单水听器自由场被动测距方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明设及一种测距方法。
【背景技术】
[0002] 对水下目标进行被动测距是水声信号处理领域的热点问题之一。经典的水下被动 测距方法主要包括方位法和时差法（田坦.声纳技术（第二版）.哈尔滨工程大学出版社， 2010.毛卫宁.水下被动定位方法回顾与展望.东南大学学报，2001; 31 (6): 129-132.)。方位 法使用二个或二个W上的水听器子阵，每个水听器子阵对目标进行测角，利用各自所测角 度计算出目标所在距离。但是，方位法要求水听器子阵之间的间距较大，且测距误差也较 大。时差法的基本原理即Ξ元定位法，使用Ξ个水听器或Ξ个水听器子阵采集目标福射信 号，通过估计水听器或子阵之间的两两时延差来被动估计目标距离（田坦.声纳技术(第二 版）.哈尔滨工程大学出版社，2010.)。为了获得较高的测距精度，时差法要求水听器或子阵 之间的间距足够大，运容易受到水下平台有限表面空间的限制而难W布阵。即便可W进行 大间距布阵，也面临着声场相关性变差而导致精确时延估计难W实现的问题。
[0003]此外，在波导环境中，单水听器可W结合水下声场传播特性进行被动测距（毛卫 宁.水下被动定位方法回顾与展望.东南大学学报，2001;31 (6):129-132.李礙，方世良，安 良.非合作水声脉冲信号的单水听器匹配场定位研究.电子与信息学报，2012:34(11): 2541-2547.李礙，方世良，安良.基于频散特征的单水听器模式特征提取及距离深度估计研 究.物理学报，2013;62(9): 094303-1-094303-10.)。然而，运些方法仅能够在水下波导环境 中使用，并且需要结合波导环境下声场的特殊结构，在自由场环境中几乎不可用。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种单水听器在自由场中进行被动测距的 方法，利用目标信号中的不同离散频率分量具有不同相移运一特点，沿着距离为进行波束 形成，通过捜索距离维波束形成的主瓣峰值位置来被动估计目标距离。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括W下步骤：
[0006] 1)W单个水听器为坐标原点，使用该水听器采集目标信号，从采集的目标信号中 提取N组离散频率分量，第η组离散频率分1巧包含Ln个分量，其中，<"代表第η组 中第1。个离散频率分量；
[0007] Ν组离散频率分量覆盖的频段范围均相同，其组内Ln个分量上对应的频率值形成 等差数列，Ln个频率值表示为LnX1维列向量fn，
对应的频率公差为Δf。， /2。'-乂。二巧一/占.=.4f?，各组的频率公差不相等，即Afn辛Afm，m=l，2,…，N，m辛η; [000引2)对腺且离散频率分量进行处理，获得距离维波束形成输出，包括W下内容：
[0009] 首先，利用离散频率分量Χη来构建协方差矩阵Rn，R。=Χ,,Χ;1
[0010] 其次，针对第η组离散频率分量，构建距离维扫描向量
其中， r为变化的距离值;设计LnX1维的加权向量Wn(：r)=AnΘan(:r)，其中，An为幅度加权向量，曰 为Hadam曰rdfK;
[0011] 然后，采用距离维加权向量Wn(r)沿着距离维进行扫描，得到距离维波束形成输 出，其中，第η组离散频率分量所获得的距离维波束形成输出
[0012] 最后，将Ν组距离维波束形成输出进行叠加，获得最终的距离维波束形成输出
[0013] 本发明的有益效果是:利用单水听器采集目标信号，提取信号中的多组离散频率 分量，通过对多组离散频率分量进行距离维波束形成和进一步的波束输出结果叠加处理， 获得最终的距离维波束形成并通过捜索峰值获得测距结果。本发明突破了传统方法中单水 听器在自由场无法进行被动测距的难题，为被动测距提供了新的思路。
[0014] 本发明的基本原理经过了理论推导，实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其 结果表明本发明提出的方法可W利用单水听器在自由场环境中进行被动测距。
【附图说明】
[0015] 图1是单水听器自由场被动测距的坐标系统示意图，其中空屯、圆代表单水听器；
[0016] 图2是本发明中所设及步骤的主要流程图；
[0017] 图3是处理第η组离散频率分量，获得对应的距离维波束形成输出的流程图；
[0018] 图4是实施实例的输出结果示意图，其中，（a)是处理第1组离散频率分量所获得的 距离维波束形成输出结果示意图；（b)是处理第10组离散频率分量所获得的距离维波束形 成输出结果示意图；
[0019] 图5是实施实例中最终的距离维波束形成输出结果示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施 例。
[0021] 本发明的主要内容有：
[0022] 1.利用单水听器采集目标信号，提取目标信号中的N组离散频率分量，每组离散频 率分量上的频率值形成等差数列，且各组的频率公差不相等。
[0023] 2.对N组离散频率分量进行距离维波束形成，获得N组距离维波束形成输出。将N组 距离维波束形成输出进行求和，获得最终的距离维波束形成输出，通过寻找主瓣峰值位置 来被动估计目标距离。
[0024] 3.通过计算机仿真，给出了本发明所提方法的被动测距结果，通过被动测距结果 检验了本发明中所提的单水听器自由场被动测距方法的有效性。
[0025] 本发明解决现存问题所采用的技术方案可分为W下2个步骤：
[0026] 1)利用单水听器被动接收目标信号，提取目标信号中的N组离散频率分量。每组离 散频率分量覆盖的频率范围相等，每组内的频率值形成等差数列。第η(η=1，2，···，Ν)组离 散频率分量的频率公差设为Δfn，且各组的频率公差不相等。
[0027] 2)对N组离散频率分量进行距离维波束形成。W第η组离散频率分量为例，针对其 中离散频率分量设计加权向量并进行加权求和，达到距离维波束形成的效果，获得不同距 离上的波束输出。Ν组离散频率分量总共获得Ν组波束输出。将Ν组波束输出进行求和，获得 最终的距离维波束形成输出，通过寻找主瓣峰值位置来被动估计目标距离。<