CN112083373B - 一种单矢量水听器被动定位及航迹预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水声目标被动定位技术领域，具体涉及一种单矢量水听器被动定位及航迹预测方法。本发明弥补了现有方法只估计目标相对速度实现目标定位的局限性，为降低海洋环境先验信息依赖性提供新方法。本发明可以对匀速直线运动目标利用单矢量水听器实现目标绝对速度和距离的测量，以此为依据预测目标的后续航迹，并且不需事先确定海洋环境信息。本发明利用第二种干涉条纹方程，很大程度上降低对海洋环境先验信息的需求。作为水声定位领域的发明，本发明有利于在小平台安装有利于自主化探测设备的发展。

Description

一种单矢量水听器被动定位及航迹预测方法

技术领域

本发明属于水声目标被动定位技术领域，具体涉及一种单矢量水听器被动定位及航迹预测方法。

背景技术

在水声领域，被动定位技术有着良好的隐蔽性，单水听器具有其布防便利性的优点，因此单水听器被动定位具有非常好的应用前景，也一直受到世界各国学者的关注与研究。矢量水听器同时接收目标辐射的声压信号和振速信号，相对于单声压水听器不仅可以获得目标的方位信息，而且还可以获得额外的空间增益，单矢量水听器被动定位具有更好的发展前景。

文献“Model-independent range localization of a moving source inshallow water.”(Rakotonarivo S T,Kuperman W A.Journal of the AcousticalSociety of America,2012,132(4):2218.)提出了一种基于简正波理论的利用不同时刻声压信号进行互谱得到目标径向速度，并结合径向速度的变化规律和干涉条纹干涉规律两种方式分别估计得到目标的距离。

文献“基于单矢量水听器的水面目标运动分析.”(吴艳群,胡永明.声学技术,2010(04):361-364.)提出了一种利用矢量水听器测量接收目标的水平角以及俯仰角的变化来定位目标距离，由于此方法依赖于接收目标的水平角和俯仰角，因此限定了此方法只能在近距离使用。

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短时傅里叶变换得到各阶简正波俯仰角与其到达时间的模糊度平面，进行峰值检测得到线性回归数据点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，但是让干扰能力差，并且需要一定的海洋环境先验知识。

专利“基于DEMON谱的单矢量水听器自主测距装置及方法”(ZL202010134419.1)其算法原理引用了文献“Model-independent range localization of a moving source inshallow water.”(Rakotonarivo S T,Kuperman W A.Journal of the AcousticalSociety of America,2012,132(4):2218.)中的互谱测目标径向速度的算法但引入了其DEMON谱和光纤矢量水听器硬件设计流程，没有在本质上提高互谱测速的性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术只有目标径向速度的测量的问题，提供可以对匀速直线运动目标利用单矢量水听器实现目标绝对速度和距离的测量的一种单矢量水听器被动定位及航迹预测方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：单矢量水听器接收声压信号和振速信号，获取目标当前时刻的方位角a₁；

步骤1.1：对声压信号P、x方向的振速v_x及y方向的振速v_y做傅里叶变换，得到相应的频谱P(f)，v_x(f)和v_y(f)；

步骤1.2：将声压信号和振速信号在每个频率f进行互谱，得到x方向的声压与振速互谱I_x(f)和y方向的声压与振速互谱I_y(f)；

I_x(f)＝P(f)v_x(f)

I_y(f)＝P(f)v_y(f)

步骤1.3：计算在每个频率处的目标方位，取所有频率的平均得到当前时刻的方位角a₁；

步骤2：从过去的时刻中选择参考时刻t_g，利用第二种干涉条纹方程进行Hough变换得到目标当前时刻运动的航向角a₃及目标所在声场的波导不变量β；

所述的第二种干涉条纹方程为：

其中，f_a为当前时刻的频率；f_g为参考时刻t_g的频率；θ_g为目标在参考时刻t_g的方位角；

步骤3：通过目标当前时刻的方位角a₁和运动的航向角a₃计算虚拟波束角a₂；

a₂＝a₁-a₃+π/2

步骤4：对相同时间间隔的声压信号进行虚拟阵波束形成，通过插入不同的相移得到一系列主极大位于不同方位的方位角；将不同的方位角与虚拟波束角a₂匹配，获取与虚拟波束角a₂相同大小的方位角对应的相移并计算目标当前时刻的绝对速度v；

其中，λ为声压信号的波长；Δt为时间步长；

步骤5：计算目标当前时刻的径向速度v_r和距离r；

v_r＝vcos(a₁-a₃)

步骤6：利用目标当前时刻的绝对速度v、航向角a₃、方位角a₁和距离r，预测目标的运动轨迹。

本发明的有益效果在于：

本发明弥补了现有方法只估计目标相对速度实现目标定位的局限性，为降低海洋环境先验信息依赖性提供新方法。本发明可以对匀速直线运动目标利用单矢量水听器实现目标绝对速度和距离的测量，以此为依据预测目标的后续航迹，并且不需事先确定海洋环境信息。本发明利用第二种干涉条纹方程，很大程度上降低对海洋环境先验信息的需求。作为水声定位领域的发明，本发明有利于在小平台安装有利于自主化探测设备的发展。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明实施例中互谱声强测向流程图。

图3为本发明实施例中目标声压信号时-频域干涉图。

图4为本发明实施例中目标声压信号方位-频率域干涉图。

图5为本发明实施例中目标声压信号方位-频率域干涉的Hough变换图。

图6为本发明实施例中预测的目标航迹与理论航迹的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明针对现有技术只有目标径向速度的测量的问题，提出了一种单矢量水听器被动定位及航迹预测方法，其目的在于对匀速直线运动目标利用单矢量水听器实现目标绝对速度和距离的测量，以此为依据预测目标的后续航迹，并且不需事先确定海洋环境信息。与现有的单水听器测距技术只能得到目标的径向速度相比，本发明结合干涉理论与互易场理论，能够实现对目标绝对速度的直接测量，有利于单水听器被动测距向更广的范围发展。

一种单矢量水听器被动定位及航迹预测方法，包括以下步骤：

步骤1：单矢量水听器接收声压信号和振速信号，获取目标当前时刻的方位角a₁；

步骤1.1：对声压信号P、x方向的振速v_x及y方向的振速v_y做傅里叶变换，得到相应的频谱P(f)，v_x(f)和v_y(f)；

步骤1.2：将声压信号和振速信号在每个频率f进行互谱，得到x方向的声压与振速互谱I_x(f)和y方向的声压与振速互谱I_y(f)；

I_x(f)＝P(f)v_x(f)

I_y(f)＝P(f)v_y(f)

步骤1.3：计算在每个频率处的目标方位，取所有频率的平均得到当前时刻的方位角a₁；

步骤2：从过去的时刻中选择参考时刻t_g，利用第二种干涉条纹方程进行Hough变换得到目标当前时刻运动的航向角a₃及目标所在声场的波导不变量β；

所述的第二种干涉条纹方程为：

其中，f_a为当前时刻的频率；f_g为参考时刻t_g的频率；θ_g为目标在参考时刻t_g的方位角；

步骤3：通过目标当前时刻的方位角a₁和运动的航向角a₃计算虚拟波束角a₂；

a₂＝a₁-a₃+π/2

步骤4：对相同时间间隔的声压信号进行虚拟阵波束形成，通过插入不同的相移得到一系列主极大位于不同方位的方位角；将不同的方位角与虚拟波束角a₂匹配，获取与虚拟波束角a₂相同大小的方位角对应的相移并计算目标当前时刻的绝对速度v；

其中，λ为声压信号的波长；Δt为时间步长；

步骤5：计算目标当前时刻的径向速度v_r和距离r；

v_r＝vcos(a₁-a₃)

步骤6：利用目标当前时刻的绝对速度v、航向角a₃、方位角a₁和距离r，预测目标的运动轨迹。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明是一种基于虚拟阵的单矢量水听器被动定位及航迹预测方法，结合互易场理论、声场干涉理论和矢量水听器的优势，实现对目标速度的直接估计，并以此预测目标未来航迹，利用第二种干涉条纹方程，很大程度上降低对海洋环境先验信息的需求。本方法解决了目标绝对速度直接测量的难题，并且不需要海洋环境先验信息。

实施例1：

1、矢量水听器输出点声压p，x方向的振速v_x，及y方向的振速v_y。对声压p，x方向的振速v_x，及y方向的振速v_y做傅里叶变换，得到相应的频谱p(f)，v_x(f)和v_y(f)，声压与振速互谱为I_x(f)和I_y(f)：

I_x(f)＝P(f)v_x(f) (1)

I_y(f)＝P(f)v_y(f)

每个频率处的目标方位为：

目标方位可以取所有频率处的平均值，即：

由此方法，可以利用单矢量水听器得到目标的方位历程图。

2、假设参考时刻为t_g，t_g可以是任意开始观察的时刻。令f_g＝f(t_g),r_g＝r(t_g),θ_g＝θ(t_g)，α为目标航向角，θ为目标方位角，β为波导不变量，此时第二种干涉条纹方程：

可以得到，在已知目标方位的条件下，进行Hough变换就可以得到目标的航向角以及干涉条纹的波导不变量。

3、对于T时间内的M个等间隔目标信号的信息，可以等效为一个M元阵接收的中间时刻的信号x_i(t)。X表示为接收的信号：

得到M个阵元信号为：

上式中s_i(t)为空间信号，x_i(t)为接收信号，由此可知只要得到相邻阵元之间的延迟关系量w_i，我们就可以得到阵列流型或者导向矢量。

在远场条件下，根据简正波理论将海洋波导看作是距离无关的水平分层环境，只考虑声速和密度随深度z的变化，将声源视为点源，可以得到一般情况下，由连续谱和离散谱组成的声场表达式：

式中k_rm表示本征值、ψ_m(z)表示本征函数、ψ_m(z_s)表示声源处本征函数、表示连续谱成分、ρ(z_s)表示声源处的密度、i代表虚部。

离散成分表示为海水中传播的简正波部分，而连续成分表示主要在海底传播的侧面波部分。当声波远距离传播时，侧面波的贡献可以忽略不计。对于距离r₁处的简化简正波理论表示的声压表达式：

其中表示初始相位，/>是杂波和噪声引起的相位起伏分量，声速剖面存在声速扰动时，存在随距离变化的相位扰动/>该相位扰动由于声速在距离上的扰动引起，会对简正波波数产生影响，并且可通过声速剖面的一阶二阶统计量进行相对补偿。

补偿后的r₁处声压表达式：

其中表示初始相位，/>是杂波和噪声引起的相位起伏分量。

目标运动到r₁后继续运动Δt时间后r₂处的声压表达式：

则

对于在采样时间内绝对速度恒定的目标r₂-r₁＝d sin a₂＝vΔt sin a₂。

在Δt，2Δt，3Δt…nΔt时刻的相邻两时刻之间的相位差即相邻阵元之间的延迟关系有：

d＝vt₁为两个离散点之间的间距，v为目标绝对速度，λ为波长，a₂为虚拟波束角。

对相同时间间隔的声压信号进行虚拟阵波束形成，通过插入不同的可以得到一系列主极大位于不同方位的方位角，将不同的方位角与虚拟波束角匹配得到与虚拟波束角相同大小的方位角对应的相移/>进一步计算就可以得到目标当前时刻的绝对速度。

对于单矢量水听器虚拟得到的M个均匀线阵信号，对于离散采样点p_t,两个点之间的时间间隔τ，到达单矢量水听器的相位差为

对于目标航向角与虚拟波束形成得到的指向角之间存在的关系，可以得到的关系式如下式所示：

a₃+a₂-π/2＝a₁ (12)

a₁为目标方位角，a₃目标的航向角，a₂为虚拟波束角。

因此对于单矢量水听器而言，可以得到目标方位角a₁，并且利用第二种干涉条纹方程可以进一步得到目标运动的航向角a₃，利用式(12)得到虚拟波束指向角，并将其代入(11)就可以得到目标的绝对速度。

利用绝对速度与目标方位可以进一步得到目标的径向速度v_r，关系式如下式所示：

vcos(a₁-a₃)＝v_r (13)

利用Radon变换得到dt/df的值，将波导不变量β，相对速度v_r的值分别代入(14)，进一步得到目标距离r：

4、利用上一步得到的目标距离和目标绝对速度(大小和方向)，来预测目标的运动轨迹。

作为一种单矢量水听器被动定位及航迹预测。本发明的目的是一方面为了弥补现有方法只估计目标相对速度实现目标定位的局限性，另一方面也为降低海洋环境先验信息依赖性提供新方法。作为水声定位领域的发明，本发明有利于在小平台安装有利于自主化探测设备的发展。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种单矢量水听器被动定位及航迹预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：单矢量水听器接收声压信号和振速信号，获取目标当前时刻的方位角a₁；

步骤1.1：对声压信号P、x方向的振速v_x及y方向的振速v_y做傅里叶变换，得到相应的频谱P(f)，v_x(f)和v_y(f)；

步骤1.2：将声压信号和振速信号在每个频率f进行互谱，得到x方向的声压与振速互谱I_x(f)和y方向的声压与振速互谱I_y(f)；

I_x(f)＝P(f)v_x(f)

I_y(f)＝P(f)v_y(f)

步骤1.3：计算在每个频率处的目标方位，取所有频率的平均得到当前时刻的方位角a₁；

步骤2：从过去的时刻中选择参考时刻t_g，利用第二种干涉条纹方程进行Hough变换得到目标当前时刻运动的航向角a₃及目标所在声场的波导不变量β；

所述的第二种干涉条纹方程为：

其中，f_a为当前时刻的频率；f_g为参考时刻t_g的频率；θ_g为目标在参考时刻t_g的方位角；

步骤3：通过目标当前时刻的方位角a₁和运动的航向角a₃计算虚拟波束角a₂；

a₂＝a₁-a₃+π/2

步骤4：对相同时间间隔的声压信号进行虚拟阵波束形成，通过插入不同的相移得到一系列主极大位于不同方位的方位角；将不同的方位角与虚拟波束角a₂匹配，获取与虚拟波束角a₂相同大小的方位角对应的相移并计算目标当前时刻的绝对速度v；

其中，λ为声压信号的波长；Δt为时间步长；

步骤5：计算目标当前时刻的径向速度v_r和距离r；

v_r＝vcos(a₁-a₃)

步骤6：利用目标当前时刻的绝对速度v、航向角a₃、方位角a₁和距离r，预测目标的运动轨迹。