CN105954755A - 一种基于双随机基阵被动定位的大桥防撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双随机基阵被动定位的大桥防撞方法，该方法基于大桥防撞装置实现，所述装置包括两个随机换能器基阵，分别安装在大桥两侧的桥墩上，用于接收通航船舶的辐射噪声信号；所述方法包括：两个随机换能器基阵对接收到的通航船舶的辐射噪声信号进行预处理、频谱分析和带通滤波，得到船舶辐射噪声的有用信号；采用宽带频域非相干处理方法对船舶辐射噪声的有用信号进行角度估计，得到船舶相对于两个随机换能器基阵的角度θ₁和θ₂；从而计算出船舶的坐标；根据大桥两侧桥墩到船舶的距离判定船舶是否进入大桥防撞危险局域。本发明提出的方法测量精度高，装置安装简单方便，成本较低。

Description

一种基于双随机基阵被动定位的大桥防撞方法

技术领域

本发明涉及一种海洋领域的水声信号处理方法，具体涉及一种基于双随机基阵被动定位的大桥防撞方法。

背景技术

跨河跨海大桥的建设，极大的缓解了路上交通的拥挤。但是大量跨河跨海桥梁的修建，相当于给水上交通制造了许多障碍物，并且随着船舶向大型化发展和船舶通航密度逐渐增大，导致通航船舶碰撞桥梁事故频繁发生，对海上交通造成了极大的威胁。现阶段应用在防撞预警系统的方法主要有：激光感应、雷达定位、视频监控和水声定位等。

水声目标定位主要分为被动目标定位和主动目标定位，与主动目标定位相比，被动定位的隐蔽性较好。常用的被动定位方法有传统的被动定位方法、目标运动定位分析法、匹配场被动定位方法、多基阵联合的纯方位被动跟踪方法等。但上述方法存在一定的不足，如传统的被动定位方法，包括三子阵法和球面内插法，但其需要预先知道时延差，存在较大的误差；目标运动定位分析法，在实时跟踪时应用困难；匹配场被动定位方法，在信道环境复杂的条件下存在较大的误差；多基阵联合的纯方位被动跟踪方法，其设备较复杂，成本较高等。

发明内容

本发明的目的在于克服目前水声目标被动定位方法存在的上述缺陷，提出了一种基于双随机基阵被动定位的大桥防撞方法，该方法将两条随机换能器基阵安装在大桥两侧的桥墩上，被动接收靠近大桥的通航船舶的辐射噪声，然后利用频域角度估计方法，对辐射噪声信号进行处理，进行船舶角度估计，最后根据双基阵间距以及与船舶的角度信息，融合估计出船舶与桥墩的距离，并判断是否进入危险区，及时发出预警。该方法能实时检测出船舶距离桥墩的距离，及时发出预警，检测精度高，并且简单方便，易于安装和维护，成本较低。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于双随机基阵被动定位的大桥防撞方法，该方法基于大桥防撞装置实现，所述装置包括两个随机换能器基阵，分别安装在大桥两侧的桥墩上，用于接收通航船舶的辐射噪声信号；所述方法包括：两个随机换能器基阵对接收到的通航船舶的辐射噪声信号进行预处理、频谱分析和带通滤波，得到船舶辐射噪声的有用信号；采用宽带频域非相干处理方法对船舶辐射噪声的有用信号进行角度估计，得到船舶相对于两个随机换能器基阵的角度θ₁和θ₂；从而计算出船舶的坐标(x₀,y₀)；根据大桥两侧桥墩到船舶的距离判定船舶是否进入大桥防撞危险局域。

上述技术方案中，所述方法具体包括：

步骤1)两个随机换能器基阵被动接收通航船舶的辐射噪声信号，对船舶辐射噪声信号进行功率放大、带通滤波预处理；

步骤2)对预处理之后的船舶辐射噪声信号进行频谱分析，得到船舶辐射噪声信号的显著频率分布范围；

步骤3)根据船舶辐射噪声信号的显著频率分布范围，对船舶辐射噪声信号进行带通滤波，去除其它频率的无用噪声，筛选出船舶辐射噪声的有用信号；

步骤4)采用宽带频域非相干处理方法，对步骤3)得到的输出信号进行角度估计，得到船舶相对于两个随机换能器基阵的角度θ₁和θ₂；

步骤5)根据两个角度值θ₁和θ₂，求解船舶的坐标(x₀,y₀)。

步骤6)计算得到船舶距离两个桥墩的长度：

$r_1=\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2},$

$r_2=\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2};$

其中，(x₁,y₁)，(x₂,y₂)分别为两个桥墩的坐标；

步骤7)设定大桥避撞危险局域半径为D，若r₁≤D或r₂≤D，则发出警报信息。

上述技术方案中，所述步骤4)具体包括：

步骤401)对步骤3)输出的数据进行时域数据分段，分为K个数据段，每段数据的采样点数为J；对每段数据进行J点的FFT变化处理，取K个数据段中相同频率柜的数据组成频域快拍数据，则宽带信号模型可以用频域表示为：

X(f_j)＝A(f_j)S(f_j)+N(f_j) j＝1,2,…,J

式中，A(f_j)是M×N的导向矢量矩阵，S(f_j)为接收信号复包络，N(f_j)为无用信号噪声，M为阵元个数，N为信号源个数，船舶辐射噪声频段共分为J个频率柜，f_j为第j个频率柜；

步骤402)根据最大似然估计定理，估计出每个频率柜上的采样数据协方差矩阵：

R(f_j)＝X(f_j)X^H(f_j)/K

步骤403)对协方差矩阵进行信号到达角度估计处理，估计得到每个频率柜所对应的角度功率谱：

$\begin{array}{cc}{P}_j\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{a^H\left(\mathrm{\θ}\right)R^{-1}\left(f_j\right)a\left(\mathrm{\θ}\right)}& j=1,2,...,J\end{array}$

其中，a(θ)为来波方向为θ时，随机换能器基阵所对应的导向矢量；

步骤404)对所有频率柜的角度功率谱进行累加求和，得出宽带船舶辐射噪声的总功率谱为：

$P\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{J}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{P}_j\left(\mathrm{\θ}\right)$

步骤405)估计两个随机换能器基阵与船舶之间的角度；

船舶辐射噪声角度功率谱的尖峰对应着船舶相对于第一个随机换能器基阵的角度：

${\mathrm{\θ}}_1=\underset{\mathrm{\θ}}{max}P\left(\mathrm{\θ}\right)$

通过上述步骤求解出船舶相对于第二个随机换能器基阵的角度θ₂。

本发明的优势在于：

1、本发明提出的法可以对通航船舶进行定位，适合于对各类船舶；

2、本发明提出的方法测量精度高，安装简单方便，成本较低。

附图说明

图1为本发明中计算船舶位置的示意图；

图2a为实例1的基阵1的功率谱图；

图2b为实例1的基阵2的功率谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于双随机基阵被动定位的大桥防撞方法；该方法实现的条件是：在大桥两侧的桥墩上分别安装一个随机换能器基阵；根据实际工程所需，合理设计随机换能器基阵的参数，在两个阵列阵元个数相同的情况下，与传统的半波长布阵的均匀线阵相比，随机换能器基阵的角度分辨率远大于均匀阵的角度分辨率；所述方法具体包括：

步骤1)两个随机换能器基阵被动接收通航船舶的辐射噪声信号，对船舶辐射噪声信号进行功率放大、带通滤波等预处理；

步骤2)对预处理之后的船舶辐射噪声信号进行频谱分析，得到船舶辐射噪声信号的显著频率分布范围；

采用FFT变换，并采用频谱检测方法，检测出船舶辐射噪声的频率分布范围；

步骤3)根据船舶辐射噪声信号的显著频率分布范围，对船舶辐射噪声信号进行带通滤波，去除其它频率的无用噪声，筛选出船舶辐射噪声的有用信号；

步骤4)采用宽带频域非相干处理方法，对噪声信号进行角度估计；具体包括：

步骤401)对步骤3)输出的数据进行时域数据分段，分为K个数据段，每段数据的采样点数为J；对每段数据进行J点的FFT变化处理，取K个数据段中相同频率柜的数据组成频域快拍数据，则宽带信号模型可以用频域表示为：

X(f_j)＝A(f_j)S(f_j)+N(f_j) j＝1,2,…,J

式中，A(fj)是M×N的导向矢量矩阵，S(f_j)为接收信号复包络，N(f_j)为无用信号噪声，M为阵元个数，N为信号源个数，船舶辐射噪声频段共分为J个频率柜，f_j为第j个频率柜；

步骤402)根据最大似然估计定理，估计出每个频率柜上的采样数据协方差矩阵：

R(f_j)＝X(f_j)X^H(f_j)/K

步骤403)对协方差矩阵进行信号到达角度估计处理，估计得到每个频率柜所对应的角度功率谱：

$\begin{array}{cc}{P}_j\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{a^H\left(\mathrm{\θ}\right)R^{-1}\left(f_j\right)a\left(\mathrm{\θ}\right)}& j=1,2,...,J\end{array}$

其中，a(θ)为来波方向为θ时，随机换能器基阵所对应的导向矢量；

步骤404)对所有频率柜的角度功率谱进行累加求和，得出宽带船舶辐射噪声的总功率谱为：

$P\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{J}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{P}_j\left(\mathrm{\θ}\right)$

步骤405)估计两个随机换能器基阵与船舶之间的角度；

船舶辐射噪声角度功率谱的尖峰对应着船舶相对于第一个随机换能器基阵的角度：

${\mathrm{\θ}}_1=\underset{\mathrm{\θ}}{max}P\left(\mathrm{\θ}\right)$

通过上述步骤求解出船舶相对于第二个随机换能器基阵的角度θ₂。

步骤5)根据两个角度值θ₁和θ₂，求解船舶的坐标(x₀,y₀)；

如图1所示，实际桥墩的地理位置在位置规划时是已知的，分别为(x₁,y₁)，(x₂,y₂)；根据三角形几何关系所得，tanθ₁＝(y₀-y₁)/(x₀-x₁)，tanθ₂＝(y₀-y₂)/(x₀-x₂)，结合三角关系式，可以求得船舶的坐标(x₀,y₀)；

步骤6)结合桥墩的地理位置，计算得到船舶距离两个桥墩的长度分别为

步骤7)设定大桥避撞危险局域半径为D，若r₁≤D或r₂≤D，则会发出警报，使得船舶远离大桥，避免船舶碰撞大桥事故的发生。

实例1：

系统参数为：两个随机换能器基阵的阵元个数为10个；船舶辐射噪声的频谱设为25kHz-35kHz，采样率为400kHz，基阵1的坐标为(2，5)米，基阵2的坐标为(10，1)米。

由图2a和图2b可知，两个基阵对接收的船舶辐射噪声进行处理，得到的角度功率谱可以检测出，船舶偏离基阵1的角度为40°，偏离基阵2的角度为120°；并根据基阵1和基阵2的位置坐标可得：

可计算得出船舶的位置坐标为(8.92，10.8)。

进而求得船舶距离基阵1的距离米，船舶距离基阵2的距离为米。

最后，将r₁，r₂与实际的危险半径进行比较，得出是否需要发出警报。

Claims (3)

1.一种基于双随机基阵被动定位的大桥防撞方法，该方法基于大桥防撞装置实现，所述装置包括两个随机换能器基阵，分别安装在大桥两侧的桥墩上，用于接收通航船舶的辐射噪声信号；所述方法包括：两个随机换能器基阵对接收到的通航船舶的辐射噪声信号进行预处理、频谱分析和带通滤波，得到船舶辐射噪声的有用信号；采用宽带频域非相干处理方法对船舶辐射噪声的有用信号进行角度估计，得到船舶相对于两个随机换能器基阵的角度θ₁和θ₂；从而计算出船舶的坐标；根据大桥两侧桥墩到船舶的距离判定船舶是否进入大桥防撞危险局域。

2.根据权利要求1所述的基于双随机基阵被动定位的大桥防撞方法，其特征在于，所述方法具体包括：

步骤1)两个随机换能器基阵被动接收通航船舶的辐射噪声信号，对船舶辐射噪声信号进行功率放大、带通滤波预处理；

步骤2)对预处理之后的船舶辐射噪声信号进行频谱分析，得到船舶辐射噪声信号的频率分布范围；

步骤3)根据船舶辐射噪声信号的频率分布范围，对船舶辐射噪声信号进行带通滤波，去除其它频率的无用噪声，筛选出船舶辐射噪声的有用信号；

步骤4)采用宽带频域非相干处理方法，对步骤3)得到的噪声信号进行角度估计，得到船舶相对于两个随机换能器基阵的角度θ₁和θ₂；

步骤5)根据两个角度值θ₁和θ₂，求解船舶的坐标(x₀,y₀)；

步骤6)计算得到船舶距离两个桥墩的长度：

$r_1=\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2},$

$r_2=\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2};$

其中，(x₁,y₁)，(x₂,y₂)分别为两个桥墩的坐标；

步骤7)设定大桥避撞危险局域半径为D，若r₁≤D或r₂≤D，则发出警报信息。

3.根据权利要求2所述的基于双随机基阵被动定位的大桥防撞方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：

步骤401)对步骤3)输出的数据进行时域数据分段，分为K个数据段，每段数据的采样点数为J；对每段数据进行J点的FFT变化处理，取K个数据段中相同频率柜的数据组成频域快拍数据，则宽带信号模型可以用频域表示为：

X(f_j)＝A(f_j)S(f_j)+N(f_j)j＝1,2,…,J

式中，A(f_j)是M×N的导向矢量矩阵，S(f_j)为接收信号复包络，N(f_j)为无用信号噪声，M为阵元个数，N为信号源个数，船舶辐射噪声频段共分为J个频率柜，f_j为第j个频率柜；

步骤402)根据最大似然估计定理，估计出每个频率柜上的采样数据协方差矩阵：

R(f_j)＝X(f_j)X^H(f_j)/K

步骤403)对协方差矩阵进行信号到达角度估计处理，估计得到每个频率柜所对应的角度功率谱：

$P_j\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{a^H\left(\mathrm{\θ}\right)R^{-1}\left(f_j\right)a\left(\mathrm{\θ}\right)},j=1,2,...,J$

其中，a(θ)为来波方向为θ时，随机换能器基阵所对应的导向矢量；

步骤404)对所有频率柜的角度功率谱进行累加求和，得出宽带船舶辐射噪声的总功率谱为：

$P\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{J}\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{P}_j\left(\mathrm{\θ}\right)$

步骤405)估计两个随机换能器基阵与船舶之间的角度；

船舶辐射噪声角度功率谱的尖峰对应着船舶相对于第一个随机换能器基阵的角度：

${\mathrm{\θ}}_1=\underset{\mathrm{\θ}}{max}P\left(\mathrm{\θ}\right)$

通过上述步骤求解出船舶相对于第二个随机换能器基阵的角度θ₂。