CN111580079B - 一种基于单矢量水听器的水下运动目标最近接近距离估计方法 - Google Patents

一种基于单矢量水听器的水下运动目标最近接近距离估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于海洋声学技术领域，涉及一种水下运动目标最近接近距离估计方法。该方法包括：利用单矢量水听器接收到的声场信息估计目标在等间隔的三个时刻的方位角，根据估计的方位角得到目标航向角的估计值；根据水平波数谱特征，利用合成孔径波束形成方法估计目标径向速度；根据目标方位角、航向角、及径向速度的估计值，利用几何方程计算目标最近接近距离。本发明的方法，解决了现有技术无法通过单矢量水听器估计水下运动目标距离的问题；在估计航向角时，采用等时间间隔方位采样并进行几何计算，过程严谨；采用水平波数谱特征，并利用合成孔径波束形成方法估计目标径向速度，具有严格的理论依据；依据几何关系计算最近接近距离，得到的结果准确。

Description

一种基于单矢量水听器的水下运动目标最近接近距离估计 方法
技术领域
本发明属于海洋声学技术领域，涉及一种水下运动目标最近接近距离估计方法。
背景技术
水下目标被动定位或测距长期以来一直是水声科学研究的热点与难点。截至目前，水声定位技术主要有以下几种：三子阵法、匹配场法、匹配模态法、波导不变量法、时间反转镜法和目标运动分析法等。
(1)三子阵法：该方法的核心是利用几何关系估计声源水平距离，即将一个水平接收线阵分成三个子阵，利用声源信号到达子阵不同阵元的时间差，估计子阵上声源信号的到达角度；如此，由三个子阵的中心出发，并沿着相应的到达角度，可以得到三条声线，那么三条声线的交汇点，便是声源位置，进而可以得到声源到接收线阵中心的水平距离信息。该方法的最大优势是方便、直接，但是其在海洋波导中的应用通常会受到环境因素的制约。
(2)匹配场法：该方法利用海洋信道的环境参数及声传播特性，通过水下声场模型计算得到接收基阵的声场幅度和相位，形成拷贝场向量，并与基阵接收数据进行匹配，从而实现对水下声源距离和深度的估计。该方法理论上适用于任意浅海波导，但需要预先获知所关注海域水体及底质的声学参数信息。声场仿真计算时需要预先对所关注区域作网格划分，然后逐次遍历可能的声源位置，工作量较大。
(3)匹配模态法：该方法的核心思想是认为声源的距离和深度信息均包含在模态的幅度中，首先利用声场模型计算波导的声模态，然后结合垂直阵接收的声压数据，通过模态分解得到各模态的幅度值。对模态的幅度值作关于水平距离的波束形成，波束输出峰值对应的水平距离即为声源到接收的水平距离。该方法的优点在于不需要精确预知海洋环境参数、不受模态相位起伏及阵列倾斜的影响。但是，其前提条件是可靠地估计出声模态的幅度，而且不适用于水体中的模态数少于3阶的情形。
(4)波导不变量法：该方法的核心思想是声强干涉条纹中蕴含着海洋环境和声源的信息，在波导不变量已知情况下，只要获得声强在距离–频率平面干涉条纹的斜率就可以估计出声源到接收器的距离。该方法唯一需提前已知的与环境有关的参数只有波导不变量。但是干涉条纹斜率的提取需要一定的空间尺度，因此其前提是需要一定的水平孔径。
(5)时间反转镜法：采用一条垂直线阵接收假想位置处声源辐射产生的声场信息，在信道互易性假设前提下，如果垂直线阵各阵元作为声源把接收到声场的幅度和相位反传回去，那么必然会在假想声源位置处形成聚焦。因而可以把关注的声源位置区域做网格划分，按照上述原理逐个搜索，声场聚焦最大的位置即为声源。该方法除了依赖环境参数之外，实际操作中还需要配备一条具有时间反转功能的垂直线阵，硬件要求很高。
(6)目标运动分析法：是一种被动定位方法，主要通过一系列的观测数据拟合目标运动轨迹。纯方位目标运动分析法只利用观测平台得到的目标方位来估计目标的距离、航速、航向等运动要素，单个基阵使用纯方位目标运动分析法实现测距的前提条件是基阵需要机动至少一次。在平台不能机动的情况下，衍生出基于方位-多普勒频率测量、空间-时间积累、方位-时延差测量的目标运动分析法，以及多基阵方位测量融合技术等方法。以上方法的共同点是利用多维信息克服纯方位信息无法完成目标测距问题。基于方位-多普勒频率测量的方法，需要提取目标的多普勒频移信息，且要求的频率估计精度很高，故只适用于目标高速运动时的距离估计；基于空间-时间积累的方法需要目标轨迹的先验信息；基于方位-时延差测量和多基阵方位测量融合的方法都需要至少两套基阵，硬件条件较高。
矢量水听器由声压传感器和振速传感器组合而成，能够共点同步测量水下声场空间一点处的声压和质点振速的三个正交分量，将矢量水听器接收到的水下声场的声压与振速信息进行联合信号处理，可以估计目标的方位。单个矢量水听器具有体积小、布放方式简单和隐蔽性好等诸多优点，越来越受到国内外科研院所及军事机构的关注。现有技术中，目前尚未有利用单矢量水听器估计水下运动目标最近接近距离的相关报道。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种水下运动目标最近接近距离估计方法，充分利用单矢量水听器接收的声场信息，并通过几何关系的推导，估计出水下运动目标最近接近距离，方法简单，精度高。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：基于单矢量水听器的水下运动目标最近接近距离估计方法，包括：
(1).利用单矢量水听器接收到的声场信息估计目标在等间隔的三个时刻的方位角，根据估计的方位角得到目标航向角的估计值：
(2).根据水平波数谱特征，利用合成孔径波束形成方法估计目标径向速度；进而估计目标实际运动速度；
(3).根据目标方位角、航向角、及实际运动速度的估计值，利用几何方程计算目标最近接近距离。
作为本发明的一种优选方式，所述步骤(1)中，估计航向角的几何关系式为：
Figure GDA0003825481300000031
其中，
Figure GDA0003825481300000032
和
Figure GDA0003825481300000033
分别为目标在等间隔的三个时刻方位角的估计值，
Figure GDA0003825481300000034
进一步优选地，所述步骤(2)中，
当目标方位角
Figure GDA0003825481300000035
时，目标实际运动速度估计值为：
Figure GDA0003825481300000036
当目标方位角
Figure GDA0003825481300000037
时，目标实际运动速度估计值为：
Figure GDA0003825481300000038
其中，
Figure GDA0003825481300000039
为目标穿过最近接近点时的方位角的估计值；
Figure GDA00038254813000000310
为目标径向速度估计值。
进一步优选地，目标最近接近距离的计算几何方程为：
Figure GDA00038254813000000311
其中：t1、t2为连续的两个时刻。
本发明的基于单矢量水听器的水下运动目标最近接近距离估计方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明解决了现有技术无法通过单矢量水听器估计水下运动目标距离的问题。
2、在估计航向角时，采用等时间间隔方位采样并进行几何计算，过程严谨。
3、估计水下目标的航速时采用水平波数谱特征，并利用合成孔径波束形成方法估计目标径向速度，具有严格的理论依据。
4、在计算最近接近距离时依据严格的几何关系，得到的结果准确。
附图说明
图1是本发明实施例中基于单矢量水听器的水下运动目标最近接近距离估计方法的流程图；
图2水平面内坐标系示意图；
图3(a)为目标航向角估计值
Figure GDA0003825481300000041
的情形下目标实际运动速度反演几何示意图；
图3(b)为目标航向角估计值
Figure GDA0003825481300000042
的情形下目标实际运动速度反演几何示意图；
图4目标运动轨迹分段估计示意图；
图5为实施例中目标方位角估计结果；
图6为实施例中目标航向角估计结果；
图7为实施例中目标径向速度估计结果；
图8为实施例中目标实际运动速度估计曲线；
图9为实施例中目标最近通过距离估计曲线。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
本发明提供的其中一个实施例是：一种基于单矢量水听器的水下运动目标最近接近距离估计方法，该方法流程如图1所示，具体步骤为：
一、利用目标方位角估计航向角
假设水下目标做匀速直线运动(由东南向西北航行)，建立图2所示的坐标系，其中目标方位角记为θ，方向定义为x轴正方向为0度、逆时针旋转为正；目标航向角记为α，方向定义为y轴正方向为0度，顺时针旋转为正。
另假设目标轨迹在y轴的截距记为b，则目标的运动轨迹方程可写为y＝tan(π/2-α)x+b。
依次在等间隔的三个时刻t＝t1、t2、t3，利用矢量水听器接收到的声场信息估计目标在这三个时刻方位角θ1、θ2和θ3，估计结果依次记为
Figure GDA0003825481300000051
和
Figure GDA0003825481300000052
再假设目标在三个时刻的位置坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)和(x3,y3)，则有x1-x2＝x2-x3，y1-y2＝y2-y3。
由几何关系得出：
Figure GDA0003825481300000053
对于目标的航向角，则有
Figure GDA0003825481300000054
联立(1)、(2)两式，并依据等时间间隔关系，利用估计的方位角
Figure GDA0003825481300000055
和
Figure GDA0003825481300000056
可以得到目标航向角的估计值：
Figure GDA0003825481300000057
其中
Figure GDA0003825481300000058
二、估计目标实际运动速度
根据水平波数谱特征，利用合成孔径波束形成方法估计目标径向速度，进行仿真验证及试验数据处理。
目标刚好穿过最近接近点(the closest point of approaching，简称CPA)时，其方位角记为θ0，容易发现此时的方位角与目标的航向角互为补角，则有α+θ0＝π。
根据上述步骤得到的航向角估计值
Figure GDA0003825481300000059
可求得最近接近点对应的方位角：
Figure GDA00038254813000000510
1、对于目标航向角估计值
Figure GDA0003825481300000061
的情形，如图3(a)，经过运算可知：
(1)当目标方位角
Figure GDA0003825481300000062
时，目标实际运动速度估计值为：
Figure GDA0003825481300000063
(2)当目标方位角
Figure GDA0003825481300000064
时，目标实际运动速度估计值为：
Figure GDA0003825481300000065
2、对于目标航向角
Figure GDA0003825481300000066
的情形，如图3(b)，经计算后发现(4)式和(5)式仍然分别成立。
三、利用几何方程计算目标最近通过距离
如图4所示，直接利用t＝t1、t2时刻估计的目标方位角
Figure GDA0003825481300000067
可以得到目标在这两个时刻的视向路径所满足的直线方程：
Figure GDA0003825481300000068
利用前面估算得到的目标航向角，得出目标轨迹对应的直线方程：
Figure GDA0003825481300000069
联立(6)、(7)两式，得到目标在t1和t2时刻的位置坐标：
Figure GDA00038254813000000610
两点之间的线段长度等于目标在该时段内的运动距离，即
Figure GDA00038254813000000611
将式(8)代入式(9)，经计算得到：
Figure GDA0003825481300000071
由式(10)可得目标的最近通过距离估计值为：
Figure GDA0003825481300000072
为了评估本发明提供的基于单矢量水听器的水下运动目标最近接近距离估计方法的精度，本发明申请人进行了验证试验，利用2018年度南海某次试验中的单矢量水听器潜标数据对本发明的方法得出的估计值进行验证。验证过程及结果如下：
1、运动目标航向角估计值的验证
应用本发明的方法，得到目标方位角的估计值如图5中虚线所示，该结果与AIS数据(实线)在大部分时段内基本吻合。
利用长度可变的窗函数滑动截取不同时刻估计的方位角信息，得到不同时间间隔的目标航向角，并通过直方图加权估计得到的曲线如图6所示。取中值后，得到目标航向角的估计值为
Figure GDA0003825481300000073
2、目标实际运动速度估计值的验证
本发明利用目标的水平波数谱特征，并基于合成孔径波束形成的方法，得到的目标径向速度估计结果如图7所示。
目标实际运动速度估计曲线示于图8中，取中值后，得到
Figure GDA0003825481300000074
该结果与AIS数据(实线)v＝7.46m/s接近。
3、目标最近接近距离估计的验证
本发明将上述航线角、运动速度的估计结果代入式(11)，估计得到了图9所示的目标最近接近距离估计曲线，取中值后得
Figure GDA0003825481300000075
由AIS系统得到的真实值为dmin＝15.8km，本发明方法的估计误差为：
Figure GDA0003825481300000076
实现了对目标最近接近距离的准确估计。

Claims (1)

1.基于单矢量水听器的水下运动目标最近接近距离估计方法，其特征在于，包括：
(1).利用单矢量水听器接收到的声场信息估计目标在等间隔的三个时刻的方位角，根据估计的方位角得到目标航向角的估计值；估计航向角的几何关系式为：
Figure FDA0003825481290000011
其中，
Figure FDA0003825481290000012
和
Figure FDA0003825481290000013
分别为目标在等间隔的三个时刻方位角的估计值，
Figure FDA0003825481290000014
(2).根据水平波数谱特征，利用合成孔径波束形成方法估计目标径向速度；进而估计目标实际运动速度；
当目标方位角
Figure FDA0003825481290000015
时，目标实际运动速度估计值为：
Figure FDA0003825481290000016
当目标方位角
Figure FDA0003825481290000017
时，目标实际运动速度估计值为：
Figure FDA0003825481290000018
其中，
Figure FDA0003825481290000019
为目标穿过最近接近点时的方位角的估计值；
Figure FDA00038254812900000110
为目标径向速度估计值；
(3).根据目标方位角估计值
Figure FDA00038254812900000111
航向角估计值
Figure FDA00038254812900000112
及实际运动速度的估计值
Figure FDA00038254812900000113
利用几何方程计算目标最近接近距离，计算几何方程为：
Figure FDA00038254812900000114
其中：t1、t2为连续的两个时刻。
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