CN112098983A - 基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法及系统，该方法包括：使用N元水平均匀线阵，接收水下声场中目标声源的辐射信号，通过对水听器采集的声压信号频谱分析，得到每个阵元的接收信号频谱；根据接收信号频谱，通过盲解卷积计算得到频域格林函数的估计值；对频域格林函数的估计值进行逆傅里叶变换，从得到的各阵元时域格林函数提取目标多径相对入射时间，然后通过解卷积处理方法，计算得到目标多径入射角；根据目标多径入射角计算得到阵不变量；根据阵不变量计算得到目标声源的距离，从而实现对目标声源的定位。本发明实现了浅海小孔径水平阵条件下稳健无源被动定位，在计算量未显著增加的情况下，获得了更高的被动定位精度。

Description

基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法及系统

技术领域

本发明涉及被动声纳系统领域，水下目标被动定位领域，尤其涉及基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法及系统。

背景技术

水下目标被动定位是被动声纳的关键功能之一，也是实现后续定位跟踪等功能的基础。被动定位方法有传统三阵元法，匹配场处理、基于波导不变量的方法、基于机器学习的方法等。现有技术在解决浅海水平阵被动定位方面存在精度低和鲁棒性差等问题。基于阵不变量的方法由于其环境敏感度低，可以在较小时间窗内实现定位和计算量较低等诸多优势，近些年受到了广泛的关注。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法及系统。在阵不变量的方法的基础上，在未大幅增加计算量的情况下，实现了更高精度的定位。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法，所述方法包括：

使用N元水平均匀线阵，接收水下声场中目标声源的辐射信号，通过对水听器采集的声压信号频谱分析，得到每个阵元的接收信号频谱；

根据接收信号频谱，通过盲解卷积计算得到频域格林函数的估计值；

对频域格林函数的估计值进行逆傅里叶变换，从得到的各阵元时域格林函数提取目标多径相对入射时间，然后通过解卷积处理方法，计算得到目标多径入射角；

根据目标多径入射角计算得到阵不变量；

根据阵不变量计算得到目标声源的距离，从而实现对目标声源的定位。

作为上述方法的一种改进，所述使用N元水平均匀线阵，接收水下声场中目标声源的辐射信号，通过对水听器采集的声压信号频谱分析，得到每个阵元的接收信号频谱；具体为：

N元水平均匀线阵位于y轴，其中心阵元位置为(0,0,z₀)，z₀为中心阵元在z轴坐标；

位于r_n＝(0,y_n,z₀)的第n个阵元的接收信号频谱P_n(ω)为：

其中，y_n为第n个阵元在y轴的坐标值，G(r_n,r_s,ω)为位于r_s的目标声源和n个阵元之间的格林函数，1＜n＜N，Φ_s(ω)为目标声源的相位分量，S(ω)为目标声源信号s(t)的频谱：

作为上述方法的一种改进，所述根据接收信号频谱，通过盲解卷积计算得到频域格林函数的估计值；具体为：

对接收信号频谱P_n(ω)进行常规波束形成，计算得到波束形成结果F(ω,φ)：

其中，ω为角频率，φ为水平方位角，T_k为第k条入射路径的入射时间；

根据F(ω,φ)计算波束能量结果，由波束能量结果的最大值得到波束形成结果的相位ψ(ω,φ)：

ψ(ω,φ)＝Φ_s(ω)-ωT_k；

从P_n(ω)中移除声源的相位分量，得到第n个阵元的频域格林函数的估值

其中，G(r_n,r_s,ω)为第n个阵元的频域格林函数的理论值。

作为上述方法的一种改进，所述对频域格林函数的估计值进行逆傅里叶变换，从得到的各阵元时域格林函数提取目标多径相对入射时间，然后通过解卷积处理方法，计算得到目标多径入射角；具体包括：

将频域格林函数G(r_n,r_s,ω)用一组射线表示为：

其中，A_k为第k条入射路径的幅值，k∈(1,K)，K为入射路径总数，θ_k是声源第k条入射路径的掠射角，τ_n(θ_k,φ)为第k条入射路径在第n个阵元的阵列时延，令

为第k条入射路径的阵列测量角；由此格林函数的射线表达式为：

令G(r_s,ω)＝[G(r₁,r_s,ω),G(r₂,r_s,ω),…G(r_N,r_s,ω)]^T，T表示转置；

对

进行傅里叶逆变换，画出时域格林函数图像，计算每条入射路径的相对入射时间T_k；

由第m条入射路径的入射时间为T_m，m∈(1,K)，设置时间和角度的二维旋转量μ＝[μ₁,μ₂,…,μ_n,…,μ_N]，其中μ_n为：

格林函数时间-方位旋转之后输出

为：

其中，ω₁和ω₂分别是离散频谱的上下限，ω_q为离散角频率，d表示阵元间距，A_m为第m条入射路径的强度；

能量输出

为：

写成卷积格式：

其中，

其中，

为自变量，c为环境的声速；

通过解卷积算法解得

得到第m条入射路径的入射角度

进而分别求出每条入射路径的入射角度。

作为上述方法的一种改进，所述根据目标多径入射角计算得到阵不变量；具体包括：

从时域格林函数图像中，提取最强入射路径，该最强入射路径对应的入射角度为

代入下式得到阵不变量

作为上述方法的一种改进，所述根据阵不变量计算得到目标声源的距离，从而实现对目标声源的定位；具体包括：

由下式得到目标声源的距离r_o，从而实现对目标声源的定位：

一种基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位系统，所述系统包括：N元水平均匀线阵、信号频谱分析模块、盲解卷积计算模块、解卷积处理模块、阵不变量计算模块和目标距离计算模块；其中，

所述N元水平均匀线阵，用于接收水下声场中目标声源的辐射信号；

所述信号频谱分析模块，用于通过对水听器采集的声压信号频谱分析，得到每个阵元的接收信号频谱；

所述盲解卷积计算模块，用于根据接收信号频谱，通过盲解卷积计算得到频域格林函数的估计值；

所述解卷积处理模块，用于对频域格林函数的估计值进行逆傅里叶变换，从得到的各阵元时域格林函数提取目标多径相对入射时间，然后通过解卷积处理方法，计算得到目标多径入射角；

所述阵不变量计算模块，用于根据目标多径入射角计算得到阵不变量；

所述目标距离计算模块，用于根据阵不变量计算得到目标声源的距离，从而实现对目标声源的定位。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的方法实现了浅海小孔径水平阵条件下稳健无源被动定位，相对于传统的水平阵被动定位方法，该方法在计算量没有显著增加的情况下，获得了更高的被动定位精度；

2、本发明的方法适用于水平阵声纳系统；

3、本发明的方法可以获得更高的被动目标定位精度，并相对来说对环境不敏感；

4、针对水下目标被动定位难的问题，本发明的方法可有效提高被动目标的定位精度，实现实时的被动目标定位。

附图说明

图1是本发明基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法的流程图；

图2是方位角与掠射角的定义示意图；

图3是本发明方法仿真采用的环境参数；

图4(a)是在图3仿真条件下的理论格林函数；

图4(b)是在图3仿真条件下通过盲解卷积算法提取得到的格林函数；

图5是常规时域处理方法得到的波束时间偏移图；

图6是采用本发明的方法和常规时域处理方法的归一化强度对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提出了一种基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法。

(1)阵不变量

在阵不变量方法中，声源到阵列的距离r_o可以通过下式得到

其中c是环境的声速，χ为阵不变量，β为波导不变量。对于理想的波导和水底水面相互作用的浅水环境，这里的β≈1。

阵不变量χ是表示波导色散特性的标量参数，其定义为掠射角θ相对于时间的导数。对于水平阵列且声源不位于端射方向，阵列的测量角度

可以用掠射角θ和方位角φ表示。方位角与掠射角的定义示意图如图2所示。

然后阵不变量可以重写为

其中

即水平阵的波束时间偏移。

实际使用中声源的距离可以通过下式计算

(2)盲解卷积提取格林函数

假设未知声源信号s(t)的频谱为S(ω)，

水平阵列位于y轴，其中心阵元位置为(0,0,z₀)。位置为r_n＝(0,y_n,z₀)的第n个阵元接收到的信号P_n(ω)

其中G(r_n,r_s,ω)为位于r_s的声源和n个阵元之间格林函数(1＜n＜N)，N为阵元个数。

在射线声学中，频域格林函数G(r_n,r_s,ω)可以用一组射线表示

这里的θ_k是声源第k条入射路径的掠射角，φ为声源的水平方位角，τ_n(θ_k,φ)为第k条入射路径在第n个阵元的阵列时延，T_k为第k条入射路径的入射时间，A_k为第k条入射路径的幅值。

声源的相位分量Φ_s(ω)可以通过旋转阵列信号相位，通过旋转波束对准φ，波束形成输出为

波束形成的相位输出为ψ(ω,φ)＝Φ_s(ω)-ωT_k，使用相位变化从接收信号P_n(ω)中移除声源的相位分量

从盲解卷积求得格林函数表达式

中，可以看到其中包含了多径的入射角信息和相对时延信息。类似于时域波束形成，对

进行逆傅里叶变换后的各阵元时域格林函数进行时延累加计算求解出入射角信息和相对入射时间信息。

(3)格林函数空间解卷积处理

式(17)中阵列时延τ_n(θ_k,φ)可以写成

为第k条入射路径的阵列测量角。所以格林函数的射线表达式可以写为

令G(r_s,ω)＝[G(r₁,r_s,ω),G(r₂,r_s,ω),…G(r_N,r_s,ω)]^T，假设已知第m条入射路径的入射时间T_m，m∈(1,K)，可以设置时间和角度的二维旋转量为μ＝[μ₁,μ₂,,μ_n,…,μ_N]，其中μ_n为

格林函数时间-方位旋转之后输出为

其中ω₁和ω₂分别是离散频谱的上下限。能量输出为

写成卷积格式

其中

其中，

为自变量，c为环境的声速；

通过解卷积算法解得

其中包含了多径入射角度信息，并具有更较高的分辨能力。通过结合从时域格林函数中得到的多径入射时间T，可以解算出阵列不变量

从而使用式(13)进行距离估计。

(3)仿真

为了验证本发明方法的有效性，通过计算机仿真对本发明方法的定位性能进行详细分析。使用kraken工具包仿真典型浅水环境下水平阵的情况，环境参数如图3所示。使用置于波导的25元水平均匀线阵，阵元间距为0.1875m。声源信号为宽带脉冲，每个水听器以20kHz的采样率采集声压信号，每个阵元接收端保证10dB的信噪比。假设声源与阵列同处于水下5m，相距1000m，并存在60度的夹角。

按照上述仿真参数进行计算机仿真，理论格林函数和盲解卷积提取出的格林函数分别为图4(a)和图4(b)。可以看到盲解卷积提取的格林函数中有两条斜线，对于水平阵两条斜线足以进行阵不变量方法的定位。

图5为传统方法得到的波束时间偏移。图6是80.5ms处两种方法的对比，可以看到本发明的方法有更高的方位分辨率。传统处理方法和解卷积处理方法的在该仿真条件下的距离估计结果和距离估计误差分别为为1054.7m(5.5％)和973.7m(2.6％)。

实施例2

基于上述系统，本发明的实施例2提出了一种基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位系统。所述系统包括：N元水平均匀线阵、信号频谱分析模块、盲解卷积计算模块、解卷积处理模块、阵不变量计算模块和目标距离计算模块；其中，

所述N元水平均匀线阵，用于接收水下声场中目标声源的辐射信号；

所述信号频谱分析模块，用于对水听器采集的声压信号频谱分析，得到每个阵元的接收信号频谱；

所述盲解卷积计算模块，用于根据接收信号频谱，通过盲解卷积计算得到频域格林函数的估计值；

所述解卷积处理模块，用于对频域格林函数的估计值进行逆傅里叶变换后的各阵元时域格林函数，提取目标多径相对入射时间，然后通过解卷积处理方法，计算得到目标多径入射角；

所述阵不变量计算模块，用于根据目标多径相对入射时间和入射角度计算得到阵不变量；

所述目标距离计算模块，用于根据阵不变量计算得到目标声源的距离，从而实现对目标声源的定位。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法，所述方法包括：

使用N元水平均匀线阵，接收水下声场中目标声源的辐射信号，通过对水听器采集的声压信号频谱分析，得到每个阵元的接收信号频谱；

根据接收信号频谱，通过盲解卷积计算得到频域格林函数的估计值；

对频域格林函数的估计值进行逆傅里叶变换，从得到的各阵元时域格林函数提取目标多径相对入射时间，然后通过解卷积处理方法，计算得到目标多径入射角；

根据目标多径入射角计算得到阵不变量；

根据阵不变量计算得到目标声源的距离，从而实现对目标声源的定位。

2.根据权利要求1所述的基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法，其特征在于，所述使用N元水平均匀线阵，接收水下声场中目标声源的辐射信号，通过对水听器采集的声压信号频谱分析，得到每个阵元的接收信号频谱；具体为：

N元水平均匀线阵位于y轴，其中心阵元位置为(0,0,z₀)，z₀为中心阵元在z轴坐标；

位于r_n＝(0,y_n,z₀)的第n个阵元的接收信号频谱P_n(ω)为：

其中，y_n为第n个阵元在y轴的坐标值，ω为角频率，G(r_n,r_s,ω)为位于r_s的目标声源和n个阵元之间的格林函数，1＜n＜N，Φ_s(ω)为目标声源信号的相位分量，S(ω)为目标声源信号的频谱：

3.根据权利要求2所述的基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法，其特征在于，所述根据接收信号频谱，通过盲解卷积计算得到频域格林函数的估计值；具体为：

对接收信号频谱P_n(ω)进行常规波束形成，计算得到波束形成结果F(ω,φ)：

其中，φ为水平方位角，T_k为第k条入射路径的入射时间，k∈(1,K)，K为入射路径总数；

根据F(ω,φ)计算波束能量结果，由波束能量结果的最大值得到波束形成结果的相位ψ(ω,φ)：

ψ(ω,φ)＝Φ_s(ω)-ωT_k；

从P_n(ω)中移除声源信号的相位分量，得到第n个阵元的频域格林函数的估值

其中，G(r_n,r_s,ω)为第n个阵元的频域格林函数的理论值。

4.根据权利要求3所述的基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法，其特征在于，所述对频域格林函数的估计值进行逆傅里叶变换，从得到的各阵元时域格林函数提取目标多径相对入射时间，然后通过解卷积处理方法，计算得到目标多径入射角；具体包括：

将频域格林函数G(r_n,r_s,ω)用一组射线表示为：

其中，A_k为第k条入射路径的幅值，θ_k是声源第k条入射路径的掠射角，τ_n(θ_k,φ)为第k条入射路径在第n个阵元的阵列时延，令

为第k条入射路径的阵列测量角；由此格林函数的射线表达式为：

令G(r_s,ω)＝[G(r₁,r_s,ω),G(r₂,r_s,ω),…G(r_N,r_s,ω)]^T，T表示转置；

对

进行傅里叶逆变换，根据傅里叶逆变换的结果画出时域格林函数图像，计算每条入射路径的相对入射时间T_k；

由第m条入射路径的入射时间为T_m，m∈(1,K)，设置时间和角度的二维旋转量μ＝[μ₁,μ₂,…,μ_n,…,μ_N]，其中μ_n为：

格林函数时间-方位旋转之后输出

为：

其中，

为旋转角，ω₁和ω₂分别是离散频谱的上下限，ω_q为离散角频率，d表示阵元间距，A_m为第m条入射路径的强度；

能量输出

为：

写成卷积格式：

其中，

其中，

为自变量，c为环境的声速，

为第m条入射路径的入射角度；

通过解卷积算法解得

得到第m条入射路径的入射角度

进而分别求出每条入射路径的入射角度。

5.根据权利要求4所述的基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法，其特征在于，所述根据目标多径入射角计算得到阵不变量；具体包括：

从时域格林函数图像中提取最强入射路径，该最强入射路径对应的入射角度为

代入下式得到阵不变量

6.根据权利要求4所述的基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位方法，其特征在于，所述根据阵不变量计算得到目标声源的距离，从而实现对目标声源的定位；具体包括：

由下式得到目标声源的距离r_o，从而实现对目标声源的定位：

7.一种基于空域解卷积处理的浅海水平阵被动定位系统，其特征在于，所述系统包括：N元水平均匀线阵、信号频谱分析模块、盲解卷积计算模块、解卷积处理模块、阵不变量计算模块和目标距离计算模块；其中，

所述N元水平均匀线阵，用于接收水下声场中目标声源的辐射信号；

所述信号频谱分析模块，用于通过对水听器采集的声压信号频谱分析，得到每个阵元的接收信号频谱；

所述盲解卷积计算模块，用于根据接收信号频谱，通过盲解卷积计算得到频域格林函数的估计值；

所述解卷积处理模块，用于对频域格林函数的估计值进行逆傅里叶变换，从得到的各阵元时域格林函数提取目标多径相对入射时间，然后通过解卷积处理方法，计算得到目标多径入射角；

所述阵不变量计算模块，用于根据目标多径入射角计算得到阵不变量；

所述目标距离计算模块，用于根据阵不变量计算得到目标声源的距离，从而实现对目标声源的定位。

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