CN111679246B - 一种三维运动平台搭载的小尺度阵高分辨测向方法 - Google Patents

Abstract

一种三维运动平台搭载的小尺度阵高分辨测向方法，涉及水声探测技术领域。本发明是为了解决现有海洋开发三维运动平台对探测性能影响大，搭载的不规则小型声学阵列探测能力低、分辨力差的问题。本发明给出了一种先进行阵元坐标修正，将测量模型转换到大地坐标系再进行一维方位测量的方法，然后，利用反卷积波束形成处理提供小尺度阵的分辨能力。本发明适合应用于获得去除了载体运动影响后的目标在大地坐标系下真实的方位测量结果。

Description

一种三维运动平台搭载的小尺度阵高分辨测向方法

技术领域

本发明属于水声探测和阵列信号处理技术领域，尤其涉及测向方法。

背景技术

近年来，随着海洋开发技术的发展，越来越多的水下三维运动平台被应用到海洋深处进行科学探索研究，例如UUV平台、水下滑翔机平台等等。声纳是水下移动平台搭载的重要探测设备之一，利用声纳设备可以对水中的声学目标进行探测和定位。声纳设备在对目标进行探测时不可避免的会受到搭载平台的影响。这种影响主要体现在两个方面：一是平台的运动对探测产生的影响，水下滑翔机等三维运动平台与水面船等二维运动开发平台相比其运动态势更复杂，对探测性能的影响更大；二是搭载平台会对基阵形态和尺寸产生影响，UUV或水下滑翔机等海洋开发平台尺度较小，搭载能力有限，搭载声纳基阵尺寸小，小尺度阵列常规处理存在探测能力低分辨力差等问题。此外，为了充分利用布阵空间，探测声纳阵列经常需要采用不规则形状的共形阵。

针对上述三维运动平台搭载的不规则形状小尺度阵列探测问题，现有技术中给出了可以直接获得远距离目标在大地坐标系下水平方位角高分辨测向方法。目前对运动平台高精度测向方法研究的主要文献有：《基于运动平台的高精度测向和定位》，张洪义，西安电子科技大学硕士论文(以下简称文献1)。还有对罗经姿态修正方法进行了研究的《采用姿态修正的单矢量水听器远场测向技术》，牛嗣亮、张振宇、胡永明、倪明，声学技术.2008，(以下简称文献2)。

文献1论文对以飞机为载体的机载侦察系统对目标的测向和定位问题进行了研究，其应用环境和测向方法并不适用于三维运动平台搭载的不规则形状小尺度阵列探测环境。

文献2对单矢量水听器发生转动情况下的目标真方位测量问题进行了研究。与小尺度声压阵应用问题不同，其采用的测向方法是基于矢量水听器的测向方法。

发明内容

本发明是为了解决现有海洋开发三维运动平台对探测性能影响大，搭载的不规则小型声学阵列探测能力低、分辨力差的问题，现提供一种适用于三维运动的水下平台所搭载的任意形状声学阵列对远距离目标进行大地坐标下的真方位测向方法。

一种三维运动平台搭载的小尺度阵高分辨测向方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：利用坐标修正矩阵将每个载体坐标系下的阵元位置坐标修正为大地坐标系下的阵元位置坐标，所述坐标修正矩阵由罗经数据生成、并记录在罗经系统内部；

步骤二：利用大地坐标系下的阵元位置坐标生成点扩散函数字典

步骤三：利用大地坐标系下的阵元位置坐标对阵列接收信号进行远场常规波束形成，获得常规波束形成空间谱输出结果P(θ)；

步骤四：对常规波束形成空间谱输出结果P(θ)和点扩散函数字典

进行反卷积处理，获得高分辨空间谱输出结果

进一步的，上述步骤一具体如下：

利用位于载体坐标系中心的罗经分别测得当前时刻三维运动平台的航向角α、纵倾角β和横滚角γ；

利用下式将第i个阵元在载体坐标系下的阵元位置坐标

修正为第i个阵元在大地坐标系下的阵元位置坐标

其中，i＝1,2,...M,M为阵元总数，

A为坐标修正矩阵，

进一步的，上述步骤二中，根据下式生成点扩散函数字典

其中，

和a(θ)分别为

和θ方向来波的导向矢量，θ为空间扫描水平方位角，θ所在方向为空间扫描方向，

为目标水平方位角，

所在方向为指向的目标方向，M为阵元总数，H表示共轭转置。

进一步的，上述步骤三中，常规波束形成空间谱输出结果P(θ)为：

P(θ)＝a(θ)^HRa(θ)

其中，a(θ)为θ方向来波的导向矢量，θ为空间扫描水平方位角，θ所在方向为空间扫描方向，R＝E[XX^H]为阵列接收信号的协方差矩阵，E[·]表示求N次数学平均，N为观测时间内的独立快拍数，H表示共轭转置，X为小尺度阵接收到的声信号矩阵。

进一步的，上述

和a(θ)分别为：

其中，j为虚数单位，f为频率，

为

方向来波分别到达第i个阵元与坐标原点补偿的时延差，τ_i(θ)为θ方向来波分别到达第i个阵元与坐标原点补偿的时延差，i＝1,2,...M，

τ_i(θ)＝-(x_i cosθ+y_i sinθ)/c

(x_i,y_i)为大地坐标系下第i个阵元的坐标，c为水中的声速。

进一步的，上述步骤四中，反卷积处理的公式为：

其中，n为反卷积处理的迭代次数，

和

分别为第n+1次和第n次迭代获得的高分辨空间谱输出结果，

为归一化后的点扩散函数字典，

为归一化后的常规波束形成空间谱输出结果，θ为空间扫描水平方位角，

为目标水平方位角；

取高分辨空间谱输出结果初始值

当下式成立时，迭代停止，则取

为目标高分辨空间谱输出结果

其中，L[]表示Csiszar鉴别，ε为迭代停止的均方误差门限值。

进一步的，上述归一化后的点扩散函数字典

和归一化后的常规波束形成空间谱输出结果

分别为：

其中，M(θ)为与扫描角度有关的归一化系数，

本发明的有益效果：

本发明提出了一种适用于搭载于水下三维运动平台的小尺度阵列对远距离目标进行探测和测向的方法，给出了一种先进行阵元坐标修正，将测量模型转换到大地坐标系再进行一维方位测量的方法，然后，利用反卷积波束形成处理提高小尺度阵的分辨能力。本发明与直接在载体坐标系应用反卷积处理的方法不同的是：由于本方法修正了载体三维运动带来的反卷积字典失配问题，相比于直接在载体坐标系进行反卷积处理，本发明能够明显改善反卷积处理效果，对旁瓣抑制效果更好。本发明适合应用于获得去除了载体运动影响后的目标在大地坐标系下真实的方位测量结果。

附图说明

图1是本发明所述的一种三维运动平台搭载的小尺度阵高分辨测向方法的流程图；

图2是三维运动平台阵列坐标系示意图；

图3是姿态角示意图；

图4是仿真阵列形状示意图；

图5是图4的阵型情况下预测的PSF字典显示图；

图6是搭载平台水下运动航迹示意图；

图7是平台运动时罗经的航向角信息图

图8是平台运动时罗经的横滚角和纵倾角信息图；

图9是在载体坐标系下进行常规波束形成的空间谱测量处理结果图；

图10是阵元修正后在大地坐标系的常规波束形成空间谱测量结果图；

图11是直接在载体坐标系下进行反卷积处理得到的反卷积波束形成空间谱测量结果图；

图12是阵元修正后在大地坐标系的反卷积波束形成空间谱测量结果图。

具体实施方式

大多数动平台搭载的阵列对远距离目标探测时，传统阵处理方法是采用简化的测量模型，远距离目标的俯仰角近似为来自水平方向，仅测量水平方位角信息。这种方式在测量时先进行载体坐标系下的直接测量，然后再将结果修正为大地坐标的测量结果即可。对于舰船等二维运动搭载的阵列先在载体坐标系测量再修正的方法与先修正再测量在探测和测量性能上相差不大，且先测量再修正的计算量小。但是与二维运动平台情况不同的是，水下平台是三维运动模型，当平台运动导致阵列发生大角度俯仰角和横滚角倾斜时远距离目标俯仰角也是不断变化的，不能简单等效为俯仰角来自水平方向指进行水平方位角扫描测量。为此，本发明提供以下实施方式对三维运动平台搭载的小尺度阵列进行测量。

具体实施方式一：参照图1至图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种三维运动平台搭载的小尺度阵高分辨测向方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：利用坐标修正矩阵将每个载体坐标系下的阵元位置坐标修正为大地坐标系下的阵元位置坐标，所述坐标修正矩阵由罗经数据生成、并记录在罗经系统内部。具体如下：

如图2所示，建立三维运动平台阵列坐标系。其中x,y,z轴构成的坐标系表示的是大地坐标系，φ和

分别为目标相对于大地坐标系的水平方位角和俯仰角，采用北东地坐标，水平方位角为与正北方向偏东的夹角，俯仰角为与z轴正向的夹角。x',y',z'轴构成的坐标系为载体坐标系，φ'和

分别为目标相对于载体坐标系的水平方位角和俯仰角。载体坐标系下的阵元坐标是已知且不变的，大地坐标系下的阵元坐标却需要经过坐标转换才能够得到，并且随着平台运动是变化的。

首先，利用位于载体坐标系中心的罗经分别测得当前时刻三维运动平台的航向角α、纵倾角β和横滚角γ，如图3所示；

然后，利用下式将第i个阵元在载体坐标系下的阵元位置坐标

修正为第i个阵元在大地坐标系下的阵元位置坐标

其中，i＝1,2,...M,M为阵元总数，

A为坐标修正矩阵，

步骤二：利用大地坐标系下的阵元位置坐标生成点扩散函数(PSF)字典

具体为：

得到大地坐标系下位置坐标后，按照大地坐标系下阵列的空间位置模型给出关于水平方位角的PSF字典，PSF字典由假设目标在0°～360°中各个不同角度得到的所有角度的波束图组成。则根据下式生成点扩散函数字典

其中，

和

分别为

和θ方向来波的导向矢量，θ为空间扫描水平方位角，θ所在方向为空间扫描方向，

为目标水平方位角，

所在方向为指向的目标方向，M为阵元总数，H表示共轭转置。

根据上式遍历所有θ和

的角度即能够得到完整的PSF字典

如图5所示。

步骤三：利用大地坐标系下的阵元位置坐标对阵列接收信号进行远场常规波束形成，获得常规波束形成空间谱输出结果P(θ)。具体如下：

按照图2所示的几何模型，对任意阵进行当前时刻的常规波束形成处理，常规波束形成空间谱输出结果P(θ)为：

P(θ)＝a(θ)^HRa(θ)

其中，R＝E[XX^H]为阵列接收信号的协方差矩阵，E[·]表示求N次数学平均，N为观测时间内的独立快拍数，H表示共轭转置。在t时刻小尺度阵列接收的声信号X(t)为：

X(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_M(t)]^T。

上述

和a(θ)分别为：

其中，j为虚数单位，f为频率，

为

方向来波分别到达第i个阵元与坐标原点补偿的时延差，τ_i(θ)为θ方向来波分别到达第i个阵元与坐标原点补偿的时延差，i＝1,2,...M，

τ_i(θ)＝-(x_i cosθ+y_i sinθ)/c

(x_i,y_i)为大地坐标系下第i个阵元的坐标，c为水中的声速。

步骤四：对常规波束形成空间谱输出结果P(θ)和点扩散函数字典

进行反卷积处理，获得高分辨空间谱输出结果

具体如下：

反卷积处理公式有很多种，本实施方式以R-L算法举例进行说明，本实施方式中给出一种反卷积处理的公式为：

其中，n为反卷积处理的迭代次数，

和

分别为第n+1次和第n次迭代获得的高分辨空间谱输出结果，

为归一化后的点扩散函数字典，

为归一化后的常规波束形成空间谱输出结果；

由于R-L算法是一个迭代的过程，当

和每次迭代得到的反卷积空间谱估计得到的

值之差越小，则认为迭代得到的

值最接近真实的声源分布情况。而迭代的次数则能够通过最小均方误差来决定，即当

和

的均方误差小于迭代停止的均方误差门限ε时，则停止迭代。

取高分辨空间谱输出结果初始值

当下式成立时，

迭代停止，则取

为目标高分辨空间谱输出结果

其中，L[]表示Csiszar鉴别，用于度量两个非负实函数的差异性；具体的，任意两个非负实函数p(x)和q(x)的Csiszar鉴别定义如下：

其中，L[p(x),q(x)]即表示两个向量的空间距离。

归一化后的点扩散函数字典

和归一化后的常规波束形成空间谱输出结果

分别为：

其中，M(θ)为与扫描角度有关的归一化系数，

图6到图10给出的是采用图4所示的小型阵列搭载于水下滑翔机平台的情况下，本实施方式所述方法的处理效果图。仿真中，图6为水下滑翔机平台的水下运动态势，图7和图8是水下滑翔机在图6所示的运动态势情况下罗经测得的航向角(heading)、纵倾角(Pitch)和横滚角(Roll)信息。假设目标真方位为150°的远距离静止目标，目标信号频率6kHz，带内信噪比10dB。图9为在载体坐标系下直接采用常规处理方法得到的常规波束形成空间谱，那么观察图9能够发现：由于平台自身的三维运动导致对目标估计的角度是变化的，在载体坐标系下的测量只能得到目标相对于载体阵列的方位信息，无法得到目标在大地坐标系下的真方位变化情况，这不利于对目标本身的运动态势进行判断。图10是阵元修正后在大地坐标系的常规波束形成空间谱测量结果，可见将各个阵元位置修正为大地坐标系坐标后再进行常规波束形成处理得到的空间谱已经去除了平台运动对目标方位的影响，可以得到目标在大地坐标系下的真方位信息。图11是直接在载体坐标系下进行反卷积处理得到的反卷积波束形成空间谱测量结果。图12是阵元修正后在大地坐标系的反卷积波束形成空间谱测量结果。由图11和图12可见，经过反卷积波束形成处理得到的空间谱主瓣明显变窄，旁瓣级也明显降低了，明显提高了小尺度阵对目标探测的分辨能力。另外，对比图11和图12可见，修正坐标系的反卷积处理结果可以去除平台运动本身多目标角度测量的影响，并且在大地坐标系下的处理结果图12的旁瓣级比图11更低。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种三维运动平台搭载的小尺度阵高分辨测向方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：利用坐标修正矩阵将每个载体坐标系下的阵元位置坐标修正为大地坐标系下的阵元位置坐标，所述坐标修正矩阵由罗经数据生成、并记录在罗经系统内部；

步骤二：利用大地坐标系下的阵元位置坐标生成点扩散函数字典

步骤三：利用大地坐标系下的阵元位置坐标对阵列接收信号进行远场常规波束形成，获得常规波束形成空间谱输出结果P(θ)；

步骤四：对常规波束形成空间谱输出结果P(θ)和点扩散函数字典

进行反卷积处理，获得高分辨空间谱输出结果

步骤二中，根据下式生成点扩散函数字典

其中，

和a(θ)分别为

和θ所在方向来波的导向矢量，θ为空间扫描水平方位角，θ所在方向为空间扫描方向，

为目标水平方位角，

所在方向为指向的目标方向，M为阵元总数，H表示共轭转置；

和a(θ)分别为：

其中，j为虚数单位，f为频率，

为

方向来波分别到达第i个阵元与坐标原点补偿的时延差，τ_i(θ)为θ方向来波分别到达第i个阵元与坐标原点补偿的时延差，i＝1,2,...M，

τ_i(θ)＝-(x_i cosθ+y_i sinθ)/c

(x_i,y_i)为大地坐标系下第i个阵元的坐标，c为水中的声速。

2.根据权利要求1所述的一种三维运动平台搭载的小尺度阵高分辨测向方法，其特征在于，步骤一具体如下：

利用位于载体坐标系中心的罗经分别测得当前时刻三维运动平台的航向角α、纵倾角β和横滚角γ；

利用下式将第i个阵元在载体坐标系下的阵元位置坐标

修正为第i个阵元在大地坐标系下的阵元位置坐标

其中，i＝1,2,...M,M为阵元总数，

A为坐标修正矩阵，

3.根据权利要求1所述的一种三维运动平台搭载的小尺度阵高分辨测向方法，其特征在于，步骤三中，常规波束形成空间谱输出结果P(θ)为：

P(θ)＝a(θ)^HRa(θ)

其中，a(θ)为θ方向来波的导向矢量，θ为空间扫描水平方位角，θ所在方向为空间扫描方向，R＝E[XX^H]为阵列接收信号的协方差矩阵，E[·]表示求N次数学平均，N为观测时间内的独立快拍数，H表示共轭转置，X为小尺度阵接收到的声信号矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种三维运动平台搭载的小尺度阵高分辨测向方法，其特征在于，步骤四中，反卷积处理的公式为：

其中，n为反卷积处理的迭代次数，

和

分别为第n+1次和第n次迭代获得的高分辨空间谱输出结果，

为归一化后的点扩散函数字典，

为归一化后的常规波束形成空间谱输出结果，θ为空间扫描水平方位角，

为目标水平方位角；

取高分辨空间谱输出结果初始值

当下式成立时，迭代停止，则取

为目标高分辨空间谱输出结果

其中，L[]表示Csiszar鉴别，ε为迭代停止的均方误差门限值。

5.根据权利要求4所述的一种三维运动平台搭载的小尺度阵高分辨测向方法，其特征在于，归一化后的点扩散函数字典

和归一化后的常规波束形成空间谱输出结果

分别为：

其中，M(θ)为与扫描角度有关的归一化系数，

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