基于短垂直阵的水下目标定位稳健方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水声工程、海洋工程和声纳技术等领域，尤其涉及适用于基于短垂直 阵的水下目标定位稳健方法。
【背景技术】
[0002] 以声线理论为基础建立信道模型后，匹配场被动定位的方法也要随着改变。利用 本征声线到达结构的特征进行匹配是其主要选择。本征声线特征匹配算法，以本征声线的 到达参数特征为着眼点。在匹配定位中，先从实际的接收信号中分解出本征声线的到达角 与相对到达时延等作为匹配信息，而后根据事先计算好的本征声线到达结构图进行匹配运 算，最后得出声源位置的估计。由于本征声线到达结构图的计算仅涉及本征声线的部分信 息，而且在进行特征匹配定位时用一次本征声线到达参数的分解运算代替了场匹配时的 千百次声场合成运算，计算效率大大提高。综上所述，特征匹配算法是声线理论信道模型下 匹配定位的可行算法。
[0003] 本征声线的相对到达时延估计是基于声线理论信道模型的匹配场被动定位方法 中的关键环节，利用现有的时延估计算法来估计本征声线的相对到达时延是比较困难的， 尤其在声学环境更为复杂的浅海波导中，情况更是如此。在浅海波导中，随着声源和水听器 之间距离的增加，本征声线条数也将不断增加，这将进一步增加时延估计的难度。因此要想 充分利用水听器接收信号中包含的多途时延信息来实现水下目标定位，必须寻找新的方法 和技术途径。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种充分利用水听器接收信号中包含的多途时延信息来 实现水下目标定位的基于短垂直阵的水下目标定位稳健方法。
[0005] 为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
[0006] 步骤1:在水声信道中放置短垂直阵来实现水下目标的被动定位；
[0007] 步骤2:估计出目标的距离和深度，被动定位方法是设计宽带恒定扇区响应空域 矩阵滤波器；
[0008] 步骤3:对短垂直阵接收宽带信号进行空域滤波，分别输出-90°~0°下半空间 和0°~90°上半空间两部分；
[0009] 步骤4:然后分别做自相关，得到其自相关函数；
[0010] 步骤5:根据自相关函数的性质，自相关函数在相对到达时延和交叉时延处出现 峰值；
[0011] 步骤6:利用声线模型计算各测试点源到达短垂直阵中心位置的相对到达时延和 幅度；
[0012] 步骤7:同样选取一 90°~0°下半空间和0°~90°上半空间两部分；
[0013] 步骤8:分别构造加权函数，对自相关函数的绝对值进行加权求和；
[0014] 步骤9:分别得到上、下半空间对应的定位模糊平面；
[0015] 步骤10:对上、下半空间定位结果进行平均；
[0016] 步骤11:最终得到水下目标的定位模糊平面，判定目标的距离和深度。
[0017] 具体的步骤如下：
[0018] 步骤1 :利用水听器对水声信号进行采样，设采样率为fs;对水听器接收信号进行 带通滤波，要求带通滤波器具有较宽的通带；
[0019] 步骤2:设计宽带恒定扇区响应空域矩阵滤波器，分别获取一 90°~0°下半空间 和0°~90°上半空间的宽带信号；
[0020] 步骤3 :利用下式计算其上、下半空间对应的宽带信号的自相关函数：
【主权项】
1. 一种基于短垂直阵的水下目标定位稳健方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤1:在水声信道中放置短垂直阵来实现水下目标的被动定位； 步骤2:估计出目标的距离和深度，被动定位方法是设计宽带恒定扇区响应空域矩阵 滤波器； 步骤3:对短垂直阵接收宽带信号进行空域滤波，分别输出-90°~0°下半空间和 0°~90°上半空间两部分； 步骤4:然后分别做自相关，得到其自相关函数； 步骤5:根据自相关函数的性质，自相关函数在相对到达时延和交叉时延处出现峰值； 步骤6:利用声线模型计算各测试点源到达短垂直阵中心位置的相对到达时延和幅 度； 步骤7:同样选取一 90°~0°下半空间和0°~90°上半空间两部分； 步骤8:分别构造加权函数，对自相关函数的绝对值进行加权求和； 步骤9:分别得到上、下半空间对应的定位模糊平面； 步骤10:对上、下半空间定位结果进行平均； 步骤11:最终得到水下目标的定位模糊平面，判定目标的距离和深度。
2. 根据权利要求1所述的基于短垂直阵的水下目标定位稳健方法，其特征在于：具体 包括以下步骤： 步骤1 :利用水听器对水声信号进行采样，设采样率为fs;对水听器接收信号进行带通 滤波，要求带通滤波器具有较宽的通带； 步骤2:设计宽带恒定扇区响应空域矩阵滤波器，分别获取一 90°~0°下半空间和 0°~90°上半空间的宽带信号； 步骤3 :利用下式计算其上、下半空间对应的宽带信号的自相关函数：
假设信号与噪声互不相关，如果s(n)是服从独立同分布的宽带白噪声或宽带信号（如 线性调频信号），多途接收信号X (η)的自相关函数的绝对值giS(?)|在m = 0, ni，I1^ni时出 现峰值；本征声线的相对到达时延包含在这些峰值位置中，但是要从这些峰值位置估计它 们的相对到达时延是非常困难的；其原因在于自相关函数绝对值不仅在真实本征 声线到达时延位置Hi处出现峰值，而且在它们的交叉位置n j-rii也出现峰值； 步骤4 :采用已知的环境参数（声速剖面采用经验正交函数法拟合得到）和短垂直阵 中心位置等先验信息，利用声线理论模型计算得到测试点源（r，z)到达短垂直阵中心位置 的本征声线相对到达时延τ和幅度amplUude eigen，将相对到达时延乘以采样率fs转换为 其对应的采样周期数(Ielayfiigm= τ Xf s+l，如无特别说明，下面的到达时延均指其对应的 采样周期数； 步骤5 :分别选取一 90°~0°下半空间和0°~90°上半空间内的本征声线； 步骤6 :根据式（1)，计算一 90°~0°下半空间对应的本征声线到达时延的交叉时延 delayCMSS= (n j-rO 和交叉幅度_/"山'命,,、、=|n|; 步骤7 :将本征声线到达时延delayeigen和交叉时延delay eMSS组合在一起得到全 部时延信息(^]^=[(16]^_11(16]^。_];将本征声线到达幅度31]^1；[1：11(16_ 11和交 叉幅度amp I i tudeeMSS也组合在一起得到相应的幅度信息amp I i tude = [amp I i tude eigen amplitudeeMSS]，注意时延要和其幅度保持--对应； 步骤8:改变测试点源的位置，使其在一定邻域范围（△!，Λζ)内变化，重复步骤4~ 7,计算得到邻域相应本征声线到达时延（含交叉时延）delayMighbOTh(Md和幅度（含交叉幅 度）amplitude neighbOTh(rad，实际使用时，只需要对邻域划分少量网格，将测试点源依次放置到 各网格点上即可； 步骤9 :将邻域相应到达时延delayneighbOTh(rad按先后顺序进行排序得到Delay neighbOTh(rad， 对幅度amplitude^hb^^^S相应排序得到Amplitude neighborhoodJ 使幅度对应其相应的到 达时延； 步骤10 :去除DelayneighbOTh(rad中冗余的重复时延，得到DneighbOTh(K)d，相应的幅度取这些重 复时延对应的最大值，得到八^&^^^重复时延产生的原因是：声线理论模型计算得到的 本征声线到达时延分辨率是有限的，而且交叉时延也可能与本征声线到达时延或其它交叉 时延相同； 步骤11 :设定时延差门限Λ = ATXfs(转化为采样周期数）；当DMighbOTh(K)d*两相邻 时延的时延差Π 小于门限Λ时，则在这两个相邻时延之间插入Π -1个时延，其对应的幅 度由两个时延对应的幅度进行线性差值得到，这样就得到差值后的到达时延D和相应的幅 度Α; 步骤12 :利用到达时延D和幅度A构造加权函数w (m ;r, ζ); 步骤13 :利用加权函数w(m ;r, z)的时延信息D对接收信号的自相关函数绝对值 进行取值，然后利用加权函数w (m ;r，ζ)的幅度信息A进行加权求和，即可得到邻域 约束下测试点源对应的输出功率_ 步骤14:在预期目标位置区域内进行搜索，重复步骤4~13,构造一 90°~0°下半空 间对应的输出功率模糊平面； 步骤15 :同样的方法，构造0°~90°上半空间对应的输出功率模糊平面； 步骤16:对一 90°~0°下半空间和0°~90°上半空间对应的输出功率模糊平面进 行平均，得到最终的定位模糊平面，该定位模糊平面内的峰值即为目标距离和深度的最大 似然估计。
【专利摘要】本发明涉及水声工程、海洋工程和声纳技术等领域，尤其涉及适用于短垂直阵的水下目标定位稳健方法,目的在于提供一种充分利用水听器接收信号中包含的多途时延信息来实现水下目标定位稳健方法。包括在水声信道中放置短垂直阵来实现水下目标的被动定位；估计出目标的距离和深度，被动定位方法是设计宽带恒定扇区响应空域矩阵滤波器；对短垂直阵接收宽带信号进行空域滤波，然后分别做自相关，得到其自相关函数；利用声线模型计算各测试点源到达短垂直阵中心位置的相对到达时延和幅度；分别构造加权函数，对自相关函数的绝对值进行加权求和；分别得到上、下半空间对应的定位模糊平面；最终得到水下目标的定位模糊平面，判定目标的距离和深度。在有效降低了系统实现复杂度，提高了系统稳健性。
【IPC分类】G01S15-06
【公开号】CN104765037
【申请号】CN201510193866
【发明人】张同伟, 杨坤德, 丁忠军, 杨波, 刘烨瑶, 唐嘉陵
【申请人】国家深海基地管理中心
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月22日