CN111273265A - 基于demon谱的单矢量水听器自主测距装置及方法 - Google Patents

基于demon谱的单矢量水听器自主测距装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111273265A
CN111273265A CN202010134419.1A CN202010134419A CN111273265A CN 111273265 A CN111273265 A CN 111273265A CN 202010134419 A CN202010134419 A CN 202010134419A CN 111273265 A CN111273265 A CN 111273265A
Authority
CN
China
Prior art keywords
vector
spectrum
time
target
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010134419.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111273265B (zh
Inventor
陈羽
彭承彦
马树青
王建飞
孟洲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN202010134419.1A priority Critical patent/CN111273265B/zh
Publication of CN111273265A publication Critical patent/CN111273265A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111273265B publication Critical patent/CN111273265B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/14—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明属于水声目标被动测距领域，具体涉及一种基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距装置及方法，通过对航船辐射宽带噪声进行DEMON谱解调，将DEMON谱中的轴频线谱作为测距输入信号，具有频率稳定且信噪比高的特点。利用不同时刻轴频线谱互谱干涉结构进行目标轴向速度估计，具有不依赖于海洋环境先验知识的特点，并且与多普勒频偏测速方法相比，该方法对低速航船目标有更高的测距精度。此外，本发明提出了一种由光纤矢量水听器系统和数字信号处理平台组成的测距装置，通过优化测距方法流程以及在DSP多核之间合理分配计算任务和存储资源的方法，能够实现单矢量水听器对匀速直线运动航船目标自主测距。本发明有利于小体积探测装备向无人自主化方向发展。

Description

基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距装置及方法
技术领域
本发明属于水声目标被动测距领域，具体涉及一种基于噪声包络信号识别(Detection of Envelope Modulation on Noise,DEMON)解调谱的单矢量水听器自主测距装置及方法，该装置及方法能够对匀速直线运动的航船目标实现自主测距。
背景技术
水声目标被动测距可以在自身不对外发声的情况下仅利用舰艇等目标辐射噪声实现距离估计，相比主动测距方式具有结构简单、成本低以及战时隐蔽性强等优点，已广泛应用于世界各国声纳装备中。随着无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)等水下小型载体的广泛应用，人们对小体积水声测距装备及技术需求愈发迫切。
目前发展起来的被动测距技术有近场聚焦波束形成、三子阵法、目标运动分析(Target Motion Analysis,TMA)以及匹配场技术(Matched Field Processing,MFP)。总体而言，近场聚焦波束形成、三子阵法及TMA技术是以计算目标的精确方位为前提，通常需要较大规模的水听器阵列来实现，无法满足小型载体的使用需求。MFP技术从理论上可以利用小孔阵列甚至是单个水听器实现目标测距，但是该技术对海洋环境先验知识依赖性很高，在环境失配条件下容易导致测距性能大幅下降甚至测距失败。
矢量水听器是一种新型水声传感器，可以同时采集声场中的声压和质点振速信息，相比传统标量水听器可以输出更多声场信息，将矢量水听器应用于被动测距领域能够获得更高的距离估计精度。为了提高测距精度，中国发明专利《一种三元矢量阵被动测距方法》(ZL 201610728409.4)中提出一种利用两个声压通道信号计算时延得到目标方位，根据目标方位计算各矢量水听器基元的互相关输出，再通过互相关输出融合处理实现目标距离估计的方法。该方法虽然能够得到高于传统标量水听器的测距精度，但是需要三个矢量水听器基元，复杂性和成本较高，无法满足小型载体对小体积探测装备的需求。
矢量水听器自身具有偶极子指向性，单个矢量水听器基元在各向同性噪声场中可获得 4.8-6dB的空间增益，因此与标量水听器相比在相同测距性能条件下所需的矢量基元数更少。为了进一步减少目标测距使用的基元数量，中国发明专利“一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法”(ZL201510400349.9)中提出一种利用声压和振速信号的时频分布得到简正波俯仰角与到达时间的模糊度平面，再利用阵不变量的方法实现目标定位的方法。该方法虽然实现了单个矢量水听器被动定位，但是对海洋环境先验知识存在一定依赖性，复杂海洋环境条件下测距性能较差；为了解决环境依赖的问题，中国发明专利“一种单矢量水听器被动定位方法”(ZL201210468673.0)中提出提取辐射噪声中的强线谱信号，根据线谱的多普勒频偏估计目标的运动速度，再结合方位时间历程得到目标运动轨迹的方法。该方法虽然实现了不依赖海洋环境的单矢量水听器定位，但是只适用于存在特征线谱的目标，实际航船辐射噪声中线谱往往被连续谱掩盖而难以稳定获取，并且在低速条件下多普勒频偏测速误差较大，导致测距精度较低，因此该方法在实际应用中性能受限。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距装置及方法，旨在利用单个矢量水听器对匀速直线运动的航船目标实现高精度自主测距。通过对航船辐射宽带噪声进行DEMON谱解调，将DEMON谱中的轴频线谱作为测距输入信号，具有频率稳定且信噪比高的特点。利用不同时刻轴频线谱互谱干涉结构进行目标轴向速度估计，具有不依赖于海洋环境先验知识的特点，并且与多普勒频偏测速方法相比，该方法对低速航船目标有更高的测距精度。此外，本发明提出了一种由光纤矢量水听器系统和数字信号处理平台组成的测距装置，通过优化测距方法流程以及在DSP多核之间合理分配计算任务和存储资源的方法，能够实现单矢量水听器对匀速直线运动航船目标自主测距。本发明有利于小体积探测装备向无人自主化方向发展。
本发明采用的技术方案为：
一种基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距装置，由光纤矢量水听器系统和数字信号处理平台两部分组成，所述光纤矢量水听器系统用于拾取水声场中声压和质点加速度信号，由光发射模块、光纤矢量传感器、光电信号解调模块、三维姿态传感器以及高性能单片机五个部分组成：所述光发射模块用于产生调频光，由波形发生器、D/A转换器、信号放大器、可调谐激光器、隔离器以及衰减器六个部分组成；所述光纤矢量传感器用于传感水下矢量声信号(包括声压和三维质点加速度信号)，输出干涉光信号；所述光电信号解调模块负责从光纤矢量传感器输出的干涉光信号中解调出矢量声信号，由光电检测器、A/D转换器以及信号解调器三个部分组成；所述三维姿态传感器的+X轴、+Y轴以及+Z轴分别与光纤矢量传感器的加速度+X传感轴、加速度+Y传感轴以及加速度+Z传感轴平行，用于实时测量光纤矢量传感器的三维姿态(包括航向角、俯仰角以及横滚角)；所述高性能单片机同步接收光纤矢量传感器传感到的矢量声信号及三维姿态传感器传感到的三维姿态数据，并通过网口传输至数字信号处理平台。所述数字信号处理平台由网络接口芯片、FPGA、固态硬盘、多核DSP、动态随机存储器以及同步静态存储器六个部分组成：所述网络接口芯片用于将高性能单片机输出的矢量声信号及三维姿态数据传输至FPGA；所述FPGA一方面负责实现多核DSP与固态硬盘之间的接口管理，另一方面将接收的矢量声信号及三维姿态数据传输至多核DSP；所述多核DSP负责对接收数据进行存储和测距运算，由其中的3个核(核1-核3)分工完成，所述多核DSP中核1一方面通过FPGA将接收数据连续存储至固态硬盘，另一方面在同步静态存储器中缓存最近10秒钟的数据，所述多核DSP中核2每等待固定时长即从同步静态存储器中取出1帧当前时刻数据(每帧数据长度等于核2等待时长)进行预处理运算，并将运算结果存储至动态随机存储器，所述多核DSP中核3从动态随机存储器中取出预处理运算结果进行测距运算；所述固态硬盘用于连续存储接收数据；所述同步静态存储器用于缓存最近10秒钟的接收数据；所述动态随机存储器用于存储多核DSP中核2预处理运算结果。
所述三维姿态传感器信号输出端口通过信号线连接至高性能单片机RS422接口，所述波形发生器信号输出端口通过信号线连接D/A转换器输入端口，所述D/A转换器输出端口通过信号线连接信号放大器输入端口，所述信号放大器输出端口通过信号线连接可调谐激光器输入端口，所述可调谐激光器输出端口通过光纤连接隔离器输入端口，所述隔离器输出端口通过光纤连接衰减器输入端口，所述衰减器输出端口通过光纤连接光纤矢量传感器输入端口，所述光纤矢量传感器输出端口通过光纤连接光电检测器输入端口，所述光电检测器输出端口通过信号线连接A/D转换器输入端口，所述A/D转换器输出端口通过信号线连接信号解调器输入端口，所述信号解调器输出端口通过信号线连接高性能单片机FSMC接口，所述高性能单片机SPI接口通过网线连接网络接口芯片输入端口，所述网络接口芯片输出端口通过网线连接FPGA输入端口，所述FPGA通过IDE接口连接固态硬盘，所述FPGA输出端口通过信号线连接多核DSP的EMIF接口，所述多核DSP通过DDR接口连接动态随机存储器，所述多核DSP通过EMIF接口连接同步静态存储器。
进一步的，所述高性能单片机为STM32F4型高性能单片机。
进一步的，所述网络接口芯片为W5300型网络接口芯片。
进一步的，所述FPGA为EP4CGX75F672型FPGA。
进一步的，所述多核DSP为TMS320C6674型多核DSP。
本发明还提供一种采用如上所述装置的基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距方法，包括预处理运算(S1-S5)和测距运算(S6-S9)两个部分，该方法的步骤如下：
S1光纤矢量水听器系统连续采集匀速直线运动航船辐射噪声，输出的矢量声信号及三维姿态数据由高性能单片机通过网口传输至数字信号处理平台。设多核DSP中核2第i次从同步静态存储器中读取数据的时刻为ti，其中i＝1，2，3，…，对应的声压信号是Pi(t)，三维加速度分量为Axi(t)、Ayi(t)以及Azi(t)，三维姿态传感器实时输出光纤矢量传感器的航向角αi、俯仰角βi以及横滚角γi，计算姿态修正后的三维振速分量V′xi(t)、V′yi(t)以及V′zi(t)，其中V′xi(t)、 V′yi(t)为水平振速分量，t表示多核DSP每次读取的矢量声信号数据对应的时间采样点序列；
具体实现过程如下：
S1.1由三维加速度分量Axi(t)、Ayi(t)以及Azi(t)经过积分运算得到三维振速分量Vxi(t)、 Vyi(t)以及Vzi(t)，可以表示为：
Figure RE-GDA0002445106640000041
Figure RE-GDA0002445106640000042
Figure RE-GDA0002445106640000043
其中，Δt是多核DSP每次从同步静态存储器中读取的矢量声信号的时间长度，Vxi0、Vyi0以及Vzi0分别表示ti时刻质点振速在X、Y、Z轴分量的初始值，可以近似表示为：
Figure RE-GDA0002445106640000044
Figure RE-GDA0002445106640000045
Figure RE-GDA0002445106640000046
其中，Axi0、Ayi0以及Azi0分别表示ti时刻质点加速度在X、Y、Z轴分量的初始采样点数值，fs是光纤矢量水听器系统声信号采样率。
S1.2设ti时刻三维姿态传感器输出的航向角、俯仰角以及横滚角分别为αi、βi以及γi，计算姿态变换矩阵Ri为：
Figure RE-GDA0002445106640000047
S1.3计算ti时刻经过姿态修正后的三维振速分量V′xi(t)、V′yi(t)以及V′zi(t)为：
[V′xi(t)，V′yi(t)，V′zi(t)]T＝Ri·[Vxi(t)，Vyi(t)，Vzi(t)]T；
S2将S1中ti时刻声压信号Pi(t)分别与水平振速分量V′xi(t)、V′yi(t)进行共轭互谱处理，采用直方图统计法计算当前时刻目标的方位角θi，结合θi计算ti时刻的矢量声能流；具体实现过程如下：
S2.1计算声压信号Pi(t)、水平振速分量V′xi(t)、V′yi(t)的傅里叶变换频谱为Pi(f)、V′xi(f)、 V′yi(f)，采用共轭互谱法计算频率分量f对应的目标方位角估计结果θi(f)为：
Figure RE-GDA0002445106640000051
其中，“*”表示共轭运算。
S2.2设定信号处理频段的上限频率是1300Hz，下限频率是100Hz，按照1Hz频率间隔分别对各离散频率分量的方位角估计结果θi(f)进行直方图统计，统计量中最大值对应的角度为 ti时刻目标方位角估计结果θi。
S2.3计算ti时刻矢量声能流Ii(t)为：
Ii(t)＝Pi(t)·V′xi(t)cosθi+Pi(t)·V′yi(t)sinθi；
S3对S2中矢量声能流进行分频段DEMON谱解调；具体实现过程如下：
S3.1将处理频段300Hz-1300Hz按照200Hz频带宽度均匀划分为5个子频带，针对各子频带设计带通滤波器，通带上下限截止频率对应各子频带上下限频率，过渡带宽为80Hz，通带内衰减不大于3dB，阻带衰减大于80dB，ti时刻矢量声能流Ii(t)通过第m个子频带对应的带通滤波器后输出信号为Imi(t)，m＝1，2，…，5；
S3.2对S3.1中Imi(t)进行绝对值运算得到Bmi(t)，设计低通滤波器，截止频率为100Hz，过渡带宽为40Hz，通带内衰减不大于3dB，阻带衰减大于80dB，将Bmi(t)经过该低通滤波器，输出为Cmi(t)；
S3.3对S3.2中Cmi(t)进行傅里叶变换，并进行归一化处理，得到DEMON谱Emi(f)。
S4将S3得到的DEMON谱Emi(f)进行加权融合处理得到改进的DEMON谱，从中提取轴频谱为di(f0)，其中f0表示轴频率，加权融合及轴频谱提取可采取参考文献“基于DEMON 线谱的轴频提取方法研究”(应用声学，2005，24(6)：369-373)中的方法。
S5将S4中生成的t1～ti时刻的轴频谱累积存储，得到轴频谱累积向量为D＝ [di(f0)，di-1(f0)，…，d1(f0)]，设累积向量最大长度为Nd＝101，当i≤Nd-1时继续进行轴频谱向量累积，当i＞Nd-1时进入S6，同时累积向量中只保留
Figure RE-GDA0002445106640000053
时刻的数据。
S6将S5中累积向量D中的轴频谱元素进行共轭互谱干涉处理，将处理结果按时间差由小到大的顺序存储在长度为Nd-1的向量DCi(f0)中：
Figure RE-GDA0002445106640000052
S7对S6得到的共轭互谱向量DCi(f0)进行傅里叶变换，计算ti时刻目标的轴向速度；具体实现过程如下：
S7.1计算共轭互谱向量DCi(f0)的傅里叶变换频谱为DFi(f)；
S7.2计算ti时刻目标的轴向运动速度vi为：
Figure RE-GDA0002445106640000061
其中
Figure RE-GDA0002445106640000062
是海水声速平均值，这里设定
Figure RE-GDA0002445106640000063
ΔT是共轭互谱向量DCi(f0)相邻能量峰对应的时间间隔，计算方法如下：
Figure RE-GDA0002445106640000064
其中，Δt是多核DSP每次从同步静态存储器中读取数据的时间长度，F是频谱向量DFi(f) 中最大值对应的频率。
S8计算
Figure RE-GDA0002445106640000065
时刻轴向速度累积向量
Figure RE-GDA0002445106640000066
根据向量Vr中轴向速度随时间变化趋势判断目标是否已经过最近通过点(Closest Point of Approach，CPA)，如果未经过 CPA点则继续累积轴向速度累积向量，如果已经过CPA点则进入步骤S9，目标经过CPA点需要同时满足以下两个条件：
Figure RE-GDA0002445106640000067
S9根据S8中轴向速度累积向量Vr对目标运动线速度、经过CPA点的相对时间以及CPA 点的距离三个参数进行寻优处理，结合寻优结果计算目标的距离；具体实现过程为：
S9.1设定目标运动线速度的范围是A＝(v0l，v0l+Nv·Δv)，其中vol＝0.05m/s，Δv＝ 0.05m/s，Nv＝200；设定目标到达CPA点的时间范围是B＝(t0l，t0l+Nt·Δt)，其中t0l＝ti+N，Δt＝10s，Nt＝200；设定CPA点的距离范围是C＝(r0l，r0l+Nr·Δr)，其中r0l＝20m，Δr＝ 20m，Nr＝200；计算ti时刻目标的轴向速度估计结果v′i(A，B，C)为：
Figure RE-GDA0002445106640000068
S9.2计算
Figure RE-GDA0002445106640000069
时间段内目标轴向运动速度累积向量V′r(A，B，C)为：
Figure RE-GDA00024451066400000610
S9.3设参数寻优目标函数H(A，B，C)为：
Figure RE-GDA00024451066400000611
其中上划线符号“-”表示均值运算。
S9.4采用穷举法计算不同参数情况下目标函数值，当v0∈A，t0∈B，r0∈C且满足 H(v0，t0，r0)＝min[H(A，B，C)]时，v0，t0，r0是最终的参数寻优结果。
S9.5根据v0，t0，r0计算
Figure RE-GDA0002445106640000071
时间段内目标的距离估计结果向量R为：
Figure RE-GDA0002445106640000072
其中Ri为ti时刻目标距离估计结果：
Figure RE-GDA0002445106640000073
本发明具有以下有益技术效果：
本发明提供的基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距装置及方法，通过运动航船辐射宽带噪声解调出信噪比高且结构稳定的DEMON谱，利用DEMON谱中的轴频线谱作为输入信号，能够有效解决航船辐射噪声中低频线谱因被连续噪声谱掩盖而无法准确提取的问题，与现有的基于阵不变量或基于多普勒频偏的单矢量水听器测距系统相比，本发明提供的基于不同时刻轴频线谱互谱干涉结构的测距系统不依赖于海洋环境先验知识，并且适用于低航速目标，此外，本发明通过优化测距方法流程并在DSP多核之间合理分配运算任务，能够实现单矢量水听器对匀速直线运动航船目标自主测距，对于水下目标参数估计、水下目标跟踪等具有重要意义，并且有利于单矢量水听器测距系统向无人自主化方向发展。
附图说明
图1是本发明所述基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距装置的结构示意图。
图2是本发明所述基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距方法的流程图。
图3是目标通过几何模型示意图。
图4是本发明所述运动航船目标辐射噪声轴频线谱提取试验结果图。
图5是本发明所述运动航船目标辐射噪声轴频线谱互谱干涉试验结果图。
图6是本发明所述单矢量水听器运动航船目标自主测距与GPS记录结果试验对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
图1为本发明所述基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距装置的结构示意图，由光纤矢量水听器系统和数字信号处理平台两部分组成，所述光纤矢量水听器系统用于拾取水声场中声压和质点加速度信号，由光发射模块、光纤矢量传感器、光电信号解调模块、三维姿态传感器以及STM32F4型高性能单片机五个部分组成：所述光发射模块用于产生调频光，由波形发生器、D/A转换器、信号放大器、可调谐激光器、隔离器以及衰减器六个部分组成；所述光纤矢量传感器用于传感水下矢量声信号(包括声压和三维质点加速度信号)，输出干涉光信号；所述光电信号解调模块负责从光纤矢量传感器输出的干涉光信号中解调出矢量声信号，由光电检测器、A/D转换器以及信号解调器三个部分组成；所述三维姿态传感器的+X轴、+Y 轴以及+Z轴分别与光纤矢量传感器的加速度+X传感轴、加速度+Y传感轴以及加速度+Z传感轴平行，用于实时测量光纤矢量传感器的三维姿态(包括航向角、俯仰角以及横滚角)；所述STM32F4型高性能单片机同步接收光纤矢量传感器传感到的矢量声信号及三维姿态传感器传感到的三维姿态数据，并通过网口传输至数字信号处理平台。所述数字信号处理平台由 W5300型网络接口芯片、EP4CGX75F672型FPGA、固态硬盘、TMS320C6674型多核DSP、动态随机存储器以及同步静态存储器六个部分组成：所述W5300型网络接口芯片用于将 STM32F4型高性能单片机输出的矢量声信号及三维姿态数据传输至EP4CGX75F672型FPGA；所述EP4CGX75F672型FPGA一方面负责实现TMS320C6674型多核DSP与固态硬盘之间的接口管理，另一方面将接收的矢量声信号及三维姿态数据传输至TMS320C6674型多核DSP；所述TMS320C6674型多核DSP负责对接收数据进行存储和测距运算，由其中的3个核(核 1-核3)分工完成，所述多核DSP中核1一方面通过EP4CGX75F672型FPGA将接收数据连续存储至固态硬盘，另一方面在同步静态存储器中缓存最近10秒钟的数据，所述多核DSP 中核2每等待固定时长即从同步静态存储器中取出1帧当前时刻数据(每帧数据长度等于核 2等待时长)进行预处理运算，并将运算结果存储至动态随机存储器，所述多核DSP中核3 从动态随机存储器中取出预处理运算结果进行测距运算；所述固态硬盘用于连续存储接收数据；所述同步静态存储器用于缓存最近10秒钟的接收数据；所述动态随机存储器用于存储多核DSP中核2预处理运算结果。
图2是本发明所述基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距方法的流程图，包括以下步骤：
S1光纤矢量水听器系统连续采集匀速直线运动航船辐射噪声，输出的矢量声信号及三维姿态数据由高性能单片机通过网口传输至数字信号处理平台。
S2将S1中ti时刻声压信号Pi(t)分别与水平振速分量V′xi(t)、V′yi(t)进行共轭互谱处理，采用直方图统计法计算当前时刻目标的方位角θi，结合θi计算ti时刻的矢量声能流；
S3对S2中矢量声能流进行分频段DEMON谱解调；
S4将S3得到的DEMON谱Emi(f)进行加权融合处理得到改进的DEMON谱，从中提取轴频谱为di(f0)，其中f0表示轴频率；
S5将S4中生成的t1～ti时刻的轴频谱累积存储，得到轴频谱累积向量为D＝[di(f0)，di-1(f0)，…，d1(f0)]，设累积向量最大长度为Nd＝101，当i≤Nd-1时继续进行轴频谱向量累积，当i＞Nd-1时进入S6，同时累积向量中只保留
Figure RE-GDA0002445106640000091
时刻的数据。
S6将S5中累积向量D中的轴频谱元素进行共轭互谱干涉处理，将处理结果按时间差由小到大的顺序存储在长度为Nd-1的向量DCi(f0)中：
Figure RE-GDA0002445106640000092
S7对S6得到的共轭互谱向量DCi(f0)进行傅里叶变换，计算ti时刻目标的轴向速度；
S8计算
Figure RE-GDA0002445106640000093
时刻轴向速度累积向量
Figure RE-GDA0002445106640000094
根据向量Vr中轴向速度随时间变化趋势判断目标是否已经过最近通过点(Closest Point of Approach，CPA)，如果未经过 CPA点则继续累积轴向速度累积向量，如果已经过CPA点则进入步骤S9，目标经过CPA点需要同时满足以下两个条件：
Figure RE-GDA0002445106640000095
S9根据S8中轴向速度累积向量Vr对目标运动线速度、经过CPA点的相对时间以及CPA 点的距离三个参数进行寻优处理，结合寻优结果计算目标的距离。
图3是目标通过几何模型示意图。其中目标作匀速直线运动，相对光纤矢量水听器由远及近行驶并经过CPA点，到达CPA点对应的时间为t0，与光纤矢量水听器之间的距离为r0。
图4是本发明所述运动航船目标辐射噪声轴频线谱提取试验结果图。其中多核DSP每次从同步静态存储器中读取数据的时间长度为1s，DEMON谱解调划分的5个子频带分别是300-500Hz、500-700Hz、700-900Hz、900-1100Hz以及1100-1300Hz。图5是本发明所述运动航船目标辐射噪声轴频线谱互谱干涉试验结果图。其中信号傅里叶变换时间长度为1s，轴频线谱的频率为14Hz，轴频谱累积向量长度为101。
图6是本发明所述单矢量水听器运动航船目标自主测距与GPS记录结果试验对比图。其中航船运动线速度范围设置为0.05m/s-10m/s，搜索步距为0.05m/s；航船到达CPA点的时间范围设置为10s-2000s，搜索步距为10s；CPA点的距离范围设置为20m-4000m，搜索步距为 20m。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距装置，其特征在于：由光纤矢量水听器系统和数字信号处理平台两部分组成，所述光纤矢量水听器系统用于拾取水声场中声压和质点加速度信号，由光发射模块、光纤矢量传感器、光电信号解调模块、三维姿态传感器以及高性能单片机五个部分组成：所述光发射模块用于产生调频光，由波形发生器、D/A转换器、信号放大器、可调谐激光器、隔离器以及衰减器六个部分组成；所述光纤矢量传感器用于传感水下矢量声信号，输出干涉光信号；所述光电信号解调模块负责从光纤矢量传感器输出的干涉光信号中解调出矢量声信号，由光电检测器、A/D转换器以及信号解调器三个部分组成；所述三维姿态传感器的+X轴、+Y轴以及+Z轴分别与光纤矢量传感器的加速度+X传感轴、加速度+Y传感轴以及加速度+Z传感轴平行，用于实时测量光纤矢量传感器的三维姿态；所述高性能单片机同步接收光纤矢量传感器传感到的矢量声信号及三维姿态传感器传感到的三维姿态数据，并通过网口传输至数字信号处理平台；所述数字信号处理平台由网络接口芯片、FPGA、固态硬盘、多核DSP、动态随机存储器以及同步静态存储器六个部分组成：所述网络接口芯片用于将高性能单片机输出的矢量声信号及三维姿态数据传输至FPGA；所述FPGA一方面负责实现多核DSP与固态硬盘之间的接口管理，另一方面将接收的矢量声信号及三维姿态数据传输至多核DSP；所述多核DSP负责对接收数据进行存储和测距运算，由其中的3个核分工完成，所述多核DSP的三个核分别为核1、核2和核3；所述多核DSP中核1一方面通过FPGA将接收数据连续存储至固态硬盘，另一方面在同步静态存储器中缓存最近10秒钟的数据，所述多核DSP中核2每等待固定时长即从同步静态存储器中取出1帧当前时刻数据进行预处理运算，并将运算结果存储至动态随机存储器，所述多核DSP中核3从动态随机存储器中取出预处理运算结果进行测距运算；所述固态硬盘用于连续存储接收数据；所述同步静态存储器用于缓存最近10秒钟的接收数据；所述动态随机存储器用于存储多核DSP中核2预处理运算结果；
所述三维姿态传感器信号输出端口通过信号线连接至高性能单片机RS422接口，所述波形发生器信号输出端口通过信号线连接D/A转换器输入端口，所述D/A转换器输出端口通过信号线连接信号放大器输入端口，所述信号放大器输出端口通过信号线连接可调谐激光器输入端口，所述可调谐激光器输出端口通过光纤连接隔离器输入端口，所述隔离器输出端口通过光纤连接衰减器输入端口，所述衰减器输出端口通过光纤连接光纤矢量传感器输入端口，所述光纤矢量传感器输出端口通过光纤连接光电检测器输入端口，所述光电检测器输出端口通过信号线连接A/D转换器输入端口，所述A/D转换器输出端口通过信号线连接信号解调器输入端口，所述信号解调器输出端口通过信号线连接高性能单片机FSMC接口，所述高性能单片机SPI接口通过网线连接网络接口芯片输入端口，所述网络接口芯片输出端口通过网线连接FPGA输入端口，所述FPGA通过IDE接口连接固态硬盘，所述FPGA输出端口通过信号线连接多核DSP的EMIF接口，所述多核DSP通过DDR接口连接动态随机存储器，所述多核DSP通过EMIF接口连接同步静态存储器。
2.一种根据权利要求1所述基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距装置，其特征在于：所述高性能单片机为STM32F4型高性能单片机。
3.一种根据权利要求1所述基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距装置，其特征在于：所述网络接口芯片为W5300型网络接口芯片。
4.一种根据权利要求1所述基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距装置，其特征在于：所述FPGA为EP4CGX75F672型FPGA。
5.一种根据权利要求1所述基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距装置，其特征在于：所述多核DSP为TMS320C6674型多核DSP。
6.一种采用如权利要求1至5任一条所述装置的基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距方法，包括预处理运算和测距运算两个部分，其特征在于，该方法的步骤如下：
S1光纤矢量水听器系统连续采集匀速直线运动航船辐射噪声，输出的矢量声信号及三维姿态数据由高性能单片机通过网口传输至数字信号处理平台；设多核DSP中核2第i次从同步静态存储器中读取数据的时刻为ti，其中i＝1，2，3，…，对应的声压信号是Pi(t)，三维加速度分量为Axi(t)、Ayi(t)以及Azi(t)，三维姿态传感器实时输出光纤矢量传感器的航向角αi、俯仰角βi以及横滚角γi，计算姿态修正后的三维振速分量V′xi(t)、V′yi(t)以及V′zi(t)，其中V′xi(t)、V′yi(t)为水平振速分量，t表示多核DSP每次读取的矢量声信号数据对应的时间采样点序列；具体实现过程如下：
S1.1由三维加速度分量Axi(t)、Ayi(t)以及Azi(t)经过积分运算得到三维振速分量Vxi(t)、Vyi(t)以及Vzi(t)，可以表示为：
Figure RE-FDA0002445106630000021
Figure RE-FDA0002445106630000022
Figure RE-FDA0002445106630000023
其中，Δt是多核DSP每次从同步静态存储器中读取的矢量声信号的时间长度，Vxi0、Vyi0以及Vzi0分别表示ti时刻质点振速在X、Y、Z轴分量的初始值，可以近似表示为：
Figure RE-FDA0002445106630000031
Figure RE-FDA0002445106630000032
Figure RE-FDA0002445106630000033
其中，Axi0、Ayi0以及Azi0分别表示ti时刻质点加速度在X、Y、Z轴分量的初始采样点数值，fs是光纤矢量水听器系统声信号采样率；
S1.2设ti时刻三维姿态传感器输出的航向角、俯仰角以及横滚角分别为αi、βi以及γi，计算姿态变换矩阵Ri为：
Figure RE-FDA0002445106630000034
S1.3计算ti时刻经过姿态修正后的三维振速分量V′xi(t)、V′yi(t)以及V′zi(t)为：
[V′xi(t)，V′yi(t)，V′zi(t)]T＝Ri·[Vxi(t)，Vyi(t)，Vzi(t)]T；
S2将S1中ti时刻声压信号Pi(t)分别与水平振速分量V′xi(t)、V′yi(t)进行共轭互谱处理，采用直方图统计法计算当前时刻目标的方位角θi，结合θi计算ti时刻的矢量声能流；具体实现过程如下：
S2.1计算声压信号Pi(t)、水平振速分量V′xi(t)、V′yi(t)的傅里叶变换频谱为Pi(f)、V′xi(f)、V′yi(f)，采用共轭互谱法计算频率分量f对应的目标方位角估计结果θi(f)为：
Figure RE-FDA0002445106630000035
其中，“*”表示共轭运算；
S2.2设定信号处理频段的上限频率是1300Hz，下限频率是100Hz，按照1Hz频率间隔分别对各离散频率分量的方位角估计结果θi(f)进行直方图统计，统计量中最大值对应的角度为ti时刻目标方位角估计结果θi；
S2.3计算ti时刻矢量声能流Ii(t)为：
Ii(t)＝Pi(t)·V′xi(t)cosθi+Pi(t)·V′yi(t)sinθi；
S3对S2中矢量声能流进行分频段DEMON谱解调；具体实现过程如下：
S3.1将处理频段300Hz-1300Hz按照200Hz频带宽度均匀划分为5个子频带，针对各子频带设计带通滤波器，通带上下限截止频率对应各子频带上下限频率，过渡带宽为80Hz，通带内衰减不大于3dB，阻带衰减大于80dB，ti时刻矢量声能流Ii(t)通过第m个子频带对应的带通滤波器后输出信号为Imi(t)，m＝1，2，…，5；
S3.2对S3.1中Imi(t)进行绝对值运算得到Bmi(t)，设计低通滤波器，截止频率为100Hz，过渡带宽为40Hz，通带内衰减不大于3dB，阻带衰减大于80dB，将Bmi(t)经过该低通滤波器，输出为Cmi(t)；
S3.3对S3.2中Cmi(t)进行傅里叶变换，并进行归一化处理，得到DEMON谱Emi(f)；
S4将S3得到的DEMON谱Emi(f)进行加权融合处理得到改进的DEMON谱，从中提取轴频谱为di(f0)，其中f0表示轴频率；
S5将S4中生成的t1～ti时刻的轴频谱累积存储，得到轴频谱累积向量为D＝[di(f0)，di-1(f0)，…，d1(f0)]，设累积向量最大长度为Nd＝101，当i≤Nd-1时继续进行轴频谱向量累积，当i＞Nd-1时进入S6，同时累积向量中只保留
Figure RE-FDA0002445106630000041
时刻的数据；
S6将S5中累积向量D中的轴频谱元素进行共轭互谱干涉处理，将处理结果按时间差由小到大的顺序存储在长度为Nd-1的向量DCi(f0)中：
Figure RE-FDA0002445106630000042
S7对S6得到的共轭互谱向量DCi(f0)进行傅里叶变换，计算ti时刻目标的轴向速度；具体实现过程如下：
S7.1计算共轭互谱向量DCi(f0)的傅里叶变换频谱为DFi(f)；
S7.2计算ti时刻目标的轴向运动速度vi为：
Figure RE-FDA0002445106630000043
其中
Figure RE-FDA0002445106630000044
是海水声速平均值，这里设定
Figure RE-FDA0002445106630000045
ΔT是共轭互谱向量DCi(f0)相邻能量峰对应的时间间隔，计算方法如下：
Figure RE-FDA0002445106630000046
其中，Δt是多核DSP每次从同步静态存储器中读取数据的时间长度，F是频谱向量DFi(f)中最大值对应的频率；
S8计算
Figure RE-FDA0002445106630000047
时刻轴向速度累积向量
Figure RE-FDA0002445106630000048
根据向量Vr中轴向速度随时间变化趋势判断目标是否已经过CPA，如果未经过CPA点则继续累积轴向速度累积向量，如果已经过CPA点则进入步骤S9，目标经过CPA点需要同时满足以下两个条件：
Figure RE-FDA0002445106630000051
S9根据S8中轴向速度累积向量Vr对目标运动线速度、经过CPA点的相对时间以及CPA点的距离三个参数进行寻优处理，结合寻优结果计算目标的距离；具体实现过程为：
S9.1设定目标运动线速度的范围是A＝(v0l，vol+Nv·Δv)，其中v0l＝0.05m/s，Δv＝0.05m/s，Nv＝200；设定目标到达CPA点的时间范围是B＝(t0l，t0l+Nt·Δt)，其中t0l＝ti+N，Δt＝10s，Nt＝200；设定CPA点的距离范围是C＝(r0l，r0l+Nr·Δr)，其中r0l＝20m，Δr＝20m，Nr＝200；计算ti时刻目标的轴向速度估计结果v′i(A，B，C)为：
Figure RE-FDA0002445106630000052
S9.2计算
Figure RE-FDA0002445106630000053
时间段内目标轴向运动速度累积向量V′r(A，B，C)为：
Figure RE-FDA0002445106630000054
S9.3设参数寻优目标函数H(A，B，C)为：
Figure RE-FDA0002445106630000055
其中上划线符号“-”表示均值运算；
S9.4采用穷举法计算不同参数情况下目标函数值，当v0∈A，t0∈B，r0∈C且满足H(v0，t0，r0)＝min[H(A，B，C)]时，v0，t0，r0是最终的参数寻优结果；
S9.5根据v0，t0，r0计算
Figure RE-FDA0002445106630000056
时间段内目标的距离估计结果向量R为：
Figure RE-FDA0002445106630000057
其中Ri为ti时刻目标距离估计结果：
Figure RE-FDA0002445106630000058
CN202010134419.1A 2020-03-02 2020-03-02 基于demon谱的单矢量水听器自主测距装置及方法 Active CN111273265B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010134419.1A CN111273265B (zh) 2020-03-02 2020-03-02 基于demon谱的单矢量水听器自主测距装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010134419.1A CN111273265B (zh) 2020-03-02 2020-03-02 基于demon谱的单矢量水听器自主测距装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111273265A true CN111273265A (zh) 2020-06-12
CN111273265B CN111273265B (zh) 2020-09-29

Family

ID=70999255

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010134419.1A Active CN111273265B (zh) 2020-03-02 2020-03-02 基于demon谱的单矢量水听器自主测距装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111273265B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112083373A (zh) * 2020-09-16 2020-12-15 哈尔滨工程大学 一种单矢量水听器被动定位及航迹预测方法
CN112099019A (zh) * 2020-07-16 2020-12-18 中国海洋石油集团有限公司 一种水下声矢量探测装置
CN112683386A (zh) * 2020-12-03 2021-04-20 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种积分型压电振速矢量水听器
CN112882036A (zh) * 2021-01-19 2021-06-01 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种声呐音频测速测距装置及方法
CN113887450A (zh) * 2021-10-09 2022-01-04 中国人民解放军91977部队 基于调制谱特征的水中目标在线筛选方法
CN114578368A (zh) * 2022-03-01 2022-06-03 哈尔滨工程大学 一种基于目标方位与线谱的小平台水声被动探测信息融合方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101271155A (zh) * 2008-04-25 2008-09-24 哈尔滨工程大学 用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法
CN102981146A (zh) * 2012-11-19 2013-03-20 哈尔滨工程大学 一种单矢量水听器被动定位方法
CN105158734A (zh) * 2015-07-09 2015-12-16 哈尔滨工程大学 一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法
CN107884060A (zh) * 2017-10-27 2018-04-06 中国人民解放军国防科技大学 一种光纤分布式传感探测方法及装置
CN106646350B (zh) * 2016-09-08 2019-06-14 哈尔滨工程大学 一种单只矢量水听器各通道幅度增益不一致时的修正方法
CN110376545A (zh) * 2019-08-21 2019-10-25 西北工业大学 一种单参数调优随机共振增强的单矢量水听器定向方法
CN110763327A (zh) * 2019-09-30 2020-02-07 哈尔滨工程大学 一种平面障板条件下单矢量水听器信号检测方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101271155A (zh) * 2008-04-25 2008-09-24 哈尔滨工程大学 用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法
CN102981146A (zh) * 2012-11-19 2013-03-20 哈尔滨工程大学 一种单矢量水听器被动定位方法
CN105158734A (zh) * 2015-07-09 2015-12-16 哈尔滨工程大学 一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法
CN106646350B (zh) * 2016-09-08 2019-06-14 哈尔滨工程大学 一种单只矢量水听器各通道幅度增益不一致时的修正方法
CN107884060A (zh) * 2017-10-27 2018-04-06 中国人民解放军国防科技大学 一种光纤分布式传感探测方法及装置
CN110376545A (zh) * 2019-08-21 2019-10-25 西北工业大学 一种单参数调优随机共振增强的单矢量水听器定向方法
CN110763327A (zh) * 2019-09-30 2020-02-07 哈尔滨工程大学 一种平面障板条件下单矢量水听器信号检测方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHUNTAO WANG等: "Analysis of phase difference of acceleration fiber optic vector hydrophone based on signal-to-noise ratio", 《2019 18TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON OPTICAL COMMUNICATIONS AND NETWORKS》 *
YU CHEN等: "Passive Range Localization of the Acoustic Moving Source Using the Demon Spectrum", 《IEEE XPLORE》 *
姚直象等: "用单个矢量水听器基于D E M O N 线谱的双目标分辨", 《应用声学》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112099019A (zh) * 2020-07-16 2020-12-18 中国海洋石油集团有限公司 一种水下声矢量探测装置
CN112083373A (zh) * 2020-09-16 2020-12-15 哈尔滨工程大学 一种单矢量水听器被动定位及航迹预测方法
CN112083373B (zh) * 2020-09-16 2023-07-25 哈尔滨工程大学 一种单矢量水听器被动定位及航迹预测方法
CN112683386A (zh) * 2020-12-03 2021-04-20 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种积分型压电振速矢量水听器
CN112882036A (zh) * 2021-01-19 2021-06-01 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种声呐音频测速测距装置及方法
CN113887450A (zh) * 2021-10-09 2022-01-04 中国人民解放军91977部队 基于调制谱特征的水中目标在线筛选方法
CN113887450B (zh) * 2021-10-09 2022-05-20 中国人民解放军91977部队 基于调制谱特征的水中目标在线筛选方法
CN114578368A (zh) * 2022-03-01 2022-06-03 哈尔滨工程大学 一种基于目标方位与线谱的小平台水声被动探测信息融合方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111273265B (zh) 2020-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111273265B (zh) 基于demon谱的单矢量水听器自主测距装置及方法
CN104076331B (zh) 一种七元麦克风阵列的声源定位方法
CN203178489U (zh) 用于识别水下和水面目标的实时监测系统
CN111257943B (zh) 一种浅海低频声场时频干涉条纹提取方法
CN113376577B (zh) 一种基于二维任意阵子空间的超短基线定位水下声源方法
CN103308889A (zh) 复杂环境下被动声源二维doa估计方法
CN101995574A (zh) 一种近场聚焦波束形成定位法
CN110703203A (zh) 基于多声学波浪滑翔机的水下脉冲声定位系统
CN106249244B (zh) 一种声矢量圆阵宽带相干信号源方位估计方法
CN109188019B (zh) 基于多重信号分类算法的三维风速风向测量方法
CN101915922A (zh) 拖曳线列阵被动测距方法
CN113281727B (zh) 一种基于水平线列阵的输出增强的波束形成方法及其系统
CN103267966A (zh) 一种单个二维压差式矢量水听器方位估计的方法
CN109597021B (zh) 一种波达方向估计方法及装置
CN105204026A (zh) 一种基于声场干涉条纹的单水平阵被动测速和测距装置及其方法
CN111366904B (zh) 一种基于二维频谱相干合并的cfar检测方法
CN109405954A (zh) 一种基于矢量水听器阵列的uuv移动水声通信技术
CN113432601B (zh) 一种用于水下直升机的定位巡航系统及其工作方法
EP1682923A1 (fr) Procede de localisation d un ou de plusieurs emetteurs
CN108088547A (zh) 一种基于小孔径二维矢量水听器阵的微弱目标被动检测方法
Lucifredi et al. Gray whale target strength measurements and the analysis of the backscattered response
CN113126029B (zh) 适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法
CN116008913A (zh) 基于stm32和小型麦克风阵列的无人机检测定位方法
CN115951305A (zh) 一种基于srp-phat空间谱和gcc的声源定位方法
CN111948607B (zh) 一种深海目标被动定位及粒子滤波跟踪方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant