CN116643238A - 水下近场声源运动轨迹追踪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了水下声源追踪技术领域的水下近场声源运动轨迹追踪系统包括：目标探测定位模块，是利用传感器阵列接受目标所发出的声信号，通过特定算法处理声信号实现对运动目标的探测与跟踪，得到信号源的方位信息，即方位角和俯仰角；跟踪模块，在实现对目标的定位后，结合声波在水中传输的速度、衰减规律，在确保控制误差的前提下间隔一定时间进行定位，最终实现水下声源运动对轨迹跟踪；通过对组合阵为背景的不同算法进行分析和试验；而且可以确定在特定频率范围内确定声源的具体位置，最后准确的估计出声源角度和距离，从而解决声源近场定位问题。
Description
技术领域
本发明涉及水下声源追踪的技术领域，尤其是涉及水下近场声源运动轨迹追踪系统。
背景技术
潜艇、舰艇等水下目标在航行或作业时会辐射噪声，其谱线可以看为线谱和连续谱的迭加，资料表明辐射声源可基本分为三大类：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。其中前两种声源是主要声源。在潜艇三大噪声中，机械噪声是舰艇低速隐蔽状态下的主要声源。控制和减小舰艇机械噪声是实现舰艇安静化的首要环节。在整个潜艇的建造过程中，舰艇机械声源测试分析必不可少，其用来确定影响舰艇声隐身性能的机械噪声，可以为舰艇声学设计过程中的噪声指标分解提供依据，并检验减振降噪技术实施效果是否达到预期目标，具有重要的理论和现实意义。
阵列信号处理是信号处理方向的重要分支，在声纳、雷达、通信以及医学诊断等领域被广泛地应用和发展。在一定的空间内按要求布置传感器的位置，使其构成传感器阵列，传感器阵列接受空间信号并通过某些算法对接收信号进行处理得到信号源相关所需信息，这就是阵列信号处理的基本思路。用传感器阵列接收空间信号比传统单个传感器有着明显的优势，即处理过程具有高信噪比、强干扰抑制能力以及高的空间分辨率等优点。综上所述，本发明提出的水下目标跟踪新方法将被动声纳的声源信号通过传感器阵列的处理来获得目标的位置信息，再根据声源信号再水中传输的速度、衰减规律进一步实现目标跟踪的目的。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本发明的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
为解决上述技术问题，本发明提供水下近场声源运动轨迹追踪系统，采用如下的技术方案：包括：
目标探测定位模块，是利用传感器阵列接受目标所发出的声信号，通过特定算法处理声信号实现对运动目标的探测与跟踪，得到信号源的方位信息，即方位角和俯仰角；
跟踪模块，在实现对目标的定位后，结合声波在水中传输的速度、衰减规律，在确保控制误差的前提下间隔一定时间进行定位，最终实现水下声源运动对轨迹跟踪。
可选的，在对浅海近程声源定位时，将矢量水听器与声压水听器组成水平线阵，称之为组合阵，利用矢量水听器的振速信息判别真实声源的位置。
可选的，假设海水深度为H，M元均匀矢量阵位于zm处，把中心阵元当做参考阵元，以中心阵元在海底的投影为坐标系原点，建立直角坐标系，
设第m个阵元的坐标为(xm,ym,zm)，m＝1,2,3,....,M，声源的坐标为(x0,y0,z0)，则第M个阵元接收到的信号可表示为：
其中，
zl1＝2Hl+z0-zm (6)，
zl2＝2H(l+1)-z0-zm (7)，
zl3＝-2Hl-z0-zm (8)，
zl4＝-2H(l+1)+z0-zm (9)，
式中，p表示基阵接收到的声压信号，vx、vy、vz分别表示基阵接收到的质点振速信息在x轴、y轴、z轴方向的分量，v是海面反射系数，设为-1，vli是海底反射系数，θli、分别表示声源到达接收点声线对应的方位角和俯仰角，zuli是复阻抗，可表示为：
可选的，
可选的，声波在水介质中的传播规律用压力场通过海洋的传播来描述，满足与时间无关的亥姆霍兹方程，当初始条件与边界条件确知时，方程有唯一确定解。
可选的，首先采用简化的与时间有关的双曲型二阶线性偏徼分方程:
式中是拉普拉斯算子；t是时间，/>是与时间函数有关的势函数：c＝c(x,y,z)为声速，是位置的函数；
引入简谐解，即假定势函数的简谐解是:
式中是与事件无关的势函数，w为声源频率，亥姆霍兹方程就可以简化为：
式中为波数，λ为波长，上式就是亥姆霍兹方程，又被称为与事件无关的或频率无关的波动方程。
可选的，所述特定算法采用ac-MUSIC聚焦波束算法，即将基于幅度补偿的近场空间谱估计方法ac-MVDR与MUSIC相结合。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益效果：
对于声源近场定位并进行轨迹追踪，并且针对实际采集数据样本有限的情况下，通过对组合阵为背景的不同算法进行分析和试验；而且可以确定在特定频率范围内确定声源的具体位置，最后准确的估计出声源角度和距离，从而解决声源近场定位问题。并根据此定位方法完成对声源轨迹的追踪。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统框图；
图2为本发明组合阵接收信号模型图；
图3为本发明CBF仿真三维效果图；
图4为本发明CBF仿真俯视效果图；
图5为本发明MVDR仿真三维效果图；
图6为本发明MVDR仿真俯视效果图；
图7为本发明ac-MVDR仿真三维效果图；
图8为本发明ac-MVDR仿真俯视效果图；
图9为本发明MUSIC仿真三维效果图；
图10为本发明MUSIC仿真俯视效果图；
图11为本发明ac-MUSIC仿真三维效果图；
图12为本发明ac-MUSIC仿真俯视效果图；
图13为本发明GUI界面导入数据图；
图14为本发明GUI界面信号接收参数图；
图15为本发明GUI界面声源轨迹分析图。
具体实施方式
以下结合附图1-15对本发明作进一步详细说明。
参照图1，本发明公开水下近场声源运动轨迹追踪系统，包括：
目标探测定位模块，是利用传感器阵列接受目标所发出的声信号，通过特定算法处理声信号实现对运动目标的探测与跟踪，得到信号源的方位信息，即方位角和俯仰角；
跟踪模块，在实现对目标的定位后，结合声波在水中传输的速度、衰减规律，在确保控制误差的前提下间隔一定时间进行定位，最终实现水下声源运动对轨迹跟踪。
其中，在对浅海近程声源定位时，由于声压水听器的无指向性，使得定位时存在左右舷模糊问题，不能准确识别出声源位置。为了抑制左右舷问题，去除虚假声源的影响，将矢量水听器与声压水听器组成的水平线阵，称之为组合阵，利用矢量水听器的振速信息判别真实声源的位置。
假设海水深度为H，M元均匀矢量阵位于zm处，把中心阵元当做参考阵元，以中心阵元在海底的投影为坐标系原点，建立如图2所示的直角坐标系，
设第m个阵元的坐标为(xm,ym,zm)，m＝1,2,3,....,M，声源的坐标为(x0,y0,z0)，则第M个阵元接收到的信号可表示为：
其中，
zl1＝2Hl+z0-zm (6)，
zl2＝2H(l+1)-z0-zm (7)，
zl3＝-2Hl-z0-zm (8)，
zl4＝-2H(l+1)+z0-zm (9)，
式中，p表示基阵接收到的声压信号，vx、vy、vz分别表示基阵接收到的质点振速信息在x轴、y轴、z轴方向的分量，v是海面反射系数，设为-1，vli是海底反射系数，θli、分别表示声源到达接收点声线对应的方位角和俯仰角，zuli是复阻抗，可表示为：
在实际应用中，由于矢量水听器的一致性不好这一问题，会直接影响到后续的信号处理。为了有效减小矢量水听器的一致性对后续信号处理的影响，本文采用了组合阵，旨在不影响对声源定位的前提下，减少矢量水听器个数。
组合阵包含声压水听器和矢量水听器两种水听器，声压水听器只接收声压信号，矢量水听器除了接收声压信号，还接收振速信号，因此，组合阵的接收信号包括全部水听器接收的声压信息和矢量水听器接收的振速信息。
其中，声波在水介质中的传播规律可用压力场通过海洋的传播来描述，它满足波动方程(与时间有关)或亥姆霍兹方程(与时间无关)。当初始条件与边界条件确知时，波动方程有唯一确定解。
波动方程是从更基本的状态方程、连续方程和运动方程导出的。通常，建立声传播模型的公式是从与时间有关的三维波动方程着手。对于大多数的应用，通常都采用简化的与时间有关的双曲型二阶线性偏徼分方程:
式中是拉普拉斯算子；t是时间，/>是与时间函数有关的势函数：c＝c(x,y,z)为声速，是位置的函数；
为了求得与时间无关的亥姆霍兹方程，又进一步简化，引入了简谐解(单频连续波解)，即假定势函数的简谐解是:
式中是与事件无关的势函数，w为声源频率，亥姆霍兹方程就可以简化为：
式中为波数，λ为波长，上式就是亥姆霍兹方程，又被称为与事件无关的或频率无关的波动方程。
特定算法采用ac-MUSIC聚焦波束算法，即将基于幅度补偿的近场空间谱估计方法ac-MVDR与MUSIC相结合。
MVDR(minimum variance distortionless response)最小方差无畸变响应法，是一种具有高分辨率的算法，它能够突破瑞利限，具有较强的抗噪声干扰能力，该方法在保持目标方位能量输出恒定的同时，要求其它方位输出达到最小化。在近场条件下还需要考虑幅度和相位对各阵元接收数据的影响，MVDR近场聚焦波束形成方法只考虑了相位补偿而未进行幅度补偿，若在MVDR近场聚焦波束形成方法方法基础上加以幅度修正，即可得到基于幅度相位联合补偿的MVDR(ac-MVDR)近场高分辨定位方法，高分辨方位估计方法是保持期望信号幅值不发生畸变的条件下,使整个系统输出的能量最小,可以将系统所受干扰及噪声的影响降至最低。
(MUSIC)多重信号分类算法是记在年提出的,这一算法的提出开创了空间谱估计算法研究的新时代,促进了特征分解类算法的兴起和发展,成为空间谱估计理论体系中的标志算法。算法是基于对基阵接收数据协方差矩阵进行特征分解,从而得到与信号分量相对应的信号子空间和噪声子空间,利用两子空间的正交性估计目标方位,具有很高的分辨率、估计精度及稳定性。尝试将基于幅度补偿的近场空间谱估计方法与MUSIC相结合，即(ac-MUSIC)。
MVDR算法以及MUSIC算法是处理近场声源的一个重要方法，MVDR在保持期望声源幅值和相位不发生畸变的情况下，以此来抑制干扰和噪声。MUSIC算法是基于对基阵接收数据协方差矩阵进行特征分解,从而得到与信号分量相对应的信号子空间和噪声子空间,利用两子空间的正交性估计目标方位,具有很高的分辨率、估计精度及稳定性。
结合水下建模分析，对CBF、MVDR、ac-MVDR、MUSIC以及ac-MUSIC聚焦波束形成五种方法进行分析，通过不同环境下的数据分析之后，找出每一种环境下的最优解，并根据此方法实现对水下声源定位及轨迹的跟踪。
仿真研究
1、利用仿真平台对所研究的多重信号分类(MUSIC)算法进行仿真实验，对接收的声源信号进行分析、处理，得到信号源在三维空间中的信息，即方位角和俯仰角。；
2、在探测定位模块实现对目标方位的精准定位后，跟踪模块就可以结合声波在水中传播的速度及衰减规律，声强声压的变化等数据，在确保控制误差的前提下间隔一定时间进行定位，最终实现水下声源对轨迹跟踪；
13元均匀水平线列阵位于x轴，阵元间距为1m。存在同频等幅的不相干双源，声源频率为f1＝f2＝100Hz，采样频率10kHz，水中声速为1500m/s，信噪比为15dB。声源在水下6m深，基阵在水下10m深，测试距离为4m，双源位置坐标为(x1,y1,z1)＝(-3,0,6)m和(x2,y2,z2)＝(3,0,6)m。扫描区域x向坐标范围为-20～20m,y向坐标范围为-20～20m，CBF、MVDR、ac-MVDR、MUSIC以及ac-MUSIC聚焦波束形成五种方法的仿真效果如图3-12所示。此外，还对声源频率为500Hz，其他仿真参数不变，得到的仿真结果以及声源频率为2kHz，其他仿真参数不变，得到的仿真结果。
仿真结果对比分析可以得到如下结论：
1.声源频率提高，对于同一种算法而言聚焦峰会变窄，但是背景起伏有增大的趋势，对于常规聚焦波束形成CBF算法而言，频率达到2000Hz时会出现空间混叠现象，在扫描面内出现多个谱峰，导致在判断目标位置时得到多个虚假目标，使定位性能严重下降。
2.MVDR近场聚焦波束形成适用于中高频段的声源定位，其聚焦波束形成结果较CBF算法结果有很大提升，主瓣变窄，旁瓣级变低，抗空间干扰能力增强，但是低频段的空间分辨力和高频段的抗空间混叠能力仍有待提升。
3.在这5种方法的空间谱估计结果的对比分析中，基于幅度相位联合补偿的ac-MUSIC近场聚焦波束形成算法效果最好，其声图效果拥有最窄的主瓣，最低的旁瓣级和最平滑的声图背景，而且进一步的提高了低频段的空间分辨力和高频段的抗空间混叠能力。该结论验证了幅度补偿对提高近场窄带声源定位方法的空间分辨力的有效性，还有降低算法对频率限制的能力。
对于声源近场定位并进行轨迹追踪，并且针对实际采集数据样本有限的情况下，通过对组合阵为背景的不同算法进行分析和试验，以及在不同环境的情况下，不同算法所具有的优劣性。通过理论仿真和水池试验研究，验证了研究的高分辨算法的有效性，为水下目标声源近场定位跟踪方法的工程应用提供了指导。通过分析研究传统算法和其缺陷后，拟给出一种可以解决声源在浅海的定位跟踪问题的可行方案，而且可以确定在特定频率范围内确定声源的具体位置，最后准确的估计出声源角度和距离，从而解决声源近场定位问题。并根据此定位方法完成对声源轨迹的追踪，并且利用Matlab软件中使用GUI界面使其观测、方便使用。
GUI界面可视化操作图如图13-15所示，将繁琐的处理过程变成一个按钮，只需要输入参数、点击按钮便可以将图像直观、清晰的展现出来。
以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.水下近场声源运动轨迹追踪系统，其特征在于：包括：
目标探测定位模块，是利用传感器阵列接受目标所发出的声信号，通过特定算法处理声信号实现对运动目标的探测与跟踪，得到信号源的方位信息，即方位角和俯仰角；
跟踪模块，在实现对目标的定位后，结合声波在水中传输的速度、衰减规律，在确保控制误差的前提下间隔一定时间进行定位，最终实现水下声源运动对轨迹跟踪。
2.根据权利要求1所述的水下近场声源运动轨迹追踪系统，其特征在于：在对浅海近程声源定位时，将矢量水听器与声压水听器组成水平线阵，称之为组合阵，利用矢量水听器的振速信息判别真实声源的位置。
3.根据权利要求2所述的水下近场声源运动轨迹追踪系统，其特征在于：
假设海水深度为H，M元均匀矢量阵位于zm处，把中心阵元当做参考阵元，以中心阵元在海底的投影为坐标系原点，建立直角坐标系，
设第m个阵元的坐标为(xm,ym,zm)，m＝1,2,3,....,M，声源的坐标为(x0,y0,z0)，则第M个阵元接收到的信号可表示为：
其中，
zl1＝2Hl+z0-zm (6)，
zl2＝2H(l+1)-z0-zm (7)，
zl3＝-2Hl-z0-zm (8)，
zl4＝-2H(l+1)+z0-zm (9)，
式中，p表示基阵接收到的声压信号，vx、vy、vz分别表示基阵接收到的质点振速信息在x轴、y轴、z轴方向的分量，v是海面反射系数，设为-1，vli是海底反射系数，θli、分别表示声源到达接收点声线对应的方位角和俯仰角，zuli是复阻抗，可表示为：
4.根据权利要求1所述的水下近场声源运动轨迹追踪系统，其特征在于：声波在水介质中的传播规律用压力场通过海洋的传播来描述，满足与时间无关的亥姆霍兹方程，当初始条件与边界条件确知时，方程有唯一确定解。
5.根据权利要求4所述的水下近场声源运动轨迹追踪系统，其特征在于：
首先采用简化的与时间有关的双曲型二阶线性偏徼分方程:
式中是拉普拉斯算子；t是时间，/>是与时间函数有关的势函数：c＝c(x,y,z)为声速，是位置的函数；
引入简谐解，即假定势函数的简谐解是:
式中是与事件无关的势函数，w为声源频率，亥姆霍兹方程就可以简化为：
式中为波数，λ为波长，上式就是亥姆霍兹方程，又被称为与事件无关的或频率无关的波动方程。
6.根据权利要求1所述的水下近场声源运动轨迹追踪系统，其特征在于：所述特定算法采用ac-MUSIC聚焦波束算法，即将基于幅度补偿的近场空间谱估计方法ac-MVDR与MUSIC相结合。
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