一种低频双矢量水听器阵列的测距方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于矢量阵列信号处理领域，提出了一种基于宽频带波导不变量的分布式 测距方法，该方法弥补了传统单频、标量方法在单条水平阵测距方面的不足，能够高质量的 判定出目标与接收水听器几何中心的距离。
【背景技术】
[0002] 当前成熟的常规被动测距手段多适用于深海稳定环境，而对于较为复杂的浅海环 境，还面临着许多问题。浅海波导作为声信号传播的环境载体，是一个极其复杂多变的声信 道，信道的多途效应、频散效应、水体的不均匀性、海底参数的不确定性、海底海面的不平整 等因素均会引起声信号的畸变，从根源上导致传统声纳探测技术在实际使用时性能不佳。 因此发展无需精确海洋环境的先验知识，也不严格要求阵型不变的稳健被动测距算法意义 重大。
[0003] 浅海低频水声信道的不确定中也蕴含有相对的统计不变性，如果能利用水声信道 的这种统计不变特征(如波导不变量3)来实现被动测距，可以基本不受环境不确定因素的 影响。
[0004] 在目标距离随时间变化的情况下，对接收器接收的目标宽带噪声信号进行L0FAR分析，接收到的L0FAR图上会出现有规律的条纹，这是由于构成声场的各个简正波之间的 互相干涉随距离变化而导致的，这种现象称为波导不变性，可以用波导不变量(记为0 )来 表征。基于波导不变量的目标测距方法是一种宽容的水下目标测距方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，为克服上述问题，本发明提供了一种低频双矢量水听器阵列 的测距方法及系统。
[0006] 本发明提出的分布式低频矢量水听器阵列的测距方法，根据矢量阵列的输出信号 特性，给出了矢量阵的快速宽带频域波束形成方法，并分别对海洋环境信息了解程度的低 和高，有两类基于波导不变量的测距方法：一种是不需要精确环境信息的基于提取波导不 变量的测距方法；一种是依据环境信息，进行理论计算得到波导不变量的目标测距方法。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种低频双矢量水听器阵列的测距方法，该方 法基于被动测距，所述方法包含：
[0008] 步骤101)利用两个矢量水听器水平线阵列接收目标发射的来自e方向的信号， 然后对接收的信号进行波束形成；
[0009] 步骤102)基于形成的波束信号得到各波束的L0FAR图，然后基于L0FAR图提取波 导不变量；
[0010] 步骤103)根据提取的波导不变量，利用分布式的两个矢量水听器水平线阵对探测 目标声强的干涉图进行目标距离估计。
[0011] 可选的，矢量水听器水平线阵采用声能流信号进行波束形成，公式为：
[0012]Dj=eH ?Re(Rpv) ?gv
[0013] 其中，所述矢量阵列包含声压传感器和质点振速传感器，从而能够共点同步测量 空间某点处的声压和三个质点振速正交分量：P，Vx，Vy，Vz ;RPV表示声能流；gv表示方向扫描 向量；Re()表不取信号实部山:表不基于声能流的波束形成输出。
[0014] 上述步骤102)进一步包含：
[0015] 步骤201)对声能流信号进行采样，然后将声能流信号的采样序列分成连续的若干 帧，且每帧包含N个采样点；
[0016] 步骤202)对每帧信号的采样样本L(n)作归一化和中心处理；
[0017] 步骤203)对矢量传感器接收到的信号x(n)作短时傅立叶变换得到L0FAR谱图；
[0018] 步骤204)基于L0FAR谱图的干涉条纹的斜率值，估计波导不变量的值_
[0019] 上述步骤103)依据波导不变量的值和信号方位角0的值，采用如下公式估计矢 量水听器水平线阵列中心与目标的距离r:
[0020]
【主权项】
1. 一种低频双矢量水听器阵列的测距方法，该方法基于被动测距，所述方法包含： 步骤101)利用两个矢量水听器水平线阵列接收目标发射的来自0方向的信号，然后 对接收的信号进行波束形成； 步骤102)基于形成的波束信号得到各波束的LOFAR图，然后基于LOFAR图提取波导不 变量； 步骤103)根据提取的波导不变量，利用分布式的两个矢量水听器水平线阵对探测目标 声强的干涉图进行目标距离估计。
2. 根据权利要求1所述的低频双矢量水听器阵列的测距方法，其特征在于，矢量水听 器水平线阵采用声能流信号进行波束形成，公式为： D1 =eH ?Re(Rpv) ?gv 其中，所述矢量阵列包含声压传感器和质点振速传感器，从而能够共点同步测量空间 某点处的声压和三个质点振速正交分量七乂^乂^^^表示声能流品表示方向扫描向 量；Re()表不取信号实部！D1表不基于声能流的波束形成输出。
3.根据权利要求1或2所述的低频双矢量水听器阵列的测距方法，其特征在于，所述步 骤102)进一步包含： 步骤201)对声能流信号进行采样，然后将声能流信号的采样序列分成连续的若干帧， 且每帧包含N个采样点； 步骤202)对每帧信号的采样样本L(n)作归一化和中心处理； 步骤203)对矢量传感器接收到的信号x(n)作短时傅立叶变换得到LOFAR谱图； 步骤204)基于LOFAR谱图的干涉条纹的斜率值，估计波导不变量的值_
4. 根据权利要求3所述的低频双矢量水听器阵列的测距方法，其特征在于，所述步骤 103)依据波导不变量的值和信号方位角0的值，采用如下公式估计矢量水听器水平线阵 列中心与目标的距离r:
其中，> 为估计得到的波导不变量的值，&表示某个具体的方位，P表示两个矢量水听 器水平线阵列输出的频域波束形成信号的相关系数。
5. 根据权利要求4所述的低频双矢量水听器阵列的测距方法，其特征在于，所述相关 系数P的计算公式为：
其中，Pb(?，r)表示水听器阵列波束频域输出，d为两个矢量水听器水平线阵列的 间距；At表示两水听器阵列接收信号的时间差；O1表示第一水听器阵列接收信号角频 率；表示第二水听器阵列接收信号角频率；P表示波导不变量。
6. -种低频双矢量水听器阵列的测距系统，该系统基于被动测距，所述系统包含： 位于两个矢量水听器水平线阵列各阵元上的波束接收和形成模块，用于接收来目标发 射的来自e方向的信号，然后对接收的信号进行波束形成； 波导不变量提取模块，用于基于形成的波束信号得到各波束的LOFAR图，然后基于LOFAR图提取波导不变量； 距离估计模块，用于根据提取的波导不变量，利用分布式的两个矢量水听器水平线阵 对探测目标声强的干涉图进行目标距离估计。
7. 根据权利要求6所述的低频双矢量水听器阵列的测距系统，其特征在于，矢量水听 器水平线阵采用声能流信号进行波束形成，公式为： D1 =eH ?Re(Rpv) ?gv 其中，所述矢量阵列包含声压传感器和质点振速传感器，从而能够共点同步测量空间 某点处的声压和三个质点振速正交分量七乂^乂^^^表示声能流品表示方向扫描向 量；Re()表不取信号实部！D1表不基于声能流的波束形成输出。
8. 根据权利要求6或7所述的低频双矢量水听器阵列的测距方法，其特征在于，所述波 导不变量提取模块进步包含： 帧划分子模块，用于对波束形成的声能流信号进行采样，然后将声能流信号的采样序 列分成连续的若干帧,且每帧包含N个采样点； 处理子模块，用于对帧划分子模块得到的每帧信号的采样样本L(n)作归一化和中心 处理； LOFAR谱图获取子模块，用于对矢量传感器接收到的信号x(n)作短时傅立叶变换得到LOFAR谱图； 波导不变量估计子模块，用于基于LOFAR谱图的干涉条纹的斜率值，估计波导不变量 的值/厂
9. 根据权利要求8所述的低频双矢量水听器阵列的测距系统，其特征在于，所述距离 估计模块依据波导不变量的值和信号方位角9的值，采用如下公式估计矢量水听器水平 线阵列中心与目标的距离 r:
其中，> 为估计得到的波导不变量的值，g表示某个具体的方位，P表示两个矢量水听 器水平线阵列输出的频域波束形成信号的相关系数。
10. 根据权利要求9所述的低频双矢量水听器阵列的测距方法，其特征在于，所述相关 系数P的计算公式为：
其中，Pb(?，r)表示水听器阵列波束频域输出，d为两个矢量水听器水平线阵列的 间距；At表示两水听器阵列接收信号的时间差；O1表示第一水听器阵列接收信号角频 率；表示第二水听器阵列接收信号角频率；P表示波导不变量。
【专利摘要】本发明提供一种低频双矢量水听器阵列的测距方法及系统，该方法基于被动测距，所述方法包含：步骤101）利用两个矢量水听器水平线阵列接收目标发射的来自θ方向的信号，然后对接收的信号进行波束形成；步骤102）基于形成的波束信号得到各波束的LOFAR图，然后基于LOFAR图提取波导不变量；步骤103）根据提取的波导不变量，利用分布式的两个矢量水听器水平线阵对探测目标声强的干涉图进行目标距离估计。本发明的优点在于：矢量水听器阵列具有良好的左右舷分辨能力；在阵元数、SNR等一样的条件下，矢量阵的测向精度明显优于声压阵，图像更清晰；采用宽带信号CBF其精确度更高；将分布式矢量水听器阵列运用到目标测距工作中，能够简便、精准的探测目标距离。
【IPC分类】G01S15-08
【公开号】CN104714235
【申请号】CN201310689350
【发明人】王文博, 于倍, 王赞, 王鹏, 张春华, 黄勇
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2013年12月16日