CN109100680B - 一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水面舰船定位技术领域，具体涉及一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法。本发明通过构建“相切双弧线”传感器阵列和传感器之间的位置关系，将舰船目标的地震波信息转化到对应的地震场信息中，利用构造的噪声环境下Scholte波特征方程和噪声环境Scholte波模型为依据，对Scholte地震波信号进行处理，得到经处理的Scholte波后，利用改进的TDOA定位方法对舰船目标进行定位，得到最优解

，从而获得舰船目标的三维位置信息。本发明所提出的船舰目标的追踪定位方法可实现实时对舰船目标进行追踪定位，该方法定位精度更高，抗干扰能力强，具有灵活的方位估计能力，较强的空间分辨能力。

Description

一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法

技术领域

本发明属于水面舰船定位技术领域，具体涉及一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法。

背景技术

水声定位一直以来都被视作为水面舰船定位的最有效的方法，但是近些年来随着科技的发展，水面舰船噪声的大大降低，隐身性能的提高，利用水声定位技术面临巨大的挑战，相比之下利用水面舰船在水面行驶过程中所激发的水下地震波定位具有很大的优势，舰船的低频噪声会在水下固—液分界介质表面激发水下地震波，利用激发的地震波中的一种沿分界介质表面传播的波—Scholte波，Scholte波能量主要集中在固—液分界面上，是一种存在于水下固—液分界面上的一种波，波前是柱面沿着固液分界表面传播。在垂直于分界面上振幅呈指数衰减，该波占舰船所激发地震波能量的大部分，且频率低，传播速度慢等优点，能量主要集中于分界介质表面，在分界介质表面传播的振幅衰减较小，传播距离远。

由舰船所激发的海底地震波可以作为远场定位的一种波，舰船地震波在远场定位，海洋资源勘探，目标识别获取，海洋安全等有重大的研究意义。相对于单一传感器而言，阵列定位精度更高，具有灵活的方位估计能力，较强的空间分辨能力，抗干扰能力强等优点。阵列信号在水下目标探测，干扰信号的检测和相关参数的估计有重大作用。因此研究阵列探测用重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法，这种方法定位精度更高，抗干扰能力强，具有灵活的方位估计能力，较强的空间分辨能力。

一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法，包括如下步骤：

1、构建二元阵列的灵敏方程，计算二元阵列的灵敏度；

2、根据计算结果在水下用九台传感器构建相切双弧线型地声传感器阵列；

3、构建Scholte波特征方程和噪声环境Scholte波模型；

4、以构造的噪声环境下Scholte波特征方程和噪声环境Scholte波模型为依据，对Scholte地震波信号进行处理；

5、得到经处理的Scholte波后，利用改进的TDOA定位方法对舰船目标进行定位，得到最优解

所述的步骤1中计算灵敏度具体包括以下步骤：

1、构建灵敏度方程

R_i0＝R_i-R₀，x^*＝R₀cos(α-A)＝R₀cos(B-β),y^*＝R₀sin(α-A)＝R₀sin(B-β)

其中X表示震源位置，x^*为R₀在d_i方向上的投影距离，y^*为R₀在d_i垂直方向上的投影距离；

2、定义R_i0对x^*、y^*灵敏度：

3、根据公式计算灵敏度，发现∠XS₀S_i＝α-A＝B-β越大，灵敏度越高，但是考虑南北方向的灵敏度，所以将对应的阵列对应的弧线角设计为120°。

所述的步骤2中，传感器的放置要依据实际的海洋环境，但是传感器在水底必须与水底土壤完全接触，且水平放置。

所述的步骤2中Scholte波特征方程表示为：

噪声环境Scholte波模型为：

X(t)＝AS(t)+N(t) (4)

所述的步骤4中对Scholte地震波信号进行处理包括用最小二乘法对阵列信号处理和归一化处理小波降噪。

所述的步骤5中改进的TDOA定位方法包括以下步骤：

1、选择一个基阵元，建立其他阵元与基阵元之间的双曲线方程；

2、根据方程，计算X(x,y)源点到基阵元与其他阵元的时间延迟Δt_0i；

3、根据时间延迟Δt_0i计算出阵元到两个震源的距离差，R_0i＝VΔt_0i，得到如下方程，其中V是scholte波波速，X表示震源位置。

3、根据方程得出一系列模糊解解X＝[X₁,X₂,X₃,···X_N]，利用这一系列的模糊解得到模糊坐标，构造一个评价函数F(X)＝ε^Tf(X)，ε^T是这个模糊解对应方程个数向量，f(X)表示这些模糊解的概率向量，根据评价函数F(X)，利用MATLAB进行拟合，最终得出评价函数F(X)最大的那个坐标，即是最优解

本发明的有益效果在于：

本发明通过构建相切双弧线传感器阵列和传感器之间的位置关系，将舰船目标的地震波信息转化到对应的地震场信息中，利用算法获得舰船目标的三维位置信息。本发明所提出的船舰目标的追踪定位方法可实现实时对舰船目标进行追踪定位，通过对TDOA方法的改进实现船舰目标定位和追踪，该方法定位精度更高，抗干扰能力强，具有灵活的方位估计能力，较强的空间分辨能力。

附图说明

图1为相切双弧线型九元地声传感器阵列示意图；

图2为二元阵列图；

图3为信号处理流程图；

图4为TDOA定位方法示意图；

图5为TDOA方法改进流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如附图1所示，为“相切双弧线”型九元地声传感器阵列示意图。各阵元的坐标分别为s₀(0,0)，s₁(x₁,y₁)，s₂(x₂,y₂)，s₃(x₃,y₃)，s₄(x₄,y₄)，s₅(x₅,y₅)，s₆(x₆,y₆)，s₇(x₇,y₇)，s₈(x₈,y₈)，s₉(x₉,y₉)。其中传感器s₀位于原点，s₁(x₁,y₁)，s₂(x₂,y₂)，s₃(x₃,y₃)，s₄(x₄,_y4)，等间距的布置在上半轴的弧线上，圆心为A，对应的半径为R_A,弧线对应的角∠S₁AS₄＝120°。s₅(x₅,y₅)，s₆(x₆,y₆)，s₇(x₇,y₇)，s₈(x₈,y₈)，s₉(x₉,y₉)等间距分布在下半轴的弧线上，对应的圆心为B，半径为R_B弧线对应的角∠S₅BS₈＝120°，且R_A＝R_B。E表示正东方向，W、S、N表示正

西正南正北方向。A、B表示d_i与S、E之间的夹角，α、β表示R₀与S、E之间的夹角。

计算二元阵列灵敏度，建立的二元阵列图如附图2所示，计算灵敏度如下

R_i0＝R_i-R₀，x^*＝R₀cos(α-A)＝R₀cos(B-β),y^*＝R₀sin(α-A)＝R₀sin(B-β)

其中X表示震源位置，x^*为R₀在d_i方向上的投影距离，y^*为R₀在d_i垂直方向上的投影距离，定义R_i0对x^*、y^*灵敏度：

通过灵敏度的公式发现只有当∠XS₀S_i＝α-A＝B-β越大灵敏度越高，但是考虑南北方向的灵敏度，所以将对应的阵列对应的弧线角设计为120°。

确定阵列半径的原则如下：

首先在各种客观条件允许的情况下，目标位于传感器阵列内部时，即对应的阵列的弧线半径越大，阵列的定位精度越高。

但是阵列弧线半径应该考虑传感器的有效测量范围。和实际的海洋环境和地质条件。

利用舰船低频噪声所激发的位于固—液分界介质表面的scholte波，scholte波是一种存在于固体—流体分界面上的一种面波，其波前为柱面，能量占船舰所激发的地震波的70％，沿着垂直于分界介质表面振幅呈指数衰减。频率低,无低频截止频率，沿分界介质表面传播时振幅几乎不变，相较于其他地震波传播距离远，传播速度低，最大波速为1400m/s，其特征方程。

可以知道scholte波的质点运动轨迹是椭圆，u_x、u_z分别是传播方向上的振幅，和垂直于分界面上的振幅。在传播方向和垂直于分界面方向的半长轴分别是f(x)、f(z)。

对地震波信号进行处理通过阵列所接收到信号并不是理想的需要进一步对阵列信号进行处理，阵列信号所探测到的信号可以用下式表示。

X(t)＝AS(t)+N(t) (4)

其中X(t)＝[x₁(t),x₂(t),x₃(t),x₄(t),···,x_M(t)]^T，

t时刻第m个阵元的输出信号

d_m为第m个阵元的位置。

A＝[a(θ₁),a(θ₂),···,a(θ_K)]示阵列流形矩阵，

S(t)＝[s₁(t),s₂(t),···,s_K(t),]^T其中s_k(t)表示阵列接收到的第k个源信号。

N(t)＝[n₁(t),n₂(t),···,n_M(t),]^T其中n_m表示加性观测噪声。

对阵列信号先用MGS算法的最小二乘法估计。然后进行进行归一化处理，对信号进行小波变换处理，首先经处理之后的信号进行小波分解同时确定阈值，阈值采用Heursure规则的试探Stein法无偏风险阈值。当得到的系数小于阈值系数置零，大于则保存原来值，经小波反变换后重构经阈值处理后系数恢复原始信号，得到有效信号。关于信号处理流程图如附图3所示。

利用传感器阵列通过TDOA方法对舰船目标的平面定位。具体方法如下；选择一个基阵元，利用其他阵元与基阵元之间建立双曲线方程，X(x,y)源点到基阵元与其他阵元的时间延迟Δt_0i，算出阵元到两个震源的距离差，R_0i＝VΔt_0i，V是scholte波波速。

从上式可以看出焦点分别是(x₀,y₀)，(x₁,y₁)以R₀₁/2为实半轴的双曲线和(x₀,y₀)，(x₁,y₁)以R₀₁/2为实半轴的双曲线。通过这样的至少三个地阵计就可以定位震源。本发明采用九元地阵计构成的阵列。采用S₀为基阵元，如附图4所示。X表示震源位置，A、B表示弧线对应的圆心，为了定位更加精确通常要分分别选用每一个阵元为基阵元，与其他阵元构成方程。

但是在实际工作中由于噪声原因，往往不能够得到唯一解，造成定位精度不够。我们需要对TDOA算法改进，一是我们要布置阵元的位置和增加阵元的数目来限制解的个数，二是我们需要对TDOA算法改进，从而达到精确定位的目的。对TDOA算法改进如附图5，通过传统的TDOA方法我们可以得出一系列模糊解解X＝[X₁,X₂,X₃,···X_N]，这些模糊解是其中几个方程的解，但并不是所有方程的解。利用概率统计的方法对这些模糊解做进一步运算，当我们得到这些模糊解坐标，利用这一系列的模糊得坐标，构造一个评价函数F(X)＝ε^Tf(X)，ε^T是这个模糊解对应方程个数向量，f(X)表示这些模糊解的概率向量，利用评价函数F(X)，利用MATLAB进行拟合，最终得出评价函数F(X)最大的那个坐标，即是最优解

Claims (5)

1.一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、构建二元阵列的灵敏度 方程，计算二元阵列的灵敏度；

步骤2、根据计算结果在水下用九台传感器构建相切双弧线型地声传感器阵列；

步骤3、构建Scholte波特征方程和噪声环境Scholte波模型；

步骤4、以构造的噪声环境下Scholte波特征方程和Scholte波模型为依据，对Scholte地震波信号进行处理；

步骤5、得到经处理的Scholte波后，利用改进的TDOA定位方法对舰船目标进行定位，得到最优解

在步骤2中，具体的各阵元的坐标分别为S₀(0,0)，S₁(x₁,y₁)，S₂(x₂,y₂)，S₃(x₃,y₃)，S₄(x₄,y₄)，S₅(x₅,y₅)，S₆(x₆,y₆)，S₇(x₇,y₇)，S₈(x₈,y₈)，S₉(x₉,y₉)，其中传感器S₀位于原点，S₁(x₁,y₁)，S₂(x₂,y₂)，S₃(x₃,y₃)，S₄(x₄,y₄)，等间距的布置在上半轴的弧线上，圆心为A，对应的半径为R_A,弧线对应的角∠S₁AS₄＝120°，S₅(x₅,y₅)，S₆(x₆,y₆)，S₇(x₇,y₇)，S₈(x₈,y₈)，S₉(x₉,y₉)等间距分布在下半轴的弧线上，对应的圆心为B，半径为R_B弧线对应的角∠S₅BS₈＝120°，且R_A＝R_B，E表示正东方向，W、S、N表示正西正南正北方向；

在步骤3中，具体的，利用舰船低频噪声所激发的位于固—液分界介质表面的scholte波，其特征方程：

scholte波的质点运动轨迹是椭圆，u_x、u_z分别是传播方向上的振幅和垂直于分界面上的振幅，在传播方向和垂直于分界面方向的半长轴分别是f(x)、f(z)，

对地震波信号进行处理通过阵列所接收到信号并不是理想的，需要进一步对阵列信号进行处理，阵列信号所探测到的信号用下式表示，

X(t)＝AS(t)+N(t)

其中

t时刻第m个阵元的输出信号

d_m为第m个阵元的位置，

A＝[a(θ₁),a(θ₂),···,a(θ_K)]是阵列流形矩阵，

其中s_K(t)表示阵列接收到的第K个源信号，

其中n_m(t)表示加性观测噪声。

2.根据权利要求1所述的一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法，其特征在于步骤1中所述计算灵敏度具体包括以下步骤：

步骤11、构建二元阵列的灵敏度方程：

其中X表示震源位置，x^*为R₀在d_i方向上的投影距离，y^*为R₀在d_i垂直方向上的投影距离；

步骤12、定义R_i0对x^*、y^*灵敏度：

步骤13、根据公式计算灵敏度，发现∠XS₀S_i＝α-A＝B-β越大，灵敏度越高，考虑南北方向的灵敏度，将阵列对应的弧线角设计为120°。

3.根据权利要求1所述的一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法，其特征在于：步骤2中所述传感器的放置要依据实际的海洋环境，但是传感器在水底必须与水底土壤完全接触，且水平放置。

4.根据权利要求1所述的一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法，其特征在于：步骤4中所述对Scholte地震波信号进行处理包括用最小二乘法对阵列信号处理和归一化处理小波降噪。

5.根据权利要求1所述的一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法，其特征在于：步骤5中所述改进的TDOA定位方法具体包括以下步骤：

步骤51、选择一个基阵元，建立其他阵元与基阵元之间的双曲线方程；

步骤52、根据方程，计算X(x,y)源点到基阵元与其他阵元的时间延迟Δt_0i；

步骤53、根据时间延迟Δt_0i计算出阵元到两个震源的距离差，R_0i＝VΔt_0i，得到如下方程，其中V是scholte波波速，X表示震源位置，

步骤54、根据方程得出一系列模糊解X＝[X₁,X₂,X₃,···X_N]，利用这一系列的模糊解得到模糊坐标，构造一个评价函数

是这个模糊解对应方程个数向量，f(X)表示这些模糊解的概率向量，根据评价函数F(X)，利用MATLAB进行拟合，最终得出评价函数F(X)最大的那个坐标，即是最优解

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