CN106546947A - 一种联合波导不变量和线谱的单水听器被动定位方法 - Google Patents

一种联合波导不变量和线谱的单水听器被动定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种联合波导不变量和线谱的单水听器被动定位方法，该方法主要包括以下步骤：利用目标辐射的连续谱和线谱来联合估计声源距离，先用连续谱通过干涉双曲线亮纹来估计声源的耦合参数，再通过线谱估计目标相对速度，再用多个时间的相对速度信息拟合出声源的真实速度；最后将运动耦合参数和运动速度结合，在联合目标运动模型来估计声源在不同时刻的距离。本发明的有益效果为：本发明在匀速直线运动模型下能准确的估计出声源在不同时刻的距离，与现有的双阵元利用阵元之间的几何关系和矢量水听器估计航向角相比，此方法只适用一个水听器，并且不需要估计目标航向角，因此更加简洁。

Description

一种联合波导不变量和线谱的单水听器被动定位方法
技术领域
本发明属于水声技术及声纳信号处理领域，尤其涉及一种联合波导不变量和线谱的单水听器被动定位方法。
背景技术
水声技术近些年来发展迅速，但也伴随着新的问题和挑战。随着安静型潜艇的出现，潜艇在高频段辐射噪声越来越低，这给潜艇探测带来了很大的困难。但是安静型潜艇在甚低频是不安静的，其辐射噪声较大，因此可以从低频信号检测入手来探测安静型潜艇。常见的被动测距方法有三阵元测距和匹配场测距，这些方法需要多个阵元并且需要海洋环境信息，对于单水听器测距并不适用。海洋波导的重要特点是在低频声场存在稳定可观察的干涉结构，频率越低，相干性越强，且干涉结构越简单。由于存在此现象，运动目标经过接收水听器会产生干涉条纹，此干涉条纹不受接收阵型影响并且其中包含着目标的运动信息。因此，可以通过干涉结构来估计目标的距离。
莫斯科大学的S.D.Chuprov提出了描述海洋波导中声场空—频干涉条纹的波导不变量的概念，其物理意义在于指出了由某组阶数靠近的简正波模态形成的距离频率域的干涉条纹斜率为与频率无关的某个标量值。A.M.Thod将波导不变量应用于匹配场定位中，他将匹配场处理器模糊度表面上的旁瓣结构类比与声场距离频率平面上的相长区域，利用波导不变量理论分析了不同环境中，旁瓣轨迹的收敛区域在界面反射模态起主要作用的波导中，轨迹在频率为0Hz处收敛于正确的源位置，而在折射模态起主要作用的波导中，旁瓣轨迹在频率趋近于无穷时收敛于源位置。但是此类方法需要海洋环境的精确信息，限制了其应用。在国内，余赟等提出通过分析两个接收水听器收到的干涉条纹，在结合目标的航向角信息来估计声源的距离，此方法需要多个水听器，还需要矢量水听器来估计航向角，较为繁琐。
Rakotonarivo和Kuperman从声源辐射线谱出发，考虑了不同时间和时间间隔线谱的干涉，指出其中蕴含着声源的速度信息，并通过傅里叶变换可以将此信息提取出来，该方法分析了两种声源的运动情况，都能估计出结果。但是其在估计过程中简化了运动模型，造成了结果的不准确。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种联合波导不变量和线谱的单水听器被动定位方法，结合声源辐射的连续谱和线谱，提出了一种不依赖于阵元个数，也不依赖于海洋环境先验信息的被动测距方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种联合波导不变量和线谱的单水听器被动定位方法，该方法主要包括以下步骤：利用目标辐射的连续谱和线谱来联合估计声源距离，先用连续谱通过干涉双曲线亮纹来估计声源的耦合参数，再通过线谱估计目标相对速度，再用多个时间的相对速度信息拟合出声源的真实速度；最后将运动耦合参数和运动速度结合，再联合目标运动模型来估计声源在不同时刻的距离。
原理：对接收信号时频分析，可以看到LOFAR图上的干涉条纹，通过图像处理的方法可以估计出声源临近距离跟速度的耦合参数，此参数不能直接用来估计声源在不同时刻的距离。本发明将速度估计与耦合参数结合来分析。声源辐射的线谱中蕴含着相对速度的信息，通过分析辐射线谱的互相关可将相对速度信息求出，再根据相对速度拟合求出声源的真实速度，将两者结果相结合，就能估计出声源在不同时间的距离。
本发明的有益效果为：本发明在匀速直线运动模型下能准确的估计出声源在不同时刻的距离，与现有的双阵元利用阵元之间的几何关系和矢量水听器估计航向角相比，此方法只适用一个水听器，并且不需要估计目标航向角，因此更加简洁；与简化运动模型的方法相比，本发明提出的方法更加符合实际情况，最后得到的结果误差也比其小。
附图说明
图1：本发明计算流程图；
图2：目标运动示意图；
图3：运动目标干涉图；
图4：Hough变换的参数空间；
图5：49Hz互相关场的干涉模式图；
图6：声源相对速度估计；
图7：声源距离估计结果；
图8：SWellEX-96海试数据干涉条纹；
图9：SWellEX-96数据相对速度估计结果；
图10：本发明SWellEX-96数据估计结果；
图11：简化运动模型估计结果。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍：
本发明所述的这种联合波导不变量和线谱的单水听器被动定位方法，利用目标辐射的连续谱和线谱来联合估计声源距离，先用连续谱通过干涉双曲线亮纹来估计声源的耦合参数，再通过线谱估计目标相对速度，再用多个时间的相对速度信息拟合出声源的真实速度。最后将运动耦合参数和运动速度结合，再联合目标运动模型来估计声源在不同时刻的距离。
(1)干涉条纹分析
下面先给出目标的具体运动形式，假定声源的运动形式为匀速直线运动。航迹几何关系如图2所示，设传感器的声学中心位于坐标原点。目标匀速运动的线速度为v，最近通过距离为r0，最近通过时刻为t0，θ为目标方位角，为航向角(规定与x轴正向的夹角)。则由几何关系可知目标运动轨迹方程为
由上式可得
因为干涉条纹的斜率为将上式带入到波导不变量的定义式中得
两边积分，整理得
上式即为LOFAR图上干涉条纹的轨迹方程。当β≈1时上式可简化为一个标准的双曲线方程为
可见运动目标在接收处激发的干涉亮纹是一簇类双曲线，这簇双曲线中蕴含着声源的运动参数信息，通过图像处理的方法可以将此参数提取出来。
下面用kraken模型进行仿真分析，运动模型与图2相同，声源做匀速直线运动，其速度为2.5m/s，最近通过距为1250m，最近通过时刻为1728s。仿真环境是一个等声速波导，水深为100m，声源和接收深度分别为80与40m。后面提到的仿真与此环境均相同，在接收机得到的时频干涉结果如图3所示。由于浅海波导，波导不变量近似为1，从图3中的干涉条纹近似为一簇双曲线。
(2)耦合参数估计
接收声场干涉条纹的LOFAR图中由多条双曲线亮纹组成，这些亮纹蕴含着目标的运动参数，本发明利用Hough变换的方法来提出干涉条纹信息。
Hough变换提取曲线参数的基本思想是利用了点与曲线的对偶性，实质是将图像空间内具有一定关系的像元进行聚类，寻找能把这些像元用某一解析形式联系起来的参数空间累积对应点。考虑双参数的情况，若将图像空间中位于同一曲线上点的集合表示为：
f((a0,b0),(x,y))＝0 (6)
其中(x,y)表示曲线上点在图像空间中的坐标，而(a0,b0)为决定曲线的参数。则图像空间中曲线上任意点(x0,y0)映射到参数空间上的某一曲线g((x0,y0),(a,b))＝0，而图像空间中该曲线上的所有点映射到参数空间上交于(a0,b0)点的一族曲线。参数空间中每一点(a,b)处的强度，是所有图像空间中参数为(a,b)的点的强度累加和。因此，通过寻找参数空间中强度最大值的坐标，即可估计确定曲线的参数值。
直接用Hough变换分析上面介绍的干涉条纹结果，即图3，得到参数空间的结果如图4所示。从图4可以看到极大值点出现的位置在β＝1，r0/v＝522.5处。从上面的环境介绍可知双曲线参数的真实值为r0/v＝1250/2.5＝500。估计结果与真实值吻合，由此可以看出通过Hough变换可以准确的估计出目标的运动参数。
(3)声源速度分析
目标在运动过程中，同一位置接收水听器在不同时间接收声强的之差包含着声源的距离信息，而距离和时间之比就是速度，从而可以求出声源相对于接收的相对速度，再用相对速度来确定声源真实速度。下面进行具体分析，
当声源位置和接收位置之间的距离远大于声源辐射信号的波长时，复声压场是可以通过简正波模型用一个以距离r，深度z，频率w为参数的函数表示，即
其中zs是声源深度，krm是第m阶模的水平波束，Ψm(z)是m阶模的模函数，它取决于频率w。由此式可得，简正波模型下接收机在距离声源r和r+Δr处接收到的声压差分为
其中c为声源深度，m是频率w激发的第m号模，krm是m号模对应的水平波束。声强为声压幅度的平方，此差分的强度可表示为
其中kmn＝krm-krn。因为cos(kmnΔr/2)的振荡周期比cos((krm+krn)Δr/2)大很多，所以cos((krm+krn)Δr/2)在声强差分IΔ中占主要地位。即
其中是各个模的平均水平波数。由关系式Δr(t)＝vs(t)Δt，vs(t)就是声源在t时刻的相对速度，由此式可推得
上式在时取得最大值。因为是平均波数，可近似为其中是在f下的平均相速度。从上式中可以看出如果把Δt看做是采样，那么只要Δt的采样间隔满足采样定理，那么IΔ做傅里叶变换后得到的频域值就包含着声源的相对速度信息。而是平均波数，可以近似求出，这样就能通过IΔ傅里叶变换的结果求出声源的相对速度。IΔ的峰值位置间隔可由以下过程推到得出
接下来进行仿真分析，声源与接收机所在的波导环境和运动模型与干涉条纹分析时设定的环境相同，本成果中处理的线谱频率为94Hz，分析此线谱不同时间的声压互相关的结果如图5所示，图6是用傅里叶变换估计相对速度的结果。图5中蕴含着声源的相对速度信息，图6中相对速度的结果显示当声源先靠近再远离接收机时，声源相对速度由大减小在变大，这个与理论值吻合，当声源距离接接收机较远时，其相对速度等于真实速度，所以图6中的声速的估计结果为2.5m/s，而真实的速度就是2.5m/s。这表明此方法能有效地估计出了声源的真实速度。
(4)声源距离估计
前面两部分分别通过干涉条纹估计出了耦合参数r0/v和通过线谱估计出了声源速度，本成果将速度值代入耦合参数r0/v中，从而可以求出声源距离接收最近的距离r0，有了r0和v，再代入运动模型中就可以求出声源在不同时间的距离。
仿真估计的结果如图7所示，从图中可以看出估计结果与真实结果误差很小。
图8-图11是用SWellEX-96海试数据分析得到的结果。SWellEX-96实验过程中声源船辐射大量线谱，声源船近似做匀速直线运动。图8为观测的干涉条纹，由于声源船在49-400Hz辐射大量线谱，因此时频图上在此段观察不到干涉亮纹，图8的亮纹就是400Hz以后得到的，其中同样蕴含这声源速度信息，用前面分析的方法可以分析得到。图9是用前面介绍的方法估计相对速度的结果，从中可以看出虽然还是结果没有仿真结果清晰，但是仍可以用来估计相对速度的趋势。图10为不是时刻声源速度的估计结果，带+的线为GPS测得的真实距离，实线为本发明估计的结果，从中可以看出估计结果误差较小。图11中的实现为现有方法的估计结果，带+的线为GPS测得的真实距离，对比图10可看出此方法误差较大，本发明的方法减小了估计误差。验证了其实用性。
本发明提出的被动定位的方法，只使用单个水听器，并且估计过程中没有使用海洋环境信息，主要利用目标辐射的低频干涉条纹和线谱来进行分析，适用于探测安静型潜艇。本发明第一步通过时频分析，得到目标辐射的干涉条纹图，对于匀速直线目标，其干涉条纹近似为一簇双曲线，其中蕴含着目标运动参数信息；第二步是通过图像处理的方法提取出耦合参数；第三步是用目标辐射线谱估计出声源的相对速度，再用相对速度耦合出真实速度。第四步是将前面的结果与匀速直线运动模型相结合，估计出声源在不同时间的距离。仿真和海试数据都验证了本发明的可行。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种联合波导不变量和线谱的单水听器被动定位方法，其特征在于：该方法主要包括以下步骤：利用目标辐射的连续谱和线谱来联合估计声源距离，先用连续谱通过干涉双曲线亮纹来估计声源的耦合参数，再通过线谱估计目标相对速度，再用多个时间的相对速度信息拟合出声源的真实速度；最后将运动耦合参数和运动速度结合，再联合目标运动模型来估计声源在不同时刻的距离。
2.根据权利要求1所述的联合波导不变量和线谱的单水听器被动定位方法，其特征在于：耦合参数估计中：接收声场干涉条纹的LOFAR图中由多条双曲线亮纹组成，这些亮纹蕴含着目标的运动参数，通过Hough变换的方法来提出干涉条纹信息；
将图像空间中位于同一曲线上点的集合表示为：f((a0,b0),(x,y))＝0；其中(x,y)表示曲线上点在图像空间中的坐标，而(a0,b0)为决定曲线的参数；图像空间中曲线上任意点(x0,y0)映射到参数空间上的某一曲线g((x0,y0),(a,b))＝0，而图像空间中该曲线上的所有点映射到参数空间上交于(a0,b0)点的一族曲线；参数空间中每一点(a,b)处的强度，是所有图像空间中参数为(a,b)的点的强度累加和；通过寻找参数空间中强度最大值的坐标，即可估计确定曲线的参数值。
3.根据权利要求1所述的联合波导不变量和线谱的单水听器被动定位方法，其特征在于：声源速度分析：目标在运动过程中，同一位置接收水听器在不同时间接收声强的之差包含着声源的距离信息，而距离和时间之比就是速度，从而可以求出声源相对于接收的相对速度，再用相对速度来确定声源真实速度。
4.根据权利要求1所述的联合波导不变量和线谱的单水听器被动定位方法，其特征在于：声源距离估计：通过干涉条纹估计出了耦合参数r0/v和通过线谱估计出了声源速度，将速度值代入耦合参数r0/v中，从而求出声源距离接收最近的距离r0，再代入运动模型τ＝t-t0中就可以求出声源在不同时间的距离。
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