CN116520247A - 根据水下航行器上的水听器来估算目标声源位置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明根据水下航行器上的水听器来估算目标声源位置的方法，水下航行器的左右侧各装有对称的第一水听器和第二水听器，在水下航行器后端部装有拖曳缆，在拖曳缆上装有第三水听器，在水下航行器行进过程中，第三水听器位于水下航行器的后端，以水下航行器的第一水听器与第二水听器之间的中点为F1，第三水听器为F2，F1和F2连线为X轴，以F1和F2之间的中点为坐标原点，以坐标原点作垂直于X轴的直线为Y轴，F1的坐标为(‑a,0),F2的坐标为(a,0)，目标声源M的坐标为(x,y)；通过三个水听器接收到的距离在上述坐标系中得到双曲线；根据三个水听器接收到的能量比，画出一个圆形的轨迹；在坐标系上找出目标声源M坐标。
Description
技术领域
本发明属于自航式航行器信号检测及方位估计领域。可以实现水下航行器在航行过程中，实时检测对抗目标产生的主动探测信号，辨识目标类型，并对比多路信号实时估计目标方位。
背景技术
当前自航式对抗器材的航行轨迹是按照预先设定的路径行进，当接收到目标发射的主动探测信号时，仅对信号参数进行检测，并产生经过处理的回波信号，以模拟真实舰艇。由于未对目标方位进行估计，因此航行器本身的航行路线不会因目标方位产生改变，从而影响了对抗效果。并且在过去的算法中，往往需要至少3个接收阵元才能确定声源的位置。
本发明正是根据现在对自航式航行器智能化的需求，提出了一种实时的被动目标方位估计方法。当接收到对抗目标产生的主动探测信号时，在检测信号频率、脉宽和强度等参数及对目标类型做出估计的基础上，还提出一种基于双阵元的定位算法，只需要两个接收水听器，即可对目标的方位实时做较为精确的估计。
发明内容
本申请的发明目的是提供一种根据水下航行器上的水听器来估算目标声源位置的方法，主要内容为水下航行器的被动信号检测及目标方位估计。
为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：
本发明的一种根据水下航行器上的水听器来估算目标声源位置的方法，水下航行器的左右侧各装有对称的第一水听器和第二水听器，在水下航行器后端部装有拖曳缆，在拖曳缆上装有第三水听器，在水下航行器行进过程中，第三水听器位于水下航行器的后端，第一水听器、第二水听器和第三水听器接收到目标声源发出的信号，其中：
以水下航行器的第一水听器与第二水听器之间的中点为F1，第一水听器与第二水听器之间的距离忽略不计，第三水听器为F2，F1和F2连线为X轴，以上述F1和F2之间的中点为坐标原点，以上述坐标原点作垂直于X轴的直线为Y轴，建立坐标系，F1的坐标为(-a,0),F2的坐标为(a,0),目标声源M的坐标为(x,y)；
(一)、通过三个水听器接收到的距离在上述坐标系中得到双曲线
由于目标声源M到第三水听器和第二水听器或第一水听器的传播距离不同，使第二水听器或第一水听器和第三水听器接收信号产生时间差Δt，声音传播速度为v，v＝1500m/s，可得目标声源M到第二水听器或第一水听器的距离为：
目标声源M到第三水听器的距离为：
目标声源M到第二水听器或第一水听器与第三水听器的距离差为
将公式的两端同乘可得
对公式和公式两端分别进行平方后，再相加可得
将公式(5)整理可得
取
将a1和b1代入公式，化简式可得
将公式(8)得到的双曲线方程画在上述坐标系上；
(二)、根据三个水听器接收到的能量比，画出一个圆形的轨迹
在第二水听器或第一水听器和第三水听器的空间中，声源信号能量强度与距离之间的关系用下面公式(9)表示：
其中E1和E2分别表示到第二水听器或第一水听器接收到的能量和第三水听器接收到的能量，d1和d2分别表示声源到第二水听器或第一水听器的距离和到第三水听器的距离，而θ为一个零均值的随机变量，根据上述公式，若θ取0，获得公式(10)距离的比值
根据阿波罗尼斯圆定理：平面上到两个定点距离之比为定值(定值≠1)的点的轨迹是一个圆形，令F1(-a,0)和F2(a,0),动点M的坐标为(x,y),满足条件且k为固定值；
将公式(11)：公式(12)得到：
公式(13)两端平方后得到：
(x-a)2+y2＝k2((x+a)2+y2)---公式(14)将公式(14)展开整理后得到以下公式(15)
从公式(15)看出当k>0且k≠1时，动点M的轨迹是一个圆形，将公式(15)得到的圆形方程画在上述坐标系上；
(三)、在坐标系上找出目标声源M的坐标
在上述坐标系上，找出双曲线和圆形的交点M1和M2,根据第二水听器接收到的信号或第一水听器接收到的信号，来删除上述交点M1或M2，得到的M2或M1的坐标(x,y)为目标声源M的位置。
本发明的根据水下航行器上的水听器来估算目标声源位置的方法，其中：当第二水听器或第一水听器同时接收目标声源M的信号时，只有第二水听器和第一水听器之一接收到了目标声源M的信号。
本发明的根据水下航行器上的水听器来估算目标声源位置的方法，其中：所得到的M2或M1的坐标(x,y)与第二水听器或第一水听器接收的信号在同侧。
本发明的根据水下航行器上的水听器来估算目标声源位置的方法，其中：所述v＝1500m/s。
第三水听器为拖曳接收水听器，第一水听器和第二水听器为安装于产品左右两侧的水听器。利用时延差定位算法，用第一水听器或第二水听器和第三水听器之间的时延确定了双曲线为L。利用能量比定位算法，还第一水听器或第二水听器和第三水听器之间接收到的信号的能量比确定圆，而双曲线和圆之间的交点就是估计目标方位的位置坐标点。但是需要指出，一般情况下，算法中确定的双曲线与圆会有两个交点位置M1和M2，也就是可以确定两个声源位置，需要预先把声源位置限定于一定区域内，以达到消除模糊目标的目的。这时，可以利用左右水听器的指向性特点，自然排除错误交点，便可以得到唯一的目标方位。
本发明包含硬件和软件设计。硬件部分包括：左右水听器、拖曳水听器、前置放大电路、信号处理电路。软件包括：前置放大及滤波软件和信号处理软件，均为以C语言和Verilog语言编写的FPGA嵌入式软件。
本发明是将目标发射的主动探测信号，经左、右及拖曳水听器接收，通过前置放大及滤波电路，分别进行前置放大、频率均衡及模数转换的处理，变成三路数字信号后，送入信号处理电路。信号处理软件对接收到的三路信号进行检测后，判断出目标位于产品的左侧或右侧，再利用左右中可用一侧水听器及拖曳水听器组成双阵元，采用双阵元定位算法，估计目标方位。
附图说明
图1为各水听器在航行器的安装位置及目标方位的示意图；
图2为用本发明的方法来估算目标声源位置的示意图。
图1和图2均为示意图，为了清楚起见，它们不是按照比例绘制的。
在图1中，标号1为水下航行器；标号2为第一水听器；标号3为第二水听器；标号4为拖曳缆；标号5为第三水听器；标号6为目标声源。
具体实施方式
如图1和图2所示，第一水听器2、第二水听器3和第三水听器5的信号通过左路、右路和拖曳三路水听器进入前置放大及滤波电路，进行信号的放大滤波、模数转换和频率均衡，前置放大滤波软件中已存入每个水听器按照统一入射声源级要求进行标定的均衡参数，因此经过处理的三路信号，水听器个体接收灵敏度差异及同一水听器在不同频率点上声源级的误差都会得到修正，保证信号处理时各路信号幅度对比的准确性。
水下航行器1的左右侧各装有对称的第一水听器2和第二水听器3，在水下航行器1后端部装有拖曳缆4，在拖曳缆4上装有第三水听器5，在水下航行器1行进过程中，第三水听器5位于水下航行器1的后端，第一水听器2、第二水听器3和第三水听器5接收到目标声源6发出的信号。
本发明的根据水下航行器上的水听器来估算目标声源位置的方法包括：
以水下航行器1的第一水听器2与第二水听器3之间的中点为F1，第一水听器2与第二水听器3之间的距离忽略不计，第三水听器5为F2，F1和F2连线为X轴，以上述F1和F2之间的中点为坐标原点，以上述坐标原点作垂直于X轴的直线为Y轴，建立坐标系，F1的坐标为(-a,0),F2的坐标为(a,0),目标声源M6的坐标为(x,y)；
(一)、通过三个水听器接收到的距离在上述坐标系中得到双曲线
当第二水听器3或第一水听器2同时接收目标声源M6的信号时，只有第二水听器3和第一水听器2之一接收到了目标声源M6的信号，由于目标声源M6到第三水听器5和第二水听器3或第一水听器2的传播距离不同，使第二水听器3或第一水听器2和第三水听器5接收信号产生时间差Δt，声音传播速度为v，v＝1500m/s，可得目标声源M6到第二水听器3或第一水听器1的距离为：
目标声源M6到第三水听器5的距离为：
目标声源M6到第二水听器3或第一水听器1与第三水听器5的距离差为
将公式3的两端同乘可得
对公式4和公式3两端分别进行平方后，再相加可得
将公式(5)整理可得
取
将a1和b1代入公式(6)，化简式可得
将公式(8)得到的双曲线方程画在上述坐标系上；
(二)、根据三个水听器接收到的能量比，画出一个圆形的轨迹
在第二水听器3或第一水听器2和第三水听器5的空间中，声源信号能量强度与距离之间的关系用下面公式(9)表示：
其中E1和E2分别表示到第二水听器3或第一水听器2接收到的能量和第三水听器5接收到的能量，d1和d2分别表示声源到第二水听器3或第一水听器2的距离和到第三水听器5的距离，而θ为一个零均值的随机变量，根据上述公式，若θ取0，获得公式(10)距离的比值
根据阿波罗尼斯圆定理：平面上到两个定点距离之比为定值(定值≠1)的点的轨迹是一个圆形，令F1(-a,0)和F2(a,0),动点M的坐标为(x,y),满足条件且k为固定值；
将公式(11)：公式(12)得到：
公式(13)两端平方后得到：
(x-a)2+y2＝k2((x+a)2+y2)---公式(14)
将公式(14)展开整理后得到以下公式(15)
从公式(15)看出当k>0且k≠1时，动点M的轨迹是一个圆形，将公式(15)得到的圆形方程画在上述坐标系上；
(三)、在坐标系上找出目标声源M6的坐标
在上述坐标系上，找出双曲线和圆形的交点M1和M2,根据第二水听器3接收到的信号或第一水听器2接收到的信号，来删除上述交点M1或M2，所得到的M2或M1的坐标(x,y)与第二水听器3或第一水听器2接收的信号在同侧，即为目标声源M6的位置。
将从前置放大及滤波电路输出的三路数字信号送入信号处理电路，在本发明中，信号处理电路软件是信号检测及方位估计的核心，主要包括以下几个部分：
1、将输入的串行信号转换为便于后续计算的并行信号，并做滤波降噪等预处理；
2、利用FPGA并行计算的特点，同时对三路信号进行检测，使用FFT等信号处理算法确定信号的频率、脉宽及幅度，并根据信号频率范围对目标类型做出估计；
3、对比三路信号的检测结果，在同一信号周期内，有两路及以上信号，同时满足频率及声源级门限，则可进行目标方位估计。首先，对比左右两侧换能器，确定目标位于产品哪侧，选择使用与产品同侧的左右换能器中之一的数据进行目标方位估计；其次，计算出左/右水听器及拖曳水听器两路信号之间的时延差，做出目标估计双曲线图；然后，计算两路信号的能量比，做出能量比圆形图；最后，找出双曲线图与圆形图中的交点，并排除错误点，估计出目标所在方位。当完成对一个周期的信号的检测及方位估计后，软件会将信号检测信息和方位估计信息通过CAN总线上传至航行器控制系统，以供其作为自主导航的判据调整航行方向。
以上所述仅为本发明的实施验证例而已，并不用以限制本发明。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 (4)
1.一种根据水下航行器上的水听器来估算目标声源位置的方法，水下航行器(1)的左右侧各装有对称的第一水听器(2)和第二水听器(3)，在水下航行器(1)后端部装有拖曳缆(4)，在拖曳缆(4)上装有第三水听器(5)，在水下航行器(1)行进过程中，第三水听器(5)位于水下航行器(1)的后端，第一水听器(2)、第二水听器(3)和第三水听器(5)接收到目标声源(6)发出的信号，其特征在于：
以水下航行器(1)的第一水听器(2)与第二水听器(3)之间的中点为F1，第一水听器(2)与第二水听器(3)之间的距离忽略不计，第三水听器(5)为F2，F1和F2连线为X轴，以上述F1和F2之间的中点为坐标原点，以上述坐标原点作垂直于X轴的直线为Y轴，建立坐标系，F1的坐标为(-a,0),F2的坐标为(a,0),目标声源M(6)的坐标为(x,y)；
(一)、通过三个水听器接收到的距离在上述坐标系中得到双曲线
由于目标声源M(6)到第三水听器(5)和第二水听器(3)或第一水听器(2)的传播距离不同，使第二水听器(3)或第一水听器(2)和第三水听器(5)接收信号产生时间差Δt，声音传播速度为v，可得目标声源M(6)到第二水听器(3)或第一水听器(1)的距离为：
目标声源M(6)到第三水听器(5)的距离为：
目标声源M(6)到第二水听器(3)或第一水听器(1)与第三水听器(5)的距离差为
将公式(3)的两端同乘可得
对公式(4)和公式(3)两端分别进行平方后，再相加可得
将公式(5)整理可得
取
将a1和b1代入公式(6)，化简式可得
将公式(8)得到的双曲线方程画在上述坐标系上；
(二)、根据三个水听器接收到的能量比，画出一个圆形的轨迹
在第二水听器(3)或第一水听器(2)和第三水听器(5)的空间中，声源信号能量强度与距离之间的关系用下面公式(9)表示：
其中E1和E2分别表示到第二水听器(3)或第一水听器(2)接收到的能量和第三水听器(5)接收到的能量，d1和d2分别表示声源到第二水听器(3)或第一水听器(2)的距离和到第三水听器(5)的距离，而θ为一个零均值的随机变量，根据上述公式，若θ取0，获得公式(10)距离的比值
根据阿波罗尼斯圆定理：平面上到两个定点距离之比为定值(定值≠1)的点的轨迹是一个圆形，令F1(-a,0)和F2(a,0),动点M的坐标为(x,y),满足条件且k为固定值；
将公式(11)：公式(12)得到：
公式(13)两端平方后得到：
(x-a)2+y2＝k2((x+a)2+y2)---公式(14)
将公式(14)展开整理后得到以下公式(15)
从公式(15)看出当k>0且k≠1时，动点M的轨迹是一个圆形，将公式(15)得到的圆形方程画在上述坐标系上；
(三)、在坐标系上找出目标声源M(6)的坐标
在上述坐标系上，找出双曲线和圆形的交点M1和M2,根据第二水听器(3)接收到的信号或第一水听器(2)接收到的信号，来删除上述交点M1或M2，得到的M2或M1的坐标(x,y)为目标声源M(6)的位置。
2.如权利要求1所述的根据水下航行器上的水听器来估算目标声源位置的方法，其特征在于：当第二水听器(3)或第一水听器(2)同时接收目标声源M(6)的信号时，只有第二水听器(3)和第一水听器(2)之一接收到了目标声源M(6)的信号。
3.如权利要求2所述的根据水下航行器上的水听器来估算目标声源位置的方法，其特征在于：所得到的M2或M1的坐标(x,y)与第二水听器(3)或第一水听器(2)接收的信号在同侧。
4.如权利要求3所述的根据水下航行器上的水听器来估算目标声源位置的方法，其特征在于：所述v＝1500m/s。
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| CN202310323061.0A CN116520247A (zh) | 2023-03-29 | 2023-03-29 | 根据水下航行器上的水听器来估算目标声源位置的方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116699618A (zh) * | 2023-08-08 | 2023-09-05 | 中交第一航务工程局有限公司 | 一种水下声呐定位方法 |
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2023
- 2023-03-29 CN CN202310323061.0A patent/CN116520247A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN116699618A (zh) * | 2023-08-08 | 2023-09-05 | 中交第一航务工程局有限公司 | 一种水下声呐定位方法 |
| CN116699618B (zh) * | 2023-08-08 | 2023-10-03 | 中交第一航务工程局有限公司 | 一种水下声呐定位方法 |
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