专利名称：一种基于频率预估的水声脉冲信号的定位方法
技术领域：
本发明涉及针对水声信号处理技术领域的水下目标定位方法，具体来说，涉及一种基于频率预估的水声脉冲信号的定位方法。
背景技术：
水声定位技术在水声技术中扮演着极其重要的角色，是水声技术中的一个重要且基本的问题，同时也是国民经济建设和国防建设的关键技术。在水声定位技术中，被动定位技术一直是水声技术中的重要研究方向。现阶段对于水下被动定位技术多围绕舰船辐射噪声而展开工作，很少有针对各种水声脉冲信号在发射信号未知方式下的被动定位。对于水声脉冲信号而言，其信号形式不同于舰船辐射的噪声，它是由人工所产生的，有比较规则的信号形式，同时在时间上具有不连续性、瞬时性，在带宽上具有窄带特性，不能通过长时间的积分来获得时间增益，这就造成了对于水声脉冲信号的被动定位需要寻求与传统的舰船辐射噪声所不同的方式和手段。考虑到水声环境的复杂性，为了能够更准确地对水下目标实施定位，需要从声传播的角度出发，借助匹配场定位技术来确定目标声源的位置。传统意义上的匹配场定位技术，一般多采用阵列的处理方式，具有大的孔径，以获得良好的阵增益和分辨性能。但是采用多阵元的大阵列，一方面增加了系统的开销，给基阵的设计带来不便；另一方面，在实际海水中布放时会受到诸如阵倾斜以及阵元失效等问题，增加了对水下目标定位的难度。因此，只借助单个水听器来对水下目标进行定位一直被研究人员所关注，并取得了一些突破和进展。在这方面，相关技术和研究人员多针对发射信号为已知的情形，借助宽带信号的多频点特性，利用单个水听器对目标实施定位。但是在实际中，所能获得的发射信号的先验信息有限，尤其是对先验信息不足的水声脉冲信号，若对该类信号实施被动定位，由于信号的频率，波形等信息未知，从而进一步的增加了对于此类信号定位的难度。因此，利用单水听器对水声脉冲信号进行定位之前，首先需要对水听器接收信号的参数进行预估，获得目标发射信号的频率，这是进行后续定位工作的前提。由于目标信号的频率未知，若直接采用傅里叶变换的方法在全频率段内进行频率搜索，则计算量较大，且受工作频段的限制，存在频点遗漏的情形，会造成频率估计的偏差较大。另外的一些参数估计技术，如短时傅里叶变换、魏格纳-威利分布等，从时频二维域角度出发，因考虑了水声脉冲信号短时瞬态的非平稳特性，往往具有不错的估计效果。但是这些传统的时频分析方法都是基于固定核函数的时频分析方法，只适应于某种特定的信号，存在时频分辨力低和交叉项干扰等问题，尤其是在低信噪比条件下，会直接影响到参数估计的效果。另外，在对目标信号进行匹配场定位时，需要在搜索域空间计算拷贝场信号，但在发射信号未知的条件下，不能直接求解出所需的拷贝场信号，从而造成了制约单水听器匹配场定位的瓶颈。针对传统时频分析方法的不足，已有学者提出了一些相关的方法，如采用对核函数进行优化设计的时频分析方法，其核函数的形状能够根据所分析的信号自适应的变化，可提高对于非平稳信号参数估计的性能。但是针对发射信号未知情形下的匹配场定位问题却为数不多。虽然目前已有对此问题的研究报道，但是仍对信号的频率参数做出了已知的假设，在具体求解时，仍需要获知前向声场计算所需的频率。
发明内容
技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种基于频率预估的水声脉冲信号的定位方法，该定位方法能够实现利用单个水听器对发射信号未知的水声脉冲信号的参数估计，并对该发射信号精确定位。技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种基于频率预估的水声脉冲信号的定位方法，该定位方法包括以下步骤:步骤10)利用单个水听器接收水声脉冲信号，然后对该水声脉冲信号的频率进行具有自适应径向高斯核函数的时频分布估计，包括步骤101)——步骤104):步骤101)利用单个水听器接收水声脉冲信号，根据式(I)对该水声脉冲信号确定相应的二维频偏一时滞域上的模糊函数Ad (m，η)；
权利要求
1.一种基于频率预估的水声脉冲信号的定位方法，其特征在于:该定位方法包括以下步骤: 步骤10)利用单个水听器接收水声脉冲信号，然后对该水声脉冲信号的频率进行具有自适应径向高斯核函数的时频分布估计，包括步骤101)——步骤104): 步骤101)利用单个水听器接收水声脉冲信号，根据式(I)对该水声脉冲信号确定相应的二维频偏-时滞域上的模糊函数Ad (m，η)；
2.按照权利要求1所述的基于频率预估的水声脉冲信号的定位方法，其特征在于，所述的步骤104)包括以下步骤: 步骤1041)设置常量参数及初值:收敛因子ε、最大迭代次数λ、初始步长μ (O)、初始扩展向量σ (O)、步长控制因子Λ、常数P1和ρ2，0 < P ! < P2 < I, Δ >0，
3.按照权利要求1所述的基于频率预估的水声脉冲信号的定位方法，其特征在于，所述的步骤203)包括如下的步骤: 步骤2031)对各网格区域上测算得到的信道脉冲响应命￡/)，构造如下的拷贝信道卷积
4.按照权利要求2所述的基于频率预估的水声脉冲信号的定位方法，其特征在于，所述的步骤1041)中，α的取值范围为I彡α彡5。
5.按照权利要求1所述的基于频率预估的水声脉冲信号的定位方法，其特征在于，所述的步骤202)中，海洋环境参数包括声速梯度分布、海水深度、海水密度、海底密度、海底的衰 减系数。
全文摘要
本发明公开了一种基于频率预估的水声脉冲信号的定位方法，包括步骤10)利用单个水听器接收水声脉冲信号，对该水声脉冲信号的频率进行具有自适应径向高斯核函数的时频分布估计，首先利用单个水听器接收水声脉冲信号，对该水声脉冲信号确定相应的二维频偏—时滞域上的模糊函数，然后设置离散化频偏的总点数和离散时滞的总点数，接着将直角坐标系下的模糊函数转换为极坐标系下的模糊函数，随后采用迭代算法测算最优扩展函数，得到接收信号的时频分布，确定接收信号的中心频率以及相应的瞬时时间；步骤20)利用声场匹配对目标实施定位。该定位方法能够实现利用单个水听器对发射信号未知的水声脉冲信号的参数估计，并对该发射信号精确定位。
文档编号G01S1/72GK103076590SQ201210589809
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者方世良, 李焜, 安良, 罗昕炜 申请人:东南大学