CN111458678B - 一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法 - Google Patents

一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111458678B
CN111458678B CN202010302969.XA CN202010302969A CN111458678B CN 111458678 B CN111458678 B CN 111458678B CN 202010302969 A CN202010302969 A CN 202010302969A CN 111458678 B CN111458678 B CN 111458678B
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency
time
interference
sound intensity
spectrum
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.)
Active
Application number
CN202010302969.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111458678A (zh
Inventor
钱进
毛卫宁
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.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
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 Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN202010302969.XA priority Critical patent/CN111458678B/zh
Publication of CN111458678A publication Critical patent/CN111458678A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111458678B publication Critical patent/CN111458678B/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
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/80—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • G01S3/802—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/8022—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using the Doppler shift introduced by the relative motion between source and receiver
    • 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

本发明公开了一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法，利用接收基阵接收被测运动目标船辐射的宽带噪声信号，然后进行波束形成，估计被测目标船辐射噪声的声强，接着计算不同时刻波束输出序列的功率谱，并合成浅海低频声场时频干涉谱，实时在线提取干涉谱中的干涉频率条纹，最后利用干涉频率、声强与目标船距离的关系，估计被测目标船的实时距离，并获得目标船的运动信息。本发明中引入了声强信息，既减小了干涉频率估计误差对测距性能的影响，又降低了测距算法的复杂度，并且干涉频率条纹的实时在线提取保证了测距算法具有良好的实时性。

Description

一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法
技术领域
本发明涉及水声信号处理技术，具体涉及一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法。
背景技术
水下目标辐射噪声信号包括宽带连续谱信号和窄带线谱信号。单基元被动测距通过接收经过多径水声信道传输的水下目标辐射噪声信号，利用接收信号中线谱信号的多普勒特性、宽带连续谱信号的干涉谱特性(由直达波和反射波干涉形成)和多途时延等信息估计目标距离。单基元被动测距近几十年来一直是国内外学者关注的热点。主要方法有基于多普勒频移的被动测距、基于干涉谱的被动测距、基于波导不变量的被动测距和基于多途时延的被动测距。
基于多普勒频移的被动测距必须准确测出目标通过观测最近点的时间和多普勒频移，亦即目标通过最近点后才能解算出目标位置，实时性较差；基于干涉谱和基于波导不变量的被动测距方法的关键是提取声场干涉结构中的干涉频率和波导不变量值，Hough变换等图像处理方法是常用的干涉频率和波导不变量提取方法，但计算量较大，当存在多个干涉条纹时，提取性能下降，另外，受环境参数失配、噪声、干扰等因素的影响，提取的干涉频率和波导不变量难免存在一定的误差，导致测距性能下降；基于多途时延的被动测距，由于传播信道的影响，多途时延存在不稳定性，多途时延的精确估计难度较大，严重影响测距性能。
发明内容
发明目的：为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法，包括以下步骤：
(1)利用接收基阵接收被测运动目标船辐射的宽带噪声信号；
(2)对接收到的阵列信号进行波束形成，估计被测目标船辐射噪声的声强；
(3)计算不同时刻波束输出序列的功率谱，合成浅海低频声场时频干涉谱；
(4)采用检测前跟踪方法在线提取干涉谱中的干涉频率条纹；
(5)根据干涉频率、声强与目标船距离的关系，得到运动目标船的实时距离，并获得目标船的运动信息。
进一步地，所述步骤(1)中所述的接收基阵包括线列阵、圆柱阵等阵型。
所述步骤(2)中，被测目标船辐射噪声的声强计算公式如下：
Figure BDA0002454694770000011
其中x(n)为波束输出序列，η为水听器灵敏度的倒数，N为样本长度。
步骤(3)合成浅海低频声场时频干涉谱是通过对各帧波束输出数据做FFT变换，计算功率谱,综合各帧数据的功率谱得到时频干涉谱。由于海面和海底界面对声信号传播的影响，被测目标船辐射噪声信号经不同路径到达接收阵，各路径信号是相干的，干涉谱中存在干涉谱峰；被测目标船运动，谱峰随时间变化，形成干涉频率条纹。船舶辐射噪声测量时，海面干涉的影响是主要的。
步骤(4)采用检测前跟踪方法提取干涉频率，即通过干涉谱谱峰沿目标运动方向的积累，实现谱峰的自动跟踪和干涉频率条纹的在线提取。
步骤(5)所得到的声强与目标船距离的关系为：
Figure BDA0002454694770000021
其中，A是声源强度，R(t)为被测目标船与接收阵间的斜距。
直达波与反射波的干涉频率与目标船距离的关系为：
Figure BDA0002454694770000022
其中m为整数，Rd(t)和Rr(t)分别为t时刻直达波和反射波的传播路径，fm(t)为第m个干涉频率条纹在t时刻的频率值，c为声速。
有益效果：与现有技术相比，本发明同时利用时频干涉谱和辐射噪声声强进行被动测距，通过声强的实时测量和干涉频率的实时在线提取，估计被测目标船的实时距离，并获得目标船的运动信息。该方法不需要目标船通过观测最近点即可解算出目标距离；声强信息的引入既降低了测距算法的复杂度，又减小了干涉频率估计误差对测距性能的影响，提高了测距的稳健性；干涉频率条纹的实时在线提取保证了测距算法具有良好的实时性。
附图说明
图1为本发明中被测目标船运动示意图；
图2为本发明中由波束输出序列计算得到的干涉谱；
图3为本发明实例中的斜距测量结果图；
图4为本发明实例中的速度测量结果图。
具体实施例
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例做进一步的阐述。
本发明所提供的是一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法，利用基阵接收被测运动目标船辐射的宽带噪声信号，进行波束形成，估计被测目标船辐射噪声的声强，计算不同时刻波束输出序列的功率谱，并合成浅海低频声场时频干涉谱，实时在线提取干涉谱中的干涉频率条纹，利用干涉频率和声强与目标船距离的关系，实时估计被测目标船的斜距，并获得目标船的运动信息。声强信息的引入既减小了干涉频率估计误差对测距性能的影响，又降低了测距算法的复杂度，干涉频率条纹的实时在线提取保证了测距算法具有良好的实时性。
以一组待测目标船的定位水下测试计算为例，本发明所述的方法具体实施过程如下：
步骤(1)获取水下被测目标船辐射噪声的接收信号：通过接收基阵测得被测目标船的辐射噪声信号频带为100Hz～10kHz，采样频率为48kHz，目标船匀速运动，速度为6m/s，航向0度；海面声速为1500m/s，海底介质声速为1800m/s，密度为1.6g/cm3，海深70米；目标船深度为6米，接收阵的深度为25米，接收阵与目标船的初始距离为143米，初始方位140度。信噪比10dB。观测数据长40s。接收基阵采用线列阵，阵长2米，用bellhop声场模型得到信道脉冲响应，接收阵列信号为目标船辐射噪声源信号通过信道滤波器的响应；
步骤(2)估计被测目标船辐射噪声的声强：对接收到的阵列信号，采用高分辨方位估计方法估计目标方位，在目标方位对各阵元信号进行延时求和相加，得到波束输出序列，计算被测目标船辐射噪声的声强，计算表达式如下：
Figure BDA0002454694770000031
其中x(n)为波束输出序列，η为水听器灵敏度的倒数，N为样本长度。
步骤(3)合成浅海低频声场时频干涉谱：对各帧波束输出数据做FFT变换，计算功率谱,综合各帧数据的功率谱得到时频干涉谱。
船舶辐射噪声测量时，主要干扰来自海面干涉的影响，这时波束输出序列的功率谱为：
Figure BDA0002454694770000032
其中Gxx(f)为源信号的功率谱，g1、g2分别为直达波和海面反射波的路径增益因子，(τr-τd)为海面反射波与直达波的时延差。由于目标船运动，多途时延差τr-τd随时间变化，功率谱密度的包络是时变的；直达波与海面反射波信号干涉叠加的结果，在时频域上，形成明暗相间的干涉频率条纹，干涉频率为：
fm(t)＝m/(τr-τd) (1)
其中m为整数，(τr-τd)为海面反射波与直达波的时延差
Figure BDA0002454694770000033
其中
Figure BDA0002454694770000034
为目标船与接收阵的水平距离，v为目标船速度，R0为目标船的最近点距离，t0为目标船过最近点的时间，Hr、Hs分别为接收阵和目标船的深度，c为声速。
步骤(4)在线提取干涉谱中的干涉频率条纹：采用检测前跟踪方法，沿目标运动方向进行干涉谱的积累，对累积的干涉谱检测极大值点，对每帧数据在线提取极大值点对应的干涉频率。
步骤(5)估计目标距离：利用声强、干涉频率与目标船距离的关系,计算各时刻目标距离,并获得目标运动信息。步骤(5)中存在的关系如下：
声强与目标船距离的关系为：
Figure BDA0002454694770000041
由(1)、(2)式得干涉频率与目标船距离的关系为:
Figure BDA0002454694770000042
由(3)、(4)式，可以求解出目标船过最近点的时刻t0、目标船速度v、最近点距离R0和深度Hs，进而得到运动目标船的实时距离。
更进一步的说，上述实施例中，如图1-4所示，其中图1为被测目标船运动示意图。图2为由波束输出序列计算得到的时频干涉谱，直达波与海面反射波相互干涉的结果，在200～2000Hz频带内形成3个干涉频率条纹，干涉频率条纹中最小干涉频率对应的时间即为目标船过最近点的时刻，由图中可见过最近点的时刻约为18s，理论值为18.2s，二者数据吻合。图3给出了1000次蒙特卡洛仿真斜距测量的散点分布图，图中斜距真值为93.95米，图4给出了1000次蒙特卡洛仿真速度测量的散点分布图，图中速度真值为6m/s，由图3和图4可知，本发明方法可以实现有效的测距和测速，并减小干涉频率估计误差对测距性能的影响，提高测距的稳健性。

Claims (6)

1.一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法，其特征在于,包括以下步骤：
(1)利用接收基阵接收被测运动目标船辐射的宽带噪声信号；
(2)对接收到的阵列信号进行波束形成，估计被测目标船辐射噪声的声强；
(3)计算不同时刻波束输出序列的功率谱，合成浅海低频声场时频干涉谱；
(4)采用检测前跟踪方法在线提取干涉谱中的干涉频率条纹；
(5)根据干涉频率、声强与目标船距离的关系，得到运动目标船的实时距离，并获得目标船的运动信息。
2.根据权利要求1所述的基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法，其特征在于，所述步骤(2)被测目标船辐射噪声的声强计算表达式如下：
Figure FDA0002712027790000011
其中x(n)为波束输出序列，η为水听器灵敏度的倒数，N为样本长度，N由计算声强时所用测量数据的时间长度和采样频率计算确定。
3.根据权利要求1所述的基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法，其特征在于，步骤(3)对各帧波束输出数据做FFT变换，计算功率谱,综合各帧数据的功率谱得到时频干涉谱。
4.根据权利要求1所述的基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法，其特征在于，所述步骤(4)采用检测前跟踪方法提取干涉频率，通过干涉谱谱峰沿目标运动方向的积累，实现谱峰的自动跟踪和干涉频率条纹的实时在线提取。
5.根据权利要求1所述的基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法，其特征在于，所述步骤(5)中声强与目标船距离的关系表达式如下：
Figure FDA0002712027790000012
其中，A是声源强度，R(t)为被测目标船与接收阵间的斜距。
6.根据权利要求1所述的基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法，其特征在于，所述步骤(5)中对于直达波与反射波的干涉频率与目标船距离的关系式如下：
Figure FDA0002712027790000013
其中m为整数，Rd(t)和Rr(t)分别为t时刻直达波和反射波的传播路径距离，fm(t)为第m个干涉频率条纹在t时刻的频率值，c为声速。
CN202010302969.XA 2020-04-17 2020-04-17 一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法 Active CN111458678B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010302969.XA CN111458678B (zh) 2020-04-17 2020-04-17 一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010302969.XA CN111458678B (zh) 2020-04-17 2020-04-17 一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111458678A CN111458678A (zh) 2020-07-28
CN111458678B true CN111458678B (zh) 2021-01-05

Family

ID=71678078

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010302969.XA Active CN111458678B (zh) 2020-04-17 2020-04-17 一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111458678B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112083404B (zh) * 2020-09-22 2021-05-18 中国科学院声学研究所 一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法
CN112924926B (zh) * 2021-01-27 2021-11-02 东南大学 一种多途信道下的doa估计方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4942363A (en) * 1989-04-25 1990-07-17 Philip Morris Incorporated Apparatus and method for measuring two properties of an object using scattered electromagnetic radiation
US7248370B2 (en) * 2005-03-07 2007-07-24 Caleb Brett Usa, Inc. Method to reduce background noise in a spectrum
CN105589066B (zh) * 2015-12-14 2018-01-09 西北工业大学 一种利用垂直矢量阵估计水下匀速运动航行器参数的方法
CN107085216A (zh) * 2017-04-20 2017-08-22 国家海洋局第三海洋研究所 一种基于单水听器的深海水声被动测距测深方法
CN110471032B (zh) * 2019-08-29 2022-05-17 天津大学 一种水下目标被动定位的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111458678A (zh) 2020-07-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112083404B (zh) 一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法
CN111580048B (zh) 一种利用单矢量水听器的宽带声源深度估计方法
CN113109817B (zh) 一种矢量水听器布放深度估计方法
CN105589066B (zh) 一种利用垂直矢量阵估计水下匀速运动航行器参数的方法
CN107179535A (zh) 一种基于畸变拖曳阵的保真增强波束形成的方法
CN108828522A (zh) 一种利用垂直阵lcmv波束形成的水下目标辐射噪声测量方法
CN111458678B (zh) 一种基于时频干涉谱和辐射噪声声强测量的被动测距方法
CN109444864B (zh) 一种深海微弱多目标深度长时累积估计方法
CN104820218B (zh) 一种基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法
CN104678384B (zh) 一种波束域的声压差互相关谱分析水下目标速度估计方法
CN109669160B (zh) 一种水下瞬态声信号的检测方法
CN116609725B (zh) 一种利用深海垂直阵的窄带线谱目标深度估计方法及系统
Yang et al. Analysis on the characteristic of cross-correlated field and its potential application on source localization in deep water
CN111257943B (zh) 一种浅海低频声场时频干涉条纹提取方法
CN113687308A (zh) 一种基于弯曲波的冰上震源定位方法
CN110048795B (zh) 一种地震仪采集数据时钟的方法及装置
Hursky et al. High-frequency (8–16 kHz) model-based source localization
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
CN115902849A (zh) 一种基于波束输出强度重采样的深海声源深度估计方法
CN115242583A (zh) 一种基于水平线列阵的信道脉冲响应被动估计方法
CN112924926B (zh) 一种多途信道下的doa估计方法
CN112684437A (zh) 一种基于时域warping变换的被动测距方法
CN112466330B (zh) 一种多途信道下噪声源的声源级估计方法
CN117169816B (zh) 一种深海声影区宽带声源被动定位方法、介质及系统
CN113075645A (zh) 一种基于主成分分析-密度聚类的畸变阵形线谱增强方法

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