CN110824428A - 一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声线匹配的被动定位方法领域，尤其涉及一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法领域。一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法，所述方法包括如下步骤：利用水听器阵列接收数据组成接收阵列数据矩阵；确定角度阈值为‑15度～15度并据此设计空域滤波器；依据步骤2中设计的空域矩阵滤波器对接收信号进行滤波；利用正交匹配追踪OMP算法提取信道冲激响应；针对空间中的每一个点，计算声信道到达接收水听器的理论模型传播时间；计算代价函数；寻找峰值即为目标位置。本发明的有益效果在于：提高匹配场定位方法的鲁棒性，采用空域矩阵滤波技术滤除大入射角的声线，在保留较强声线信息的同时抑制了部分噪声，提高信噪比。

Description

一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于声线匹配的被动定位方法领域，尤其涉及一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法领域。

背景技术

一、高斯射线束方法

声场建模与拷贝声场计算是匹配场声源定位研究的重要内容之一。匹配场处理中，前向声场的数据就是在假定的模型参数下，运用相应的声场计算理论获得。声场模型的精确性以及拷贝声场的计算精度和速度决定了匹配场声源定位的精度与速度。根据不同的声场模型选择不同的声场计算理论是提高声场计算精度和计算速度的重要方法之一。目前所发展的声场数值预报方法主要有：简正波算法、射线算法、波数计分方法等。在海洋声传播的研究中，在高频声波、近距离情况下，射线声学是主要的研究方法。

在射线声学方法中，高斯波束跟踪方法对于高频水平变化问题特别有吸引力，它很好地解决了射线理论有关声影区和会聚区计算不准确的问题，所提供的结果与全波动模型的结果更为一致。高斯射线束方法是在传统射线理论的基础上，认为声场能量不是相邻两射线之间(即射线管内)平均分配，而是以每条射线为中心，能量在统计上按高斯统计分布变化。

高斯射线束的中心射线遵守标准射线方程。选用柱面坐标系(r,z)，r是水平距离，z是深度。射线方程可以写为

其中r＝r(s)，射线坐标[r(s),z(s)]是弧长s的函数，c(r,z)为声速。

高斯射线束沿中心射线的能量分布(即声束幅值)，可以通过如下的射线动力方程(也叫做p-q方程)来求解，这里只给出最后的表达式

式中，c_nn是声速在射线路径法线方向上的导数。直接给出整个高斯射线束方法所得到的声场表达式为

该方法与实验吻合较好，并且存在成熟的计算软件Bellhop，故可以采用Bellhop软件方便地求得该方法的数值结果。

二、矢量声场匹配场处理器

在矢量声场里，可以用声压、质点振速等多个物理量进行声场的描述，利用声压、质点振速，再结合已有声压匹阵配场处理器可以构造适用于矢量声场的匹配场处理器，这里简称为矢量声场匹配场处理器。

水平声能流和垂直声能流可以表示为

其中，p为声压，v_r为水平质点振速，v_z为垂直质点振速。据此可以构造适用于矢量声场的最优权矢量和最小功率输出，分别为

其中，

分别为声压，水平质点振速、垂直质点振速的实测数据协方差矩阵，通过多次快拍累计或是对角加载方法就能使协方差矩阵达到满秩。

三、稀疏信道估计

在水声信道中，一般主要考虑海面反射、海底反射、海面海底反射和直达路径四种路径，如图2所示。水声信道的特点是时延扩展大、路径较少，这是典型的稀疏信道的特征。本发明中将水声信道近似地视为稀疏信道，并采用稀疏信号处理技术对信道进行估计。

匹配追踪(Matching Pursuit，MP)算法、正交匹配追踪算法(OrthogonalMatching Pursuit，OMP)以及基追踪(Basis Pursuit，BP)方法常被用于进行稀疏信道估计，并取得了较好的估计效果。本发明中采用正交匹配追踪算法对水下信道进行估计，提取时延信息，用于水下目标的定位。

正交匹配追踪算法的实施流程为：

步骤1：参数初始化。信号估计

当前观测信号余量r⁰＝y，候选子集Γ⁰＝Φ，迭代次数n＝1。

步骤2：原子索引选择。在观测矩阵中选择与当前信号余量r^n-1最匹配的原子索引。

Iⁿ＝argmax_i＝1,...,N<r^n-1,Φ_i> (8)

其中<r^n-1,Φ_i>代表r^n-1和Φ_i的内积。

步骤3：候选子集更新。Γⁿ＝Γ^n-1∪Iⁿ。

步骤4：信号估计

和观测余量rⁿ更新。

其中

是Γⁿ的Moore-Penrose伪逆。

步骤5：迭代。重复步骤2到步骤4直到满足收敛条件。

正交匹配追踪算法(OMP)是MP算法的改进版本。该算法的原子选择准则和参数设置都与匹配追踪算法相同。改进之处在于该算法假设原信号的稀疏度K为1，此非零元素x_a在信号中的位置为a，即

y＝Ψ_ix_a (10)

即Ψ_i与y的相似度最高。根据最小二乘法，只需要计算

即可得到使

||y-Ψ_ax_a||² (12)

最小的x_q，此时

Ψ中第Ψ_i列将被置零并得到Ψ′。

对于K＞1，继续对Ψ′_n和y-rⁿ进行最小二乘遍历找新的Ψ_i并更新Γⁿ，直到得出所有K个重要分量。此算法的迭代次数很少。当

即可停止迭代。

四、矢量阵空域滤波技术

对于一个由N个阵元组成的已知任意几何形状基阵，假设有D个远场窄带(中心频率f)平面波信号源从D个方向Θ＝[θ₁,…,θ_d,…,θ_D]入射到该基阵，则第n个接收到的数据时间序列为：

式中，s_d(t)为在空间参考点测量的第d个信号源的复信号波形，τ_n(θ_d)为第d个源信号传播到第n个阵元相对于参考点的传播时延，υ_n(t)是第n个阵元接收的背景复噪声。假设各信号源之间以及信号源与噪声之间互不相关，且各阵元接收的背景噪声互不相关。

将接收数据写成矩阵的形式，得到基阵快拍数据：

x(t)＝A(Θ)s(t)+υ(t) (16)

式中，x(t)＝[x₁(t),…,x_N(t)]^T，s(t)＝[s₁(t),…,s_D(t)]^T，υ(t)＝[υ₁(t),…,υ_N(t)]^T，这里(·)^T表示转置。A(Θ)＝[a(θ₁),…,a(θ_D)]是N×D维阵列流型矩阵，其中

是N×1维方向向量。

采用一个N×N矩阵滤波器G对阵列数据进行滤波(矩阵相乘)滤波器输出表示为：

y(t)＝G^Hx(t)＝G^HA(Θ)s(t)+G^Hυ(t)＝C(Θ)s(t)+υ_C(t) (17)

式中，C(Θ)＝G^HA(Θ)和υ_C(t)＝G^Hυ(t)分别是空域滤波后的阵列流型矩阵和噪声矩阵，(·)^H表示共轭转置，而让感兴趣方位扇面的信号无失真通过。即该矩阵为空域滤波器。该空域滤波器可以使用基于优化的方法求得，如阻带约束通带最小均方准则的矩阵空域滤波器优化问题可以表述为：

式中，δ为指定的阻带扇面内噪声衰减率，||·||表示矩阵的2-范数，约束||G^H||≤σ是为了限制噪声通过该空域滤波器后的功率。

下面将声压阵数据模型扩展到二维声矢量阵，令

u(θ_i)＝[1,cos(θ_i),sin(θ_i)]^T (19)

表示单矢量水听器对θ_i方向信号的单位响应，则二维声矢量阵的输出可以表示为

x′＝[x_p；x_vx；x_vy]＝A′(Θ_K)s+n′ (20)

式中，x_p，x_vx和x_vy分别为声压通道和两振速通道的输出；A′(Θ_K)＝[a′(θ₁),…,a′(θ_K)]表示3M×K维声矢量阵导向矢量，

为3M×1维噪声向量。可以看到，式(20)描述的二维矢量阵的数据模型与式(16)的声压阵数据模型，仅仅导向矢量维度存在不同。故可以利用声压阵的空与矩阵滤波技术，按照式(20)的方式处理二维声矢量阵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法。

本发明是这样实现的：一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法，所述方法包括如下步骤：

(1)利用水听器阵列接收数据组成接收阵列数据矩阵，其计算方法为：

x(t)＝[x_p(t)；x_vx(t)；x_vy(t)]

其中，x_p(t)表示阵列的声压通道的阵列接收数据，x_vx(t)表示阵列的v_x通道的阵列接收数据，x_vy(t)表示阵列的v_y通道的阵列接收数据；

(2)确定角度阈值为-15度～15度并据此设计空域滤波器；

(3)依据步骤2中设计的空域矩阵滤波器G对接收信号进行滤波，滤除入射角过大的声线，方法为y(t)＝G^Hx(t)，(·)^H表示共轭转置；

(4)利用正交匹配追踪OMP算法从y(t)中提取信道冲激响应，得到T′_i，其中i＝2,…,N，T′_i表示声信号到达第i号水听器阵元的实际观测传播时间；

(5)针对空间中的每一个点，坐标为(r,z)，计算T_i(r,z)，其中T_i(r,z)表示声信道到达第i号接收水听器的理论模型传播时间；

(6)计算代价函数

T_ij(r,z)＝T_i(r,z)-T_j(r,z),T′_ij＝T′_i-T′_j

式中，N为接收水听器阵基元数，T_i为声信号到达第i号接收水听器的理论模型传播时间，T′_i为声信号到达第i号接收水听器的实际观测传播时间，T_j为声信号到达第j号接收水听器的理论模型传播时间，T′_j为声信号到达第j号接收水听器的实际观测传播时间，T_ij为理论模型中声信号在相邻基元上的传播时延，T′_ij为理论模型中声信号实际观测的传播时延；

(7)利用公式

寻找峰值，峰值对应的坐标

即为目标位置，

就是用于估计声源位置的能量函数。

所述步骤(2)中，空域滤波器的设计方法为：

s.t.||G^Ha(θ_s)||≤δ,θ_s∈Θ_S

||G^H||≤σ

式中，G为空域矩阵滤波器，δ为指定的阻带扇面内噪声衰减率，通常取值为0.001，||·||表示矩阵的2-范数，σ为噪声通过该空域滤波矩阵后功率的方均值，Θ_S为阻带角度集合，在此范围内的角度将被抑制，Θ_p为通带角度集合，a(θ_s)和a(θ_p)为方向向量。

本发明的有益效果在于：提高匹配场定位方法的鲁棒性，采用空域矩阵滤波技术滤除大入射角的声线，在保留较强声线信息的同时抑制了部分噪声，提高信噪比。

附图说明

图1为本发明的执行流程图；

图2为声线传播示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明涉及一种基于声线匹配的被动定位方法领域，尤其涉及一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法领域。

为了提高匹配场定位技术的鲁棒性，现结合空域矩阵滤波技术，提出基于声沿声线的传播时间匹配场定位方法。下面对声沿声线的传播时间匹配场定位方法进行说明。

所谓特征声线就是从声源出发到达接收点的声线，在同一个接收点会有许多不同时刻、不同路径到达的声波，它们直观地反映了信道的多途特征。之所以选择声沿着声线的传播时间作匹配场反演是因为：利用声传播时间就可忽视声压幅度起伏的影响，从而提高了噪声容限和对环境模型失配的敏感程度；如果对到达的声波包络进行群延时，便可消除相位模糊的干扰；更重要的是声传播时间是声速的伪线性函数，因此对声速失配的灵敏度也不高；不仅如此，特征声线的寻找简单、快捷，且目前直接可用的方法就有线性插值、三次样条插值等，便已经形成直接可应用的软件包：声线即便在有吸收的媒质中也不存在“频散效应”，因此声传播时间的测量可用单频信号也可用宽带信号，不受频率的限制：射线理论非常灵活，既适用于声速随距离变化的环境又适用于不同种类的信号形式，不同的环境特性可以选择其最佳的信号形式；另外，特征声线是以确定的路径到达接收点的，其特征只与局域环境属性有关，这相对于整个环境模型的信息要少得多；所以声传播时间只与局部的未知参数相关联，这样有助于我们逐步寻找绝大多数的未知参数；声传播时间的匹配场反演的最后一个灵活性表现在：反演过程中我们可以对误差大的声线进行取舍选择，以此提高噪声容限。

传统的匹配场处理方法，主要都是以声压场的相关性为依据。对于基于声传播时间的匹配场处理，需要构造新的代价函数形式

T_ij(r,z)＝T_i(r,z)-T_j(r,z),T′_ij＝T′_i-T′_j

其中：N为接收水听器阵基元数，T_i，T′_i分别为声信号到达第i号接收水听器的理论模型传播时间和实际观测传播时间。T_ij，T′_ij即为理论模型中声信号在相邻基元上的传播时延和实际观测的传播时延。

就是用于估计声源位置的能量函数。当估计声源位置等于真实声源位置时，理论上

将趋于无穷大，但是由于噪声的存在，不会趋于无穷大而是达到某一最大值，用模糊函数图表示时将在相应位置处形成一个尖峰。利用此特点即可通过搜索峰值的方法进行定位。

本发明进一步描述如下：

一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法，提出了利用声沿声线传播时间的匹配场定位方法，使用空域矩阵滤波技术滤除入射角过大的声线和噪声，依据步骤1～7对目标进行定位。

步骤1：利用水听器阵列接收数据组成接收阵列数据矩阵，方法为

x(t)＝[x_p(t)；x_vx(t)；x_vy(t)]

其中，x_p(t)，x_vx(t)，x_vy(t)分别表示阵列的声压通道、v_x通道以及v_y通道的阵列接收数据。

步骤2：确定角度阈值为-15度～15度并据此设计空域滤波器。设定此角度的目的是滤除入射角过大的声线。一方面，声线入射角过大说明声线在传播过程中经过了多次的海面-海底反射，从而导致该声线能量较弱，不利于检测和处理。另一方面，由于噪声来自空间中各个角度，所以该空域滤波器同样去除角度阈值之外的噪声，从而提高信噪比，增加计算结果的准确性，提高算法的鲁棒性。

空域滤波器的设计方法为：

s.t.||G^Ha(θ_s)||≤δ,θ_s∈Θ_S

||G^H||≤σ

式中，G为空域矩阵滤波器，δ为指定的阻带扇面内噪声衰减率，通常取值为0.001，||·||表示矩阵的2-范数，约束||G^H||≤σ是为了限制噪声通过该空域滤波器后的功率(噪声通过该空域滤波矩阵后的功率为σ²)，Θ_S为阻带角度集合，在此范围内的角度将被抑制，Θ_p为通带角度集合，在此角度范围内的信号将能够通过滤波器(此处，G与a(θ_p)，a(θ_s)使用粗体是为了强调它们的尺寸与式(18)中不同，但具有相同的求取方法)。

步骤3：依据步骤2中设计的空域矩阵滤波器G对接收信号进行滤波，滤除入射角过大的声线，方法为：

y(t)＝G^Hx(t)

步骤4：利用正交匹配追踪(OMP)算法从y(t)中提取信道冲激响应，得到T′_i。其中，i＝2,…,N。T′_i表示声信号到达第i号水听器阵元的实际观测传播时间。

步骤5：针对空间中的每一个点，坐标为(r,z)。利用Bellop软件计算T_i(r,z)。T_i(r,z)表示声信道到达第i号接收水听器的理论模型传播时间。

步骤6：计算代价函数

T_ij(r,z)＝T_i(r,z)-T_j(r,z),T′_ij＝T′_i-T′_j

步骤7：利用公式

寻找峰值，峰值对应的坐标即为目标位置。

步骤8：结束。

综上所述，本发明提出了一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法。为了提高匹配场定位方法的鲁棒性，本发明采用空域矩阵滤波技术滤除大入射角的声线，在保留较强声线信息的同时抑制了部分噪声，提高信噪比。提出基于声沿声线的传播时间匹配场定位方法，忽略了声信号幅度起伏对定位结果的影响，提高噪声容限，降低对环境模型失配的敏感度，并针对此构造了新的代价函数，通过寻找代价函数的峰值从而实现对目标的定位。

Claims (2)

1.一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法，其特征是：所述方法包括如下步骤：

(1)利用水听器阵列接收数据组成接收阵列数据矩阵，其计算方法为：

x(t)＝[x_p(t)；x_vx(t)；x_vy(t)]

其中，x_p(t)表示阵列的声压通道的阵列接收数据，x_vx(t)表示阵列的v_x通道的阵列接收数据，x_vy(t)表示阵列的v_y通道的阵列接收数据；

(2)确定角度阈值为-15度～15度并据此设计空域滤波器；

(3)依据步骤2中设计的空域矩阵滤波器G对接收信号进行滤波，滤除入射角过大的声线，方法为y(t)＝G^Hx(t),(·)^H表示共轭转置；

(4)利用正交匹配追踪OMP算法从y(t)中提取信道冲激响应，得到T′_i，其中i＝2,…,N，T′_i表示声信号到达第i号水听器阵元的实际观测传播时间；

(5)针对空间中的每一个点，坐标为(r,z)，计算T_i(r,z)，其中T_i(r,z)表示声信道到达第i号接收水听器的理论模型传播时间；

(6)计算代价函数

T_ij(r,z)＝T_i(r,z)-T_j(r,z),T′_ij＝T′_i-T′_j

式中，N为接收水听器阵基元数,T_i为声信号到达第i号接收水听器的理论模型传播时间，T_i′为声信号到达第i号接收水听器的实际观测传播时间，T_j为声信号到达第j号接收水听器的理论模型传播时间，T′_j为声信号到达第j号接收水听器的实际观测传播时间，T_ij为理论模型中声信号在相邻基元上的传播时延，T′_ij为理论模型中声信号实际观测的传播时延；

(7)利用公式

寻找峰值，峰值对应的坐标

即为目标位置，

就是用于估计声源位置的能量函数。

2.根据权利要求1所述的一种垂直矢量阵水下声线匹配被动定位方法，其特征是：所述步骤(2)中，空域滤波器的设计方法为：

s.t.||G^Ha(θ_s)||≤δ,θ_s∈Θ_S

||G^H||≤σ

式中，G为空域矩阵滤波器，δ为指定的阻带扇面内噪声衰减率，通常取值为0.001，||·||表示矩阵的2-范数，σ为噪声通过该空域滤波矩阵后功率的方均值，Θ_S为阻带角度集合，在此范围内的角度将被抑制，Θ_p为通带角度集合，a(θ_s)和a(θ_p)为方向向量。

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