一种高速刚体撞击水面移动目标的时刻提取方法及系统与流程

本发明涉及一种水声被动信号的时间提取方法，具体涉及一种基于水声被动信号的高速刚体撞击水面移动目标时刻提取方法及系统。

背景技术：

水声被动信号特征提取技术是当今世界各国研究的热点和难点，尤其是在水中目标定位应用等军事领域上。高速刚体撞击水面移动目标时刻的提取，是完成水中目标定位时间统一的重要技术保障，对于类似导弹等刚体打击靶船等目标具有重要的参考价值，然而水声被动信号特征的提取相比于主动接收已知声源信号具有很大的不确定性与干扰性。因此如何准确的提取被动信号特征时刻，已成为困扰提高水中目标定位精度的关键因素，各国海军都高度重视该技术的研究与创新。

基于水声信号的目标定位工作方式主要分为：应答器式和同步信标式。应答器式工作方式利用发送与接收信号的时差来计算距离；而同步信标式工作方式是依靠基阵基元上的高精度时钟同步系统，与不同基元接收时间的差值来解算距离。与应答式系统相比，信标式系统在基元的硬件设备上要求比较简单，成本较低，但对时钟同步的要求比较高。

传统信标式工作方式中，各阵基元接收撞击时刻的脉冲信号，并对脉冲信号进行准确的识别与提取，测得其时延后在进行空间交汇获得目标的三维坐标。而时刻的提取直接影响时延差值，最终影响目标的定位精度。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种高速刚体撞击水面移动目标的时刻提取方法及系统，基于水声信号获取了高速刚体撞击水面移动目标的时刻，利用上述时刻可计算同步信标式中不同基元之间的时延信息，再结合空间交汇原理可解算出刚体的落点位置。

本发明所采用的技术方案是：一种高速刚体撞击水面移动目标时刻提取方法，包括步骤如下：

步骤一、利用水听器接收高速刚体撞击水面移动目标的水声信号w_signal；

步骤二、对水声信号进行滤波处理，得到滤波后的水声信号w_signal_filter；

步骤三、设定水声信号幅值的有效因子为effec_v；

步骤四、对滤波后的水声信号w_signal_filter进行求均值计算，得到均值w_mean_v，并绘制滤波后的水声信号与均值线相交的示意图，示意图的横坐标是时间，纵坐标是水声信号的幅值；

步骤五、在步骤四中获得的滤波后的水声信号与均值线相交的示意图上，标注滤波后的水声信号w_signal_filter的所有峰值点；

步骤六、利用有效因子effec_v，舍去步骤五标注的所有峰值点中小于effec_v的峰值点，得到依据有效因子舍去部分峰值点的示意图，解算出依据有效因子舍去部分峰值点的示意图中第一个峰值起振点与均值w_mean_v线的交点cross_p的横坐标值，交点cross_p的横坐标为撞击时刻。

所述高速刚体指速度在300～1500m/s范围内的刚体。

所述步骤二中采用中心滑动平均滤波方法对水声信号进行滤波处理，中心滑动平均滤波方法的公式如下：

...

...

其中，w_signal(i)为水声信号w_signal的第i个采样点；

w_signal_filter(i)为滤波后的水声信号w_signal_filter的第i个离散点；i为正整数。

所述水声信号幅值的有效因子effec_v＝k*max(w_signal)，其中，k为系数，max(w_signal)为水声信号的最大幅值，系数k＝0.18～0.3。

一种高速刚体撞击水面移动目标时刻提取系统，包括：第一模块、第二模块、第三模块；

第一模块，用于利用水听器接收高速刚体撞击水面移动目标的水声信号w_signal；对水声信号进行滤波处理，得到滤波后的水声信号w_signal_filter；并设定水声信号幅值的有效因子为effec_v；

第二模块，用于对滤波后的水声信号w_signal_filter进行求均值计算，得到均值w_mean_v，并绘制滤波后的水声信号与均值线相交的示意图，示意图的横坐标是时间，纵坐标是水声信号的幅值；

第三模块，用于在第二模块中获得的滤波后的水声信号与均值线相交的示意图上，标注滤波后的水声信号w_signal_filter的所有峰值点；利用有效因子effec_v，舍去步骤五标注的所有峰值点中小于effec_v的峰值点，得到依据有效因子舍去部分峰值点的示意图，解算出依据有效因子舍去部分峰值点的示意图中第一个峰值起振点与均值w_mean_v线的交点cross_p的横坐标值，交点cross_p的横坐标为撞击时刻。

所述高速刚体指速度在300～1500m/s范围内的刚体。

所述第一模块中采用中心滑动平均滤波方法对水声信号进行滤波处理，中心滑动平均滤波方法的公式如下：

...

...

其中，w_signal(i)为水声信号w_signal的第i个采样点；

w_signal_filter(i)为滤波后的水声信号w_signal_filter的第i个离散点；i为正整数。

所述水声信号幅值的有效因子effec_v＝k*max(w_signal)，其中，k为系数，max(w_signal)为水声信号的最大幅值，系数k＝0.18～0.3。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的方法和系统可以准确的利用水声信号提取高速刚体撞击水面移动目标的撞击时刻；可以自动的利用水声信号提取高速刚体撞击水面移动目标的撞击时刻；

(2)本发明的方法和系统针对水声被动信号中自动提取高速刚体撞击水面移动目标时刻的问题，准确的提取撞击时刻，对于同步信标式水声定位具有重要的意义，通过实际试验验证了该方法的可行性与准确性，可以实现撞击时刻的精确自动提取。

附图说明

图1为本发明方法实现的主要框图；

图2为水听器接收的原始水声信号图；

图3为滤波后的水声信号图；

图4为滤波后的水声信号与均值线相交示意图；

图5为滤波后的水声信号标注所有峰值点示意图；

图6为依据有效因子舍去部分峰值点示意图；

图7为第一个峰值起振点与均值交点示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

高速刚体撞击水面移动目标时刻提取方法及系统，它由以下步骤实现：

步骤一、利用水听器接收高速刚体撞击水面移动目标的水声信号w_signal，高速刚体指速度300～1500m/s的刚体。

步骤二、对水声信号进行中心滑动平均滤波处理，得到滤波后的水声信号w_signal_filter，中心滑动平均滤波方法的公式如下：

...

...

其中，w_signal(i)为水声信号w_signal的第i个采样点；

w_signal_filter(i)为滤波后的水声信号w_signal_filter的第i个离散点；i为正整数。

步骤三、设定水声信号幅值的有效因子为effec_v，水声信号幅值的有效因子effec_v＝k*max(w_signal)，其中，系数k＝0.18～0.3，max(w_signal)为水声信号的最大幅值；

步骤四、对滤波后的水声信号w_signal_filter进行求均值计算，得到均值w_mean_v，并画出滤波后的水声信号与均值线相交示意图，该图的横坐标是时间，纵坐标是水声信号的幅值；

步骤五、在步骤四中获得的滤波后的水声信号与均值线相交示意图上，标注滤波后水声信号w_signal_filter的所有峰值点，得到滤波后的水声信号标注所有峰值点示意图，该图的横坐标是时间，纵坐标是水声信号的幅值；

步骤六、利用有效因子effec_v，舍去步骤五中小于effec_v的峰值点，得到依据有效因子舍去部分峰值点示意图，该图的横坐标是时间，纵坐标是水声信号的幅值，解算出该图的第一个峰值起振点(即撞击时刻)与均值w_mean_v线的交点cross_p坐标值。

交点cross_p的横坐标即为撞击时刻。

一种高速刚体撞击水面移动目标时刻提取系统，包括：第一模块、第二模块、第三模块；

第一模块，用于利用水听器接收高速刚体撞击水面移动目标的水声信号w_signal；采用中心滑动平均滤波方法对水声信号进行滤波处理，得到滤波后的水声信号w_signal_filter；并设定水声信号幅值的有效因子为effec_v；水声信号幅值的有效因子effec_v＝k*max(w_signal)，其中，系数k＝0.18～0.3，max(w_signal)为水声信号的最大幅值；

第二模块，用于对滤波后的水声信号w_signal_filter进行求均值计算，得到均值w_mean_v，并绘制滤波后的水声信号与均值线相交的示意图，示意图的横坐标是时间，纵坐标是水声信号的幅值；

第三模块，用于在第二模块中获得的滤波后的水声信号与均值线相交的示意图上，标注滤波后的水声信号w_signal_filter的所有峰值点；利用有效因子effec_v，舍去步骤五标注的所有峰值点中小于effec_v的峰值点，得到依据有效因子舍去部分峰值点的示意图，解算出依据有效因子舍去部分峰值点的示意图中第一个峰值起振点与均值w_mean_v线的交点cross_p的横坐标值，交点cross_p的横坐标为撞击时刻。

实施例

根据试验过程，水听器距离声源约350米远，水深约4.5米，高速刚体撞击水面移动目标时刻的提取过程，实现的主要步骤如图1所示，具体如下进行：

(1)水听器接收高速刚体撞击水面移动目标时段的水声信息，得到的原始水声信号w_signal与其对应的时间数据，如图2所示，这里高速刚体的速度为800m/s；

(2)对水声信号进行中心滑动平均滤波处理，得到滤波后的水声信号w_signal_filter与其对应的时间数据，如图3所示，其中，中心滑动平均滤波按照如下式进行：

...

...

这里的i值为本次的采样点数即i＝50000*30＝1500000；

(3)设定水声信号幅值的有效因子系数为k＝0.2，因此有效因子

effec_v＝0.2*max(w_signal)；

(4)将滤波后的水声信号w_signal_filter的所有数据的幅值进行相加求和，将求和后的数据除以采样点数50000*30＝1500000，得到均值w_mean_v，再画出水声信号与均值线相交图，如图4所示，此时可以得到若干个交点；

(5)在图4中标注滤波后水声信号w_signal_filter的所有峰值点，得到滤波后的水声信号标注所有峰值点示意图，如图5所示；

(6)将图5中所有峰值点的值与幅值的有效因子effec_v做比较，将小于effec_v的峰值全部舍去，得到依据有效因子舍去部分峰值点示意图，如图6所示；

找到图6中第一个峰值点前与均值w_mean_v线的交点的最近的一个点cross_p，该点即为起振点(即撞击时刻)，如图7所示，此时交点cross_p的横坐标即为所要提取的撞击时刻值，经计算得到该点的横坐标为23.431832s。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。