CN105204026A - 一种基于声场干涉条纹的单水平阵被动测速和测距装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种基于声场干涉条纹的单水平阵目标被动测速测距方法，属于水声工程、声纳信号处理领域。实现步骤：对声纳各阵元接收的信号进行条件处理并采集；对采集的信号做波束形成，累积后获得方位时间历程图；对感兴趣目标进行跟踪，跟踪波束作为目标方位估计，对跟踪波束的输出采用短时傅里叶变换做谱分析，得到感兴趣目标的干涉结构图，选取单水平阵在运动过程中的两个等时间间隔，形成干涉结构图，对两干涉结构图做预处理、Radon变换，结合波导不变量理论估计目标航向角；进而实现对感兴趣目标距离和速度的估计，本方法充分挖掘水下声场的物理本质，不需海洋环境的先验知识，算法简单易行，使用方便灵活，应用前景广泛。

Description

一种基于声场干涉条纹的单水平阵被动测速和测距装置及其方法

技术领域

本发明属于水声工程、声纳信号处理领域，涉及一种水下目标的被动测距和速度估计方法，特别涉及一种基于声场干涉条纹的单水平阵目标被动测速和测距方法。

背景技术

水下目标的速度、距离信息可以用于声纳的目标识别、辅助决策，可以为武器系统等提供目标指示等，因此，作为声纳系统的主要任务之一，一直是水声工作者致力解决的问题。(拖曳线列阵声纳由于其基阵尺寸大、工作频率低、探测距离远等优点而成为水面舰及潜艇最重要的警戒声纳，也是最主要的鱼雷报警声纳，如何利用拖曳线列阵声纳实现目标的被动测距已成为国内外专家学者研究的热点问题。)

现有的被动测距技术主要有：1.三元阵被动测距技术，对时延估计精度的要求很高，并且对阵型位置也要精确已知，通常采用激光测阵，由于拖曳线列阵阵型的不稳定性使得该方法的性能急剧下降；2.匹配场被动测距技术，该方法须对海洋环境进行建模，也即需要获得海洋环境的精细的先验知识，在陌生海区使用有一定困难，并且声场建模的计算量大；3.目标运动分析被动测距技术在实现目标被动测距的过程中需要本平台做一次变向的机动，给使用带来较大的不便；聚焦波束形成被动测距技术，该方法适用于近场被动定位，对远场声源的应用存在限制。

海洋低频声场具有时空相干性，亦即低频声场存在稳定可观察的干涉结构。一般来说，干涉结构是复杂的，需采用某种时空变换对其简化，最常用时空变换为时-空Fourier变换，获得的干涉结构I(t，f)被称为LOFAR图。波导不变量β是由俄罗斯学者S.D.Chuprov首先提出的，反映了距离、频率及其与I(r，ω)图上干涉条纹斜率的关系，描述了声场的频散特性和相长相消的干涉结构。利用β描述LOFAR图中干涉条纹的斜率并得到干涉条纹轨迹方程，据此可进行声纳信号处理，提取目标运动参数或环境信息。这开辟了声纳信号处理的一类新途径。亦为探寻声纳被动测距技术提供了一种新思路。

利用水下声场的相干性，基于波导不变量的目标运动参数估计和被动测距技术成为了近年来的研究热点。国外采用垂直阵引导源方法进行被动测距，国内学者就该方法进行了跟踪研究，并进行了相应的海试研究，该方法的最大特点是距离估计时无需波导环境的先验知识、稳健性好、定位精度高，但垂直阵不宜应用于运动平台(参见：Sourcerangingwithminimalenvironmentalinformationusingavirtualreceiverandwaveguideinvarianttheory，《J.Acoust.Soc.Am.》，2000，108(4)：1582-1594；海深变化环境下目标距离定位，《声学技术》，2009，28(5)：586-591页)；国内学者发展了“引导声源水平阵被动测距技术”，采用水平阵而不是垂直阵，是一个进步，水平阵被动测距更适合应用，但该算法是在阵元域处理的，水平阵只是用于空间采样，因而，该算法没有充分利用阵的空间增益(参见：波导不变量原理在目标测距中的应用，《声学技术》，2009，28(2)：45-46页)；还提出了双阵元或双阵被动测距，但要求目标有最近通过距离，尽管有重要的应用前景，但这不完全符合声纳的使用要求(参见基于波导不变量的目标运动参数估计及被动测距，《声学学报》，2011，36(3)，258-264页)。尽管文献(参见：基于声场干涉结构的双水平阵(元)被动测距，《声学学报》，2012，37(4)，440-447页)发展了更具普适性的无最近通过距离的被动测距算法，但采用双阵(元)模型，不便于应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决水下声源被动测距测速问题，而提出一种基于声场干涉条纹的单水平阵被动目标测速测距装置，包括信号采集处理模块、波束形成模块、目标跟踪模块、目标方位估计模块、谱分析模块、预处理模块、图像处理模块、距离距变率估计模块、目标航向角估计模块以及目标距离速度估计模块，其中：

所述信号采集处理模块对声纳各阵元接收的信号进行放大、滤波条件处理并进行采集，得到关注频段的阵元域信号；

所述波束形成模块对所采集的阵元域信号进行阵处理，累积后获得方位时间历程图；

所述目标跟踪模块利用波束形成模块的输出波束域信号对目标进行跟踪；

所述目标方位估计模块利用目标跟踪模块输出的跟踪波束进行目标方位估计；

所述谱分析模块对跟踪波束的输出采用短时傅里叶变换做谱分析，得到感兴趣目标的干涉结构图；

所述图像预处理模块对干涉结构图进行剔除线谱或α-β滤波预处理，得到清晰的干涉条纹；

所述图像处理模块分别对图像预处理模块处理后的干涉结构图做Radon变换处理，得到干涉条纹的斜率参数；

所述距离距变率比估计模块利用图像处理模块输出的干涉条纹斜率参数，结合波导不变量理论估计目标在不同时刻距离距变率比；

所述航向角估计模块结合目标干涉结构图和所述波束形成模块输出的方位时间历程图，通过Hough变换实现目标航向角的估计；

所述目标距离速度估计模块利用目标航向角、目标方位和距离距变率比的估计结果，实现对感兴趣目标距离和速度的估计。

本发明还提供一种用于所述基于声场干涉条纹的单水平阵被动目标测速测距装置的方法，该方法中，目标以线速度v₀沿着A点经过B点运动到C点，A、B、C三点对应的时刻分别为t₁、t₂、t₃时刻，以t₁时刻本平台所在位置为坐标原点o建立x-y坐标系，目标运动轨迹的延长线与x轴的夹角，也即目标航向角为从t₁时刻到t₂时刻，本平台以速度v_a1沿x轴正向匀速运动，而在t₂时刻改变速度，t₂时刻到t₃时刻以速度v_a2匀速运动；t₁、t₂、t₃时刻目标相对于本平台的水平距离分别为r₁、r₂、r₃，方位角分别为(θ₁+180)°、(θ₂+180)°、(θ₃+180)°，ξ为目标的距离距变率比，t₂、t₃时刻距离距变率比为ξ₁和ξ₂

其特征在于包括以下步骤：

步骤一，利用所述信号采集处理模块对声纳各阵元接收的信号进行放大、滤波处理等，并采集，得到关注频段的阵元域信号；

步骤二，利用所述波束形成模对采集的信号进行阵处理，累积后获得方位时间历程图；

步骤三，利用所述目标跟踪模块对感兴趣目标进行跟踪，所述跟踪波束作为目标方位估计，对跟踪波束的输出采用短时傅里叶变换做谱分析，得到感兴趣目标的干涉结构图，若本平台变速时刻为t₂时刻观测时间从t₁到t₃，则t₁到t₂时刻信号的谱分析结果与t₂到t₃时刻信号的谱分析结果分别形成组成干涉结构图；

步骤四，对所述两干涉结构图进行剔除线谱或α-β滤波预处理，以便获得清晰的干涉条纹，并对所述两干涉结构图做Radon变换处理，利用公式

$\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\ΔT}(f_s-a\·\tan \mathrm{\α}\·\mathrm{\Δf})}{b\·\tan \mathrm{\α}\·\mathrm{\Δf}}$

从该干涉条纹图中可得出目标在t₂、t₃时刻距离距变率比为ξ₁和ξ₂，其中，α可由对干涉结构图Radon变换估计，其余参数都可从干涉结构图上直接获取；

步骤五，对所述t₂、t₃时刻的干涉结构图，结合相应的方位时间历程作Hough变换得到目标在t₂、t₃的相对于该装置所在平台的航向角和通过公式：

实现目标航向角的估计；

步骤六，基于目标航向角、目标方位和距离距变率比的估计结果，通过公式：

实现对感兴趣目标速度估计，其中，

通过公式：

$r_2=(\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ξ}}_2}+1)r_3=A_1{r}_3$

$r_1=(\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ξ}}_1}+1)(\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ξ}}_2}+1)r_3=A_2{r}_3$

估计目标在t₁、t₂、t₃时刻的距离r₁、r₂、r₃，其中，

附图说明

图1为目标和本平台的运动态势图；

图2为干涉结构示意图；

图3为基于声场干涉条纹的单水平阵被动目标测速测距装置构成图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

参考图1，表示目标和本平台的运动。目标以线速度v₀沿着A点经过B点运动到C点，A、B、C三点对应的时刻分别为t₁、t₂、t₃时刻，以t₁时刻本平台所在位置为坐标原点o建立x-y坐标系，目标运动轨迹的延长线与x轴的夹角，也即目标航向角为从t₁时刻到t₂时刻，本平台以速度v_a1沿x轴正向匀速运动，而在t₂时刻改变速度，t₂时刻到t₃时刻以速度v_a2匀速运动。t₁、t₂、t₃时刻目标相对于本平台的水平距离分别为r₁、r₂、r₃，方位角分别为(θ₁+180)°、(θ₂+180)°、(θ₃+180)°。则有

其中，Δt为时间间隔，不失一般性，Δt＝t₂-t₁＝t₃-t₂。

若t₂时刻，目标的距离距变率比为ξ₁，则

${\mathrm{\ξ}}_1=\frac{r_2}{V}---\left(5\right)$

其中，v为目标的距变率，可以表示为：V＝(r₂-r₁)/Δt，则式(5)变为：

${\mathrm{\ξ}}_1=\frac{r_2}{(r_1-r_2)/\mathrm{\Δt}}---\left(6\right)$

同理可得t₃时刻，目标的距离距变率比ξ₂为：

${\mathrm{\ξ}}_2=\frac{r_3}{(r_2-r_3)/\mathrm{\Δt}}---\left(7\right)$

由式(7)可知：

$r_2=(\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ξ}}_2}+1)r_3=A_1{r}_3---\left(8\right)$

$r_1=(\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ξ}}_1}+1)(\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ξ}}_2}+1)r_3=A_2{r}_3---\left(9\right)$

显然， $A_1=(\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ξ}}_2}+1),$ $A_2=(\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ξ}}_1}+1)(\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ξ}}_2}+1).$

由式(1)和式(2)可得：

将式(9)代入上式，可得

由式(3)和式(4)可得：

将式(9)和式(11)依次代入上式并整理，可得：

根据上式估计出目标运动速度后，便可分别通过式(8)、式(9)和式(11)估计出目标在t₁、t₂、t₃时刻的距离。

其中，θ₁、θ₂和θ₃可由STMV波束形成方位估计获得；v_a1、v_a2、Δt均为已知；目标的距离距变率比ξ₁、ξ₂由干涉结构图估计(下文将做详细说明)；对目标从t₁到t₂时刻和t₂到t₃时刻获得的干涉结构图结合相应的方位时间历程作Hough变换所得的目标航向角和是相对坐标系绑在本平台的，并非目标真实的航向角，需经过下面的转换计算。

由图1可知：

其中， 为目标线速度v₀在x轴和y轴的分量，则由上面三式推导可知目标真实的航向角为

目标的距离距变率比ξ的估计方法如下：

若以t_s时刻为参考时刻，由波导不变量的定义可得r-f干涉结构上干涉条纹的表达式如下式所示：

$\frac{r}{r_s}={\left(\frac{f}{f_s}\right)}^{1/\mathrm{\β}}---\left(18\right)$

其中，r_s＝r(t_s)，f_s＝f(t_s)，分别称为参考距离和参考频率。式(18)可整理成式(19)所示：

$r=\frac{r_s}{{\left(f_s\right)}^{1/\mathrm{\β}}}\·f^{1/\mathrm{\β}}---\left(19\right)$

在浅海中，β≈1，则上式可简化为：

$r=\frac{r_s}{f_s}\·f---\left(20\right)$

可以看出r和f近似成线性关系，即r-f干涉结构上干涉条纹近似为一族直线，并且该族直线通过原点(0，0)，如附图2所示。

由附图2可知：

$\frac{\mathrm{OA}}{\mathrm{BC}}=\frac{\mathrm{AB}}{\mathrm{CD}}---\left(21\right)$

由图可得：OA＝r₁，BC＝r₂-r₁，AB＝f_s-α·tanα·Δf，CD＝b·tanα·Δf，其中，α为干涉图上BE段的像素点数，b为干涉图上BC段的像素点数，α为干涉条纹与纵轴的夹角，可由Radon变换估计得到，Δf为横轴每个步长代表的频率间隔，则整理可得：

$\frac{r_1}{r_2-r_1}=\frac{f_s-a\·\tan \mathrm{\α}\·\mathrm{\Δf}}{b\·\tan \mathrm{\α}\·\mathrm{\Δf}}---\left(22\right)$

实际中，通常获得的干涉结构为t-f干涉图，即LOFAR图，因此，干涉条纹上任意两点的时间间隔是已知的，假设BC段经过的时间为AT，则：

$V=\frac{r_2-r_1}{\mathrm{\ΔT}}---\left(23\right)$

为目标的距变率，则得目标的距离距变率比ξ可表示为：

$\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\ΔT}(f_s-a\·\tan \mathrm{\α}\·\mathrm{\Δf})}{b\·\tan \mathrm{\α}\·\mathrm{\Δf}}---\left(24\right)$

上式中，α可由对干涉结构图Radon变换估计，其余参数都可从干涉结构图上直接获取。

参考图3，表示基于声场干涉条纹的单水平阵目标被动测速测距方法的实现流程图。下面结合该流程图，对本发明的实施步骤做具体说明，实施步骤如下：

(1)对声纳各阵元接收的信号进行条件处理(包括放大、滤波等)并采集，得到关注频段的阵元域信号；

(2)采用波束形成技术对采集的信号进行处理，累积后获得方位时间历程图，可以采用STMV高分辨波束形成技术，具有高方位分辨率和抗多目标干扰性能，未获得清晰的干涉结构奠定基础；

(3)对感兴趣目标进行跟踪，跟踪波束作为目标方位估计，对跟踪波束的输出采用短时傅里叶变换做谱分析，得到感兴趣目标的干涉结构图，t₁到t₂时刻信号的谱分析结果组成干涉结构图1，t₂到t₃时刻信号的谱分析结果组成干涉结构图2；

(4)对两干涉结构图做预处理，以便获得清晰的干涉条纹，预处理手段包括剔除线谱、α-β滤波等；

(5)分别对两干涉结构图做图像处理(Radon变换)，根据式(24)实现对目标在t₂、t₃时刻距离距变率比ξ₁和ξ₂的估计；

(6)结合方位时间历程图和目标干涉结构图，通过Hough变换实现对目标航向角的估计；

(7)利用式(11)、式(13)实现对感兴趣目标距离和速度的估计。

Claims (2)

1.一种基于声场干涉条纹的单水平阵被动目标测速测距装置，包括信号采集处理模块、波束形成模块、目标跟踪模块、目标方位估计模块、谱分析模块、预处理模块、图像处理模块、距离距变率估计模块、目标航向角估计模块以及目标距离速度估计模块，其中：

所述信号采集处理模块对声纳各阵元接收的信号进行放大、滤波条件处理并进行采集，得到关注频段的阵元域信号；

所述波束形成模块对所采集的阵元域信号进行阵处理，累积后获得方位时间历程图；

所述目标跟踪模块利用波束形成模块的输出波束域信号对目标进行跟踪；

所述目标方位估计模块利用目标跟踪模块输出的跟踪波束进行目标方位估计；

所述谱分析模块对跟踪波束的输出采用短时傅里叶变换做谱分析，得到感兴趣目标的干涉结构图；

所述图像预处理模块对干涉结构图进行剔除线谱或α-β滤波预处理，得到清晰的干涉条纹；

所述图像处理模块分别对图像预处理模块处理后的干涉结构图做Radon变换处理，得到干涉条纹的斜率参数；

所述距离距变率比估计模块利用图像处理模块输出的干涉条纹斜率参数，结合波导不变量理论估计目标在不同时刻距离距变率比；

所述航向角估计模块结合目标干涉结构图和所述波束形成模块输出的方位时间历程图，通过Hough变换实现目标航向角的估计；

所述目标距离速度估计模块利用目标航向角、目标方位和距离距变率比的估计结果，实现对感兴趣目标距离和速度的估计。

2.一种用于权利要求1的基于声场干涉条纹的单水平阵被动目标测速测距方法，该方法中，目标以线速度v₀沿着A点经过B点运动到C点，A、B、C三点对应的时刻分别为t₁、t₂、t₃时刻，以t₁时刻本平台所在位置为坐标原点o建立x-y坐标系，目标运动轨迹的延长线与x轴的夹角，也即目标航向角为从t₁时刻到t₂时刻，本平台以速度v_α1沿x轴正向匀速运动，而在t₂时刻改变速度，t₂时刻到t₃时刻以速度v_α2匀速运动；t₁、t₂、t₃时刻目标相对于本平台的水平距离分别为r₁、r₂、r₃，方位角分别为(θ₁+180)°、(θ₂+180)°、(θ₃+180)°，ξ为目标的距离距变率比，t₂、t₃时刻距离距变率比为ξ₁和ξ₂

其特征在于包括以下步骤：

步骤一，利用所述信号采集处理模块对声纳各阵元接收的信号进行放大、滤波处理等，并采集，得到关注频段的阵元域信号；

步骤二，利用所述波束形成模块对采集的信号进行阵处理，累积后获得方位时间历程图；

步骤三，利用所述目标跟踪模块对感兴趣目标进行跟踪，所述跟踪波束作为目标方位估计，对跟踪波束的输出采用短时傅里叶变换做谱分析，得到感兴趣目标的干涉结构图，若本平台变速时刻为t₂时刻观测时间从t₁到t₃，则t₁到t₂时刻信号的谱分析结果与t₂到t₃时刻信号的谱分析结果分别形成干涉结构图；

步骤四，对所述两干涉结构图进行剔除线谱或α-β滤波预处理，以便获得清晰的干涉条纹，并对所述两干涉结构图做Radon变换处理，利用公式

$\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\ΔT}(f_s-a\·\tan \mathrm{\α}\·\mathrm{\Δf})}{b\·\tan \mathrm{\α}\·\mathrm{\Δf}}$

从该干涉条纹图中可得出目标在t₂、t₃时刻距离距变率比为ξ₁和ξ₂，其中，α可由对干涉结构图Radon变换估计，其余参数都可从干涉结构图上直接获取；

步骤五，对所述t₂、t₃时刻的干涉结构图，结合相应的方位时间历程作Hough变换得到目标在t₂、t₃的相对于该装置所在平台的航向角和通过公式：

实现目标航向角的估计；

步骤六，基于目标航向角、目标方位和距离距变率比的估计结果，通过公式：

实现对感兴趣目标速度估计，其中，

通过公式：

$r_2=(\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ξ}}_2}+1)r_3=A_1{r}_3$

$r_1=(\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ξ}}_1}+1)(\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ξ}}_2}+1)r_3=A_2{r}_3$

估计目标在t₁、t₂、t₃时刻的距离r₁、r₂、r₃，其中，