CN105589066B - 一种利用垂直矢量阵估计水下匀速运动航行器参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用垂直矢量阵估计水下匀速运动航行器参数的方法，基于垂直阵的水下航行器噪声测量或水下航行器探测的平台上，根据各阵元空间信息不同而产生的多普勒频移差异，利用多项式调频小波变换得到各阵元的精确多普勒频移，再结合各矢量传感器的俯仰角信息，优化求解联合多目标函数的加权非线性最小二乘问题，实现了水下航行器的速度、深度、水平最近距离和其到不同阵元的正横距离的联合估计，该方法实施简单，估计精度较高，显著的提高参数估计的稳健性和估计速度。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行器测量领域，尤其是利用垂直矢量阵及多普勒频移进行测量的方法。
背景技术
水下运动航行器的参数主要包括速度、深度和距离等物理量。利用航行器的辐射噪声被动估计这些参数是水声信号处理研究的一项重要内容。该技术可广泛应用于声呐浮标、水声实验中的目标运动分析及水下航行器辐射噪声测量等诸多领域。航行器的速度、深度和距离的被动估计是基于这些参数不同而引起的信号的各种变化来进行间接测量。与主动的目标参数估计相比，被动估计具有隐蔽性，且所构成的系统的复杂性也更低。
现有的被动估计方法主要使用单个水听器，可以分为宽带和窄带两类方法。宽带方法利用的是水下声波导的多途传播特征。杨娟等人2008年在《利用低频声压干涉谱的目标运动参数估计》一文中，根据航行器辐射的连续谱信号在水声信道中多途传播形成的时频域干涉谱，提出一种联合估计水下航行器速度和正横距离的方法。该方法依赖于具体的水声场环境，在浅海条件下效果才明显，其适用范围受限。基于Lloyd镜面效应，吴国清在《声学学报》中发表的《线谱非平稳性和利用干涉谱测距》提出利用水面和海底反射声的不同到达时间的水下航行器测距和测深方法，但该方法要求知道海洋深度信息。窄带方法是基于航行器和传感器之间相对运动而形成的线谱多普勒频移。由于航行器辐射噪声的线谱强度高于连续谱许多，有的甚至超过20dB，线谱的多普勒频移较之宽带谱的相消干涉条纹更为明显，因此窄带方法更为有效且常用。早在1992年Brian Ferguson在文章《A ground-based narrow-band passive acoustic technique for estimating the altitude andspeed of a propeller-driven aircraft》中提出利用线谱多普勒频移特征来估计旋翼式飞机飞行参数，如速度和高度，该技术同样也可应用于水下航行器的参数估计。2010至2013年，徐灵基、杨益新、高伟和刘俊星等人在《瞬时频率估计的水下运动目标参数估计方法》、《单水听器被动测距的信赖域最优化方法》、《基于辐射噪声强度和线谱多普勒的目标运动参数估计》等工作中，在多普勒频移估计、参数实时估计和优化算法上改进了Ferguson的单传感器多普勒频移方法，并用于估计水下航行器的速度和正横距离。然而，这些方法都无法得到航行器的深度和水平最近距离。2003年，吴国清等人在其工作《线谱非平稳性与Dopplerlet测距测速》中提出利用Dopperlet算法估计水下航行器的速度和正横距离的方法，但也不能得到航行器的深度和水平最近距离，且速度的估计精度较低。之后，他们在《利用辐射噪声多线谱的多普勒进行距离估计》中又提出了改进方法，根据多线谱的多普勒频移估计航行器的正横距离。该方法利用了更多的多普勒频移信息，虽然提高了正横距离估计的精度，但本质上还是使用Dopplerlet算法。
较之单传感器，空间分布的多传感器具有更大的信息量。2009年，严光洪等人在文章《Using a linear array to estimate the velocity of underwater movingtargets》利用水平阵列的高分辨测向技术来估计水下航行器的速度，理论上得到了较精确的结果，然而该方法对水平阵列布放的形状要求严格，较难应用于实际的测量且也只能估计水下航行器的速度。
发明内容
为了克服现有方法不能获得水下航行器深度、水平最近距离和方位角，且速度估计精度较低等不足，本发明提出采用垂直矢量线阵列，联合利用矢量阵列多传感器输出的多普勒频移，不但可以估计水下航行器的深度和水平最近距离，还可以估计水下航行器的方位角，并且航行器速度的估计值也更为精确。相较于之前的技术，本发明采用垂直阵列方案提高了各个参数的估计精度和稳健性；将矢量水听器应用在本技术中不但直接地增加了可估计的参数个数，而且还间接地辅助了其他参数的估计；对深度和最短距离的估计采用的可以提高参数估计准确性的线性最小二乘方法；而对速度的估计则采用了非线性最小二乘方法中的一维参数搜索方式，相较于很多方法中需要多维搜索的方式，可以显著的提高参数估计的稳健性和估计速度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)在水下有一个共M阵元的垂直矢量水听器阵，水下航行器在水下以速度ν水平方向做匀速直线航行，水下航行器由远及近接近垂直矢量水听器阵再由近及远离开垂直矢量水听器阵，垂直矢量水听器阵的m阵元深度为hm，水下航行器轨迹与垂直矢量水听器阵的水平最近距离为L，与垂直矢量水听器阵中的第m号阵元的正横距离为Rm，m＝1,2,…,M，在水下航行器运动的过程中，垂直矢量水听器阵各个阵元均持续接收航行器辐射的声压信号和三维的质点振速信号，通过前置放大器后用数据采集仪记录转换成电压信号的声压信息和三维的质点振速信息
xm(t)＝[pm(t),vxm(t),vym(t),vzm(t)]T，0＜t≤T，其中pm(t)表示该阵元接收到的声压信息，vxm(t)、vym(t)、vzm(t)表示该阵元接收到的三维质点振速分量，T表示数据记录的时间长度；
(2)水下航行器与垂直矢量水听器阵之间相对运动形成多普勒效应，垂直矢量水听器阵接收到的线谱噪声源信号称为多普勒信号，该阵的各个水听器记录的信号需要进行预处理：
将第m个阵元接收采集的声压信息pm(t)做快速傅立叶变换(FFT)分析频谱，找到信号中存在的最强的低频线谱，该低频线谱的频率为通过带通滤波器分离出存在线谱的频带宽度为的各个小区域信号，其中v0取已知水下航行器的最大航行速度，v0不超过20节，c为测声速仪器测得的当前环境下的声速，可得到低频线谱噪声源多普勒信号sm(t),m＝1,2,…,M，t表示时间，将分离出的线谱噪声源多普勒信号sm(t)复数化得到多普勒解析信号zm(t)，其中zm(t)＝sm(t)+jH[sm(t)]，H[sm(t)]表示信号sm(t)的希尔伯特变换；
(3)垂直矢量水听器阵的阵列中每一个水听器都可以获得所测量信号的传播方向，方位角的估计值可由垂直矢量水听器阵中每个阵元的方位角来进行计算，即航行器位于正横位置时，第m阵元与航行器的俯仰角度的估计值可以通过水听器的质点振速分量vxm(t)、vym(t)、vzm(t)表示，而航行器深度的估计值和航行器与垂直矢量水听器阵的最近距离的估计值可以通过解方程组m＝1,2,…,M来获得；
(4)步骤(2)中所得的多普勒解析信号zm(t)的频率不断变化，其瞬时频率可通过分析短时傅里叶变换Zm(t,f)＝∫ω(τ-t)zm(τ)e-j2πfτdτ得到，其中τ为窗函数ω(τ-t)的长度，Zm(t,f)为时刻t、频率f上对应的响应，zm(τ)为t＝τ时刻的多普勒解析信号zm(t)，该信号对应的瞬时频率的估计值通过计算每一时刻t上频率响应的极值得到，而频率的理论值fm(t)通过
计算得到，其中f0表示航行器上辐射线谱噪声源信号的频率，c表示声速，v表示航行器的运动速度，tc为线谱噪声源运动时距离第m阵元最近的正横时刻，利用非线性最小二乘估计法得到水下航行器通过该垂直矢量水听器阵的正横时刻的估计值和航行器运动速度的估计值即
(5)水下航行器的方位可以由步骤(3)和步骤(4)中的航行器深度距垂直矢量水听器阵最短距离相对垂直矢量水听器阵的方位角正横时刻航行器运动速度来表示，即在t时刻航行器水深为距离垂直矢量水听器阵距离方位角为
本发明的有益效果是由于采用在基于垂直阵的水下航行器噪声测量或水下航行器探测的平台上，根据各阵元空间信息不同而产生的多普勒频移差异，利用多项式调频小波变换得到各阵元的精确多普勒频移，再结合各矢量传感器的俯仰角信息，优化求解联合多目标函数的加权非线性最小二乘问题，实现了水下航行器的速度、深度、水平最近距离和其到不同阵元的正横距离的联合估计，该方法实施简单，估计精度较高。
附图说明
图1是本发明是水下航行器通过测量垂直矢量阵时的运动模型示意图，其中ν为水下航行器在水下水平方向的航行速度，S为垂直矢量水听器阵，hm为m阵元深度，θm为第m号阵元与在正横位置的航行器所形成的俯仰角度，H为航行器深度，Rm为正横距离，L为水下航行器轨迹与垂直矢量水听器阵的水平最近距离。
图2是本发明水下航行参数估计方法的总体流程框图，其中FFT为快速傅立叶变换。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的具体实施方式如下：
(1)测量垂直矢量水听器阵有M个阵元，阵元总个数M可以为不小于2的任意整数，被测航行器处于正横位置时其运行轨迹上距测量垂直阵最近，水平最近距离为L。在水深为hm的第m号阵元与在正横位置的航行器所形成的俯仰角度为θm，正横距离为Rm，其中m＝1,2,…,M。水下航行器运动的过程中，垂直矢量水听器阵各个阵元均持续接收航行器辐射的声压信号和三维的质点振速信号，通过前置放大器后用数据采集仪记录转换成电压信号的声压信息和三维的质点振速信息
xm(t)＝[pm(t),vxm(t),vym(t),vzm(t)]T，0＜t≤T，其中pm(t)表示该阵元接收到的声压信息，vxm(t)、vym(t)、vzm(t)表示该阵元接收到的三维质点振速分量，T表示数据记录的时间长度。通过前放后用数据采集仪将其中的声压信息pm(t)转换成电压信号s(t)，t为时间，通过前置放大后用数据采集仪以采样率fS记录时间长度为T的数据，得到信号s(t)的离散时间序列s(n),n＝1,…,N，总采样点N＝TfS，故信号中的第n点表示实际中t′时刻对应关系为t′＝n/fS。
(2)水下航行器与垂直矢量水听器阵之间相对运动形成多普勒效应，垂直矢量水听器阵接收到的线谱噪声源信号称为多普勒信号，该阵的各个水听器记录的信号需要进行预处理：
将第m个阵元接收采集的声压信息pm(t)做快速傅立叶变换(FFT)分析频谱，找到信号中存在的最强的低频线谱，该低频线谱的频率为通过带通滤波器分离出存在线谱的频带宽度为的各个小区域信号，其中v0取已知水下航行器的最大航行速度，v0不超过20节，c为测声速仪器测得的当前环境下的声速，可得到低频线谱噪声源多普勒信号sm(n)，m＝1,2,…,M，t表示时间，将分离出的线谱噪声源多普勒信号sm(n)复数化得到多普勒解析信号zm(n)，其中zm(n)＝sm(n)+jH[sm(n)]，H[sm(n)]表示信号sm(n)的希尔伯特变换。
(3)航行器与测量垂直矢量水听器阵每个阵元的相对方位角可以通过水听器的质点振速分量的离散形式vmx(n)、vmy(n)来表示， 进而可以得到方位角的估计值
航行器位于正横位置时，第m阵元与航行器的俯仰角度的估计值可以通过水听器的质点振速分量vmx(n)、vmy(n)、vmz(n)表示，即 m＝1,2,…,M故航行器的深度的估计值和航行器与垂直矢量水听器阵的最近距离的估计值可以通过解方程组来获得：
其中分别为第1阵元与航行器的俯仰角度的估计值，为第m阵元与航行器的俯仰角度的估计值，为第M阵元与航行器的俯仰角度的估计值，h1为第1阵元的深度，hm为第m阵元深度，hM为第M阵元深度，通过线性回归的方法可以得到这个问题的最小二乘解：
其中为第k阵元与航行器的俯仰角度的估计值，k＝1,2,…,M。同时可以得到水下航行器与测量垂直矢量水听器阵中第m阵元正横距离的估计值为
(4)步骤(2)中所得的多普勒解析信号zm(n)的频率不断变化，其瞬时频率是变化的，通过对该信号进行短时傅里叶变换其中τ为窗函数ω(t′fs-n)的长度，Zm(t′,f)为离散的时刻t′、频率f上对应的响应，该信号对应的瞬时频率的估计值是通过计算每一时刻t′上频率响应的极值得到的。而该信号瞬时频率的理论值表示为
其中f0表示航行器上目标射辐射线谱噪声源信号的频率，c表示声速，v表示航行器的运动速度，tc′＝nc/fs为线谱噪声源运动时距离第m阵元最近的正横时刻。利用非线性最小二乘估计法得到水下航行器通过该垂直矢量水听器阵的正横时刻的估计值和航行器运动速度的估计值即对提取出的多普勒频移曲线的变化率进行一维峰值搜索得到正横时刻的利用非线性最小二乘估计法得到水下航行器的运动速度的估计值即 为计算出使函数为最小值时的运动速度参数v。假设最小化目标函数 的具体计算步骤如下：
(a)速度的初值采用已知的水下航行器的最大航行速度一般不超过20节；
(b)由时刻变量正横时刻的估计值tc′和步骤(3)中正横距离的估计值可确定线谱噪声源频率的初值
(c)获得函数对变量运动速度的估计值的一阶导数为
(d)通过一维最小二乘搜索迭代算法求解得到参数运动速度的估计值其迭代关系式为 表示第p次迭代变量的值，表示第p+1次迭代变量的值，迭代初始值为步骤(a)所得；
(5)水下航行器的方位可以由步骤第(3)、(4)中推出的航行器深度距垂直矢量水听器阵最短距离相对垂直矢量水听器阵的方位角正横时刻航行器运动速度来表示，即在t时刻航行器位于水深距离垂直矢量水听器阵方位角处。
Claims (1)
1.一种利用垂直矢量阵估计水下匀速运动航行器参数的方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)在水下有一个共M阵元的垂直矢量水听器阵，水下航行器在水下以速度ν水平方向做匀速直线航行，水下航行器由远及近接近垂直矢量水听器阵再由近及远离开垂直矢量水听器阵，垂直矢量水听器阵的m阵元深度为hm，水下航行器轨迹与垂直矢量水听器阵的水平最近距离为L，与垂直矢量水听器阵中的第m号阵元的正横距离为Rm，m＝1,2,…,M，在水下航行器运动的过程中，垂直矢量水听器阵各个阵元均持续接收航行器辐射的声压信号和三维的质点振速信号，通过前置放大器后用数据采集仪记录转换成电压信号的声压信息和三维的质点振速信息xm(t)＝[pm(t),vxm(t),vym(t),vzm(t)]T，0＜t≤T，其中pm(t)表示该阵元接收到的声压信息，vxm(t)、vym(t)、vzm(t)表示该阵元接收到的三维质点振速分量，T表示数据记录的时间长度；
(2)水下航行器与垂直矢量水听器阵之间相对运动形成多普勒效应，垂直矢量水听器阵接收到的线谱噪声源信号称为多普勒信号，该阵的各个水听器记录的信号需要进行预处理：
将第m个阵元接收采集的声压信息pm(t)做快速傅立叶变换(FFT)分析频谱，找到信号中存在的最强的低频线谱，该低频线谱的频率为通过带通滤波器分离出存在线谱的频带宽度为的各个小区域信号，其中v0取已知水下航行器的最大航行速度，v0不超过20节，c为测声速仪器测得的当前环境下的声速，可得到低频线谱噪声源多普勒信号sm(t),m＝1,2,…,M，t表示时间，将分离出的线谱噪声源多普勒信号sm(t)复数化得到多普勒解析信号zm(t)，其中zm(t)＝sm(t)+jH[sm(t)]，H[sm(t)]表示信号sm(t)的希尔伯特变换；
(3)垂直矢量水听器阵的阵列中每一个水听器都可以获得所测量信号的传播方向，方位角的估计值可由垂直矢量水听器阵中每个阵元的方位角来进行计算，即航行器位于正横位置时，第m阵元与航行器的俯仰角度的估计值可以通过水听器的质点振速分量vxm(t)、vym(t)、vzm(t)表示，而航行器深度的估计值和航行器与垂直矢量水听器阵的最近距离的估计值可以通过解方程组来获得；
(4)步骤(2)中所得的多普勒解析信号zm(t)的频率不断变化，其瞬时频率可通过分析短时傅里叶变换Zm(t,f)＝∫ω(τ-t)zm(τ)e-j2πfτdτ得到，其中τ为窗函数ω(τ-t)的长度，Zm(t,f)为时刻t、频率f上对应的响应，zm(τ)为t＝τ时刻的多普勒解析信号zm(t)，该信号对应的瞬时频率的估计值通过计算每一时刻t上频率响应的极值得到，而频率的理论值fm(t)通过计算得到，其中f0表示航行器上辐射线谱噪声源信号的频率，c表示声速，v表示航行器的运动速度，tc为线谱噪声源运动时距离第m阵元最近的正横时刻，利用非线性最小二乘估计法得到水下航行器通过该垂直矢量水听器阵的正横时刻的估计值和航行器运动速度的估计值即
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(5)水下航行器的方位可以由步骤(3)和步骤(4)中的航行器深度距垂直矢量水听器阵最短距离相对垂直矢量水听器阵的方位角正横时刻航行器运动速度来表示，即在t时刻航行器水深为距离垂直矢量水听器阵距离方位角为
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105589066A (zh) | 2016-05-18 |
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