量利用常规声压阵对目标进行定位，该方法对海洋环境先验知识依赖性较弱。

文献“基于单矢量水听器的水面目标运动分析”(声学技术，29(4):361-364，2010)介绍了一种基于单个三维矢量水听器对水面目标进行跟踪定位和运动速度估计的方法。

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)和文献“浅海声场干涉结构与宽带声源测距研究”(中国海洋大学硕士学位论文，2010)通过对声场干涉特性的分析，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”(哈尔滨工程大学博士论文，2008)和文献“单水听器被动时反定位研究”(声学与电子工程，84(4)：15-17，2006)利用基于时间反转镜的单矢量水听器进行定位。

以上文献的共同特点是定位方法需要事先确知海洋环境信息。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法对海洋环境先验知识依赖性弱以及定位方法需要事先确知海洋环境信息的问题，而提出了一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法。

一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法，包括以下步骤，

步骤一：对声压信号p(t)和水平振速信号v_r(t)进行短时傅立叶变换，得到声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)；

步骤二：利用步骤一中的声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)得到简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面

步骤三：根据步骤二中的简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面利用阵不变量的方法实现目标定位。

一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法，还可以包括：

1、声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)分别为：

$P(\mathrm{\τ},f)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}p\left(t\right)h(t-\mathrm{\τ})e^{-j2\mathrm{\π}ft}dt$

$V_r(\mathrm{\τ},f)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{v}_r\left(t\right)h(t-\mathrm{\τ})e^{-j2\mathrm{\π}ft}dt$

其中，数据窗函数h(t)定义为：

$h\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\τ}\≤t\≤T+\mathrm{\τ}\\ 0& else\end{array}\right.$

其中，T为窗长，e为自然常数，j为虚数单位，f为频率，t为时间，τ为时移。

2、简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面为：

$R_r(\mathrm{\τ},f)=\sqrt{V_r^2(\mathrm{\τ},f)+P^2(\mathrm{\τ},f)}$

其中，R_r(τ,f)为计算模糊度平面的统计量，为水平振速的时频分布V_r(τ,f)的平方，P²(τ,f)为声压的时频分布P(τ,f)的平方。

3、利用阵不变量的方法实现目标定位的方法为：

对简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面进行峰值检测得到线性回归数据点

M_R为模糊度平面最大值，D为设定阈值，

目标定位结果为：

其中，r为目标与接收间的相对距离，为峰值检测到的线性回归数据点的俯仰角余割值，c为平均声速。

有益效果：

本发明的一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法，结合阵不变量理论和矢量水听器的特点，利用矢量水听器代替声压阵，降低阵列孔径；利用阵不变量理论，降低定位方法对海洋环境先验知识的依赖性。需要目标信号形式为宽带源。解决了现有方法对海洋环境先验知识依赖性弱以及定位方法需要事先确知海洋环境信息的问题。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为具体实施方式三中俯仰角与到达时间模糊度平面；

图3为具体实施方式四中峰值检测后的线性回归数据点；

图4为具体实施方式四中τ和之间线性关系斜率(阵不变量)估计。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、对矢量水听器接收的声压信号p(t)和水平振速信号v_r(t)进行短时傅立叶变换，得到声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)；

步骤二、利用步骤一中的声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)得到简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面

步骤三、根据步骤二中的简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面利用阵不变量的方法实现目标定位。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中对矢量水听器接收的声压信号p(t)和水平振速信号v_r(t)进行短时傅立叶变换，得到声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)；具体过程为：

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

$V_r(\mathrm{\τ},f)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{v}_r\left(t\right)h(t-\mathrm{\τ})e^{-j2\mathrm{\π}ft}dt---\left(2\right)$

式中，数据窗函数h(t)定义为：

$h\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\τ}\≤t\≤T+\mathrm{\τ}\\ 0& else\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，T为窗长，e为自然常数，j为虚数单位，f为频率，t为时间，τ为时移。.

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中利用步骤一中的声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)得到简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面具体过程为：

根据简正波理论，浅海波导中矢量声场中声压P(r,z,f)和水平振速V_r(r,z,f)的表述形式如下：

$P(r,z,f)=j\sqrt{\frac{2\mathrm{\π}}{r}}{e}^{-j\frac{\mathrm{\π}}{4}}\underset{n}{\Σ}{Z}_n\left(z_s\right)Z_n\left(z\right)\frac{e^{{\mathrm{j\μ}}_{n}r}}{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_n}}=j\sqrt{\frac{2\mathrm{\π}}{r}}{e}^{-j\frac{\mathrm{\π}}{4}}\underset{n}{\Σ}{p}_n\left(f\right)---\left(4\right)$

式中，为第n号简正波的俯仰角，r为目标与接收点间的水平相对距离，z为接收点深度，z_s为目标深度，Z_n为简正模态深度分布函数，μ_n为水平波数，e为自然常数，j为虚数单位，f为频率，n为简正波计数，为正整数；

其中， $p_n\left(f\right)=Z_n\left(z_s\right)Z_n\left(z\right)\frac{e^{{\mathrm{j\μ}}_{n}r}}{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_n}}$

联立(1)、(2)、(4)和(5)得到：

记俯仰角统计间隔为度，则空间角度允许间隔总数为：

式中，N为正整数；

由式(7)可得到空间角度允许间隔分别为： k为正整数，0＜k＜N；

若时间俯仰角落入各统计角度间隔的频点数量分别为m₁、m₂、m₃、……m_k……、m_N，则可得到简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面如图2所示，

其中，R_r(τ,f)满足如下关系式：

$R_r(\mathrm{\τ},f)=\sqrt{V_r^2(\mathrm{\τ},f)+P^2(\mathrm{\τ},f)}---\left(9\right)$

式中，R_r(τ,f)为计算模糊度平面的统计量，为水平振速的时频分布V_r(τ,f)的平方，P²(τ,f)为声压的时频分布P(τ,f)的平方。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是：所述步骤三中根据步骤二中的模糊度平面利用阵不变量的方法实现目标定位；具体过程为：

对简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面进行峰值检测得到线性回归数据点如图3所示，并结合阵不变量的方法进行目标定位：

记M_R为模糊度平面最大值，峰值检测按照式(10)进行：

式中，为线性回归数据点，D为设定阈值；

阵不变量的方法为：目标信号在平均声速c条件下从目标到接收器的绝对传播时间通过简正波到达时间τ和简正波俯仰角余割值的一阶导数进行计算，即：

式中，为俯仰角余割值，r为目标与接收间的相对距离；

根据式(11)，将峰值检测到的线性回归数据点的俯仰角对应坐标转化为余割函数然后按照最小二乘原则估计τ和间线性关系的斜率为：如图4所示，从而由式(11)可实现目标定位，目标定位方程为：

其它步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。

一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法，本发明涉及基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法。本发明的目的是为了解决现有方法对海洋环境先验知识依赖性弱以及定位方法需要事先确知海洋环境信息的问题。通过以下技术方案实现的：步骤一、对声压信号p(t)和水平振速信号v_r(t)进行短时傅立叶变换，得到声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)；步骤二、利用步骤一中的声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)得到简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面步骤三、根据步骤二中的简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面利用阵不变量的方法实现目标定位。本发明属于水声定位领域。

Claims (4)

1.一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：对声压信号p(t)和水平振速信号v_r(t)进行短时傅立叶变换，得到声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)；

步骤二：利用步骤一中的声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)得到简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面

步骤三：根据步骤二中的简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面利用阵不变量的方法实现目标定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法，其特征在于：

所述的声压的时频分布P(τ,f)和水平振速的时频分布V_r(τ,f)分别为：

$\begin{array}{c}P(\mathrm{\τ},f)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}p\left(t\right)h(t-\mathrm{\τ})e^{-j2\mathrm{\π}ft}dt\\ V_r(\mathrm{\τ},f)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{v}_r\left(t\right)h(t-\mathrm{\τ})e^{-j2\mathrm{\π}ft}dt\end{array}$

其中，数据窗函数h(t)定义为：

$h\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{\τ}\≤t\≤T+\mathrm{\τ}\\ 0& else\end{array}\right.$

其中，T为窗长，e为自然常数，j为虚数单位，f为频率，t为时间，τ为时移。

3.根据权利要求1所述的一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法，其特征在于：

所述的简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面为：

$R_r(\mathrm{\τ},f)=\sqrt{V_r^2(\mathrm{\τ},f)+P^2(\mathrm{\τ},f)}$

其中，R_r(τ,f)为计算模糊度平面的统计量，为水平振速的时频分布V_r(τ,f)的平方，P²(τ,f)为声压的时频分布P(τ,f)的平方。

4.根据权利要求1所述的一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法，其特征在于：

所述的利用阵不变量的方法实现目标定位的方法为：

对简正波俯仰角与简正波到达时间τ的模糊度平面进行峰值检测得到线性回归数据点

M_R为模糊度平面最大值，D为设定阈值，

目标定位结果为：

其中，r为目标与接收间的相对距离，为峰值检测到的线性回归数据点的俯仰角余割值，c为平均声速。