专利名称：基于小波变换的水声定位测量方法和测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及水声定位测量技术，特别是涉及采用小波变换的水声定位测量方法和测量系统。
背景技术：
水声定位测量对于海洋工程设计、海洋环境监测以及海洋科学研究等都是非常重要的。
目前常用的水声定位测量方法包括测向定位法、时间延迟定位法、多普勒频率定位法等，其中的多普勒频率定位法是一种快速高精度的定位技术，可以通过傅立叶变换等平稳信号时频分析原理，对多普勒频率进行测量。
但是，傅立叶变换对于实际测量中的非平稳信号处理存在着局限性。随着信号处理技术的发展，小波变换成为非平稳信号处理的一种新方法。
发明内容
针对信号处理技术的发展，本发明推出基于小波变换的新的水声定位测量方法，其目的在于通过水听器阵从水中直接接收目标源信号，根据多普勒原理的小波变换计算源信号的频率变量，反演目标源的运动速度和距离，根据三角定位法，确定目标源的位置参数。同时，本发明还推出实施上述基于小波变换的水声定位方法的测量系统。
测量原理 水声定位测量过程中，通过水听器(接收器)阵从目标源直接接收的信号，会由于接收器或目标源的信号发射器、或二者同时相对运动，而使接收器接收到的频率与发射器(目标源)发出的频率不同的现象，即为多普勒效应，这一原理称为多普勒原理。
设发射器发射信号ψ(t)，接收器接收的信号f(t)，v表示发射器和接收器相对运动的速度；再设t＝0时接收器与发射器间的距离为R0，用R(t)代表在任意时刻t接收器和发射器间的距离，有 R(t)＝R0+vt (1) 当v＝0，此时发射器和接收器相对静止，接收器接收的信号f(t)有 f(t)＝aψ(t-d) (2) 其中，a是波源传播幅度损耗的衰减因子，d是接收波相对于发射波的时间延迟，即时延， d＝Ro/c (3) 其中，c代表发射波的传播速度，对于水下声波为声速。
当v≠0，此时发射器和接收器相对运动，接收器接收的信号f(t)有 f(t)＝aψ(t-d(t)) (4) 此刻的时延d(t)是时间的函数， 推导得 把式(6)代入(4)中 令 或 对式(8)做变量替换，得到 当v＞0时，f(t)是ψ(t)的伸展；当v＜0时，f(t)是ψ(t)的压缩。
a是反映接收波与发射波相对强度的因子。在理想情况下，如果f(t)与ψ(t)的能量相等，即||f||2＝||ψ||2，有 ∫f2(t)dt＝∫ψ2(t)dt(12) 则可求得 代入(12)得到 式中s为尺度因子，b是时移分量，表明f(t)是ψ(t)的延迟与尺度伸缩，恰好与小波变换中的基本小波做平移和伸缩的形式一致。
任一函数或信号x(t)的小波变换定义为 其中ψ*(t)为ψ(t)的共轭复数，ψ(t)为小波母函数，称为小波函数，WTx(a，τ)称为小波系数。其中
为归一化因子，a称为尺度(或伸缩)因子，τ称为平移因子。小波变换实质上是引进了伸缩和平移的思想，即采用一种位置可以移动、形状可以改变的“窗口”，具有一个灵活可变的时间-频率窗，从而满足了对非平稳信号进行时频局部化信号分析的要求。
小波变换WTx(a，τ)就是函数x(t)∈L2(R)在对应函数族ψa，τ(t)上的分解。这一分解成立的前提是小波母函数ψ(t)应满足如下的允许性条件(admissible condition)，即 式中Ψ(ω)是ψ(t)的Fourier变换。
以小波变换为工具建立分析多普勒效应的小波分析模型。此时由式(14)，接收波ψ(t)是发射波。由于实际工作时发射信号总是持续时间有限的带通波形，因此直接用它作为基本小波对ψ(t)作小波变换，有 作变量置换，令即t＝st′+b，dt＝sdt′，代入(17)得 可见接收信号的小波变换实际上反映着发射信号的自小波变换，即以ψ(t)为基本小波对ψ(t)本身作小波变换。两者间除差一平移b外，还差一比例尺即尺度因子s。前者反映目标位置，后者引起小波变换在两轴上的比例伸缩。
根据自小波变换的特性，WTψψ(a，τ)的最大值总是出现在a＝1，τ＝0处。因此式(19)中WTψψ(a，τ)取极大值之处必为 即a＝s； 即τ＝b 这样一来，由WTψψ(a，τ)取最大值之处便可以估计出s，b之值，再进一步通过式(9)得到发射器和接收器相对运动的速度v， v＝(s-1)c(20) 通过式(10)得到接收器与发射器间的距离R0， Ro＝cb(21) 从而得到v，Ro的估计。
当在水下分布有n个接收器时，根据上述推导，得到目标源和n个接收器相对运动的速度vn，以及得到目标源和n个接收器的距离Rn，根据三角定位法，n个接收器与目标源空间距离交汇点的位置，确定为目标源的空间位置。
本发明所涉及的基于小波变换的水声定位测量方法包括以下步骤 1、用水听器阵采集目标源的信号，数据传输到信号处理系统。
2、对采集目标源的信号进行多普勒效应的小波变换分析，得到目标源和接收器相对运动的速度，以及得到目标源和接收器的距离。
3、根据三角定位法，用2个以上的水听器，估算出目标源的位置参数。
本发明所涉及的基于小波变换的水声定位测量系统包括水听器阵、信号采集模块、信号处理系统、存储器和输出接口装置。
水听器阵为接收水听器，安装在水下，接收目标源信号。
信号采集模块为接收信号采样数字化电路，把接收的目标源信号采样数字化为信号数据。
信号处理系统为微处理器，具有实施上述基于小波变换的水声定位测量方法的功能对采集目标源的信号数据进行多普勒效应的小波分析，得到目标源和接收器相对运动的速度，以及得到目波源和接收器的距离。根据三角定位法，估算出目标源的位置参数。
存储器保存目标源信号数据和信号处理系统的计算数据。
输出接口装置具有RS-232、USB标准的数据传输方式，能够将测量结果输出。
图1为本发明涉及的基于小波变换的水声定位测量方法的流程图。
图2为本发明涉及的基于小波变换的水声定位测量系统的框图。
图3为本发明涉及的对2个水听器，三角定位法估算出目标源位置的示意图。
具体实施例方式 现结合附图对本发明作进一步详细的阐述。
图1显示本发明涉及的基于小波变换的水声定位测量方法的流程图。如图1所示，基于小波变换的水声定位测量方法包括以下步骤 S1-采集目标源的信号 S2-对采集目标源的信号执行小波变换 S3-计算速度及距离 S4-三角定位法估算目标源的位置 S5-输出位置参数 图2为本发明涉及的基于小波变换的水声定位测量系统的框图。如图2所示，基于小波变换的水声定位测量系统的组成部分包括水听器阵、信号采集模块、信号处理系统、存储器和输出接口装置。
图3为本发明涉及的对2个水听器，三角定位法估算出目标源位置的示意图。如图3所示，在(x，y)坐标平面中，面向y轴右侧的2个水听器h1、h2，采集目标源S的信号；执行小波变换计算速度及距离，计算获得h1、h2与S的距离分别为R1、R2；由三角定位法，以h1为中心、R1为半径的圆与以h2为中心、R2为半径的圆在y轴右侧的交点为S的位置。
权利要求
1、一种基于小波变换的水声定位测量方法，其特征在于包括采集目标源的信号(S1)，对采集目标源的信号执行小波变换(S2)，计算速度及距离(S3)，三角定位法估算目标源的位置(S4)，输出目标源的位置参数(S5)。
2、根据权利要求1所述的基于小波变换的水声定位测量方法，其特征在于，采集目标源的信号(S1)是用水听器阵接收目标源的信号，然后由信号采集模块将数据传输到信号处理系统。
3、根据权利要求1所述的基于小波变换的水声定位测量方法，其特征在于，对采集目标源的信号进行多普勒效应的小波变换分析(S2)。
4、根据权利要求1所述的基于小波变换的水声定位测量方法，其特征在于，计算得到目标源和接收器相对运动的速度，以及得到目标源和接收器的距离(S3)。
5、根据权利要求1所述的基于小波变换的水声定位测量方法，其特征在于，根据三角定位法，用2个以上的水听器，估算出目标源的位置参数(S4)。
6、一种实施根据权利要求1所述的基于小波变换的水声定位测量方法的水声定位测量系统，其特征在于，包括水听器阵、信号采集模块、信号处理系统、存储器和输出接口装置；水听器阵为接收水听器，安装在水下，接收目标源信号；信号采集模块为接收信号采样数字化电路，把接收的目标源信号采样数字化为信号数据；信号处理系统为微处理器，具有实施上述基于小波变换的信号数据分析和水声定位测量方法的功能存储器保存目标源信号数据和信号处理系统的计算数据；输出接口装置具有RS-232、USB标准的数据传输方式，能够将测量结果输出。
全文摘要
本发明所涉及的基于小波变换的水声定位测量方法和测量系统可以对采集的水中目标源信号进行小波变换，计算目标源的运动速度和距离，根据三角定位法，确定目标源的位置参数。其测量方法包括采集目标源的信号(S1)，对采集目标源的信号执行小波变换(S2)，计算速度及距离(S3)，三角定位法估算目标源的位置(S4)，输出位置参数(S5)。其测量系统包括包括水听器阵、信号采集模块、信号处理系统、存储器和输出接口装置。
文档编号G01S5/00GK101576618SQ20091006912
公开日2009年11月11日 申请日期2009年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者张锁平 申请人:国家海洋技术中心