一种基于静止被动声纳多普勒的目标距离及轨迹估计方法与流程

本发明涉及水声工程，尤其涉及一种基于静止被动声纳多普勒的目标距离及轨迹估计方法。

背景技术：

1、位置固定(静止不运动)的声纳平台是被动声纳的主要形式之一。声纳目标方位、距离，运动参数及其运动航迹是非常重要的目标信息要素，是目标态势估计、威胁估计和指挥决策的重要依据，也是水声信号与信息处理的重要研究内容。通常，被动声纳只能观察到目标方位(舷角)，无法测量目标的距离，更无法获取目标的运动轨迹。被动声纳目标定位的核心是距离估计，被动目标距离估计的主要方法有：基于海洋环境先验信息的匹配场方法，是一种将观测海区按一定方位、距离和深度栅格预先计算声场，将计算得到的拷贝声场与实际测量得到声场进行匹配处理，以此估计目标所在距离和深度位置，它需要掌握比较精确的海洋水声环境信息，计算量比较大；三子阵的测距方法，是利用三个子阵估计方位信息，用方位法或时差法估计距离，其精度与子阵间距和目标距离有关，一般适用于目标距离较近的情况；基于浅海波导不变量的距离估计法，利用目标运动在lofar谱产生的干涉条纹，通过获取条纹的斜率估计目标距离，为了获得较为准确的斜率，需要长时间的观测，这种方法主要适用于浅海、且目标距离较近的情况。目标运动分析(tma)方法是解决运动目标距离和运动参数估计的经典方法，它是一种纯方位目标运动参数估计方法，利用被动声纳平台运动中观测到的目标方位时序信息，建立量测方程和目标运动状态方程，基于最小二乘、卡尔曼滤波、不敏滤波等技术，进行目标位置和运动参数估计，该方法要求声纳平台是运动的，而且目标状态必须是可观测的。但对于声纳平台和目标平台都是匀速直线运动的情况，目标状态是不可观测的，为了改善可观测性，在目标运动参数解算中声纳平台至少需要做一次转向机动。在实际应用中，这种方法主要存在声纳平台需要机动、计算时间长(一般对于水中目标需要10-30分钟)，算法容易发散、甚至无解等问题，严重影响实际应用效果，而且这种方法不适用于静止声纳平台。

2、基于多普勒频移特性的目标定位在雷达、无线电通信、无线电侦察等领域有着广泛的应用，现有的方法都是以一定观测时间内的多普勒频移量进行定位或速度估计的。因为雷达观测目标(尤其是空中目标)的速度快，雷达和无线电通信的频率非常高，多普勒频移现象非常明显、一定观测时间内的多普勒频移量比较大，因此在雷达、通信侦察等领域的应用比较成功。然而，水下目标(尤其是水下安静运动的目标)运动速度慢，被动声纳工作的频率低，这种背景下信号在一定时间内的多普勒频移量非常小，因此，基于常规多普勒频移特性的目标速度估计或定位方法不稳定、收敛解算时间长(甚至难以收敛)，无法满足水声目标定位要求。

3、目前，对于静止不动的水声系统，利用多普勒频移进行被动目标距离估计的方法主要有：基于单水听器多普勒频移信息的距离估计，这种方法只能在目标运动到最近接收点(cpa)时才能估计出目标距离，适用于近距离目标，而且当目标远离接收点运动的情况无法应用；为了解决必须到达最近点才能估计距离的问题，出现了一种水下目标的多普勒直接定位方法，它是通过多次测量线谱频率，利用前后两次频率测量的比值推算目标速度和距离，尽管这种方法可以在目标到达cpa点前估计目标距离，但也只适用于目标距离较近、目标接近接收点的运动情况，具有较大的应用局限性。被动定向水声浮标也采用类似的cpa估计方法，只能估计目标到达最近点的距离；后来出现另外一种解决方法，是建立目标运动参数与频率相关的量测方程和状态方程，通过最小二乘、卡尔曼滤波等方法，还采用极大似然函数作为目标函数等方法，试图求解目标运动参数的闭式解，这类模型复杂、计算过程复杂，计算时间长，而且需要较准确是解算初始值，否则难以收敛。

技术实现思路

1、本发明主要解决上述技术问题，提出一种基于静止被动声纳多普勒的目标距离及轨迹估计方法，利用被动声纳得到的目标方位和线谱频率信息，通过对多普勒频移通用公式的变换推导和运动几何原理，建立了一套针对匀速直线运动目标进行距离和运动参数估计的直接而简明的计算模型，只需一定时间间隔三个时刻的目标方位和单根线谱频率观测值，即可快速实现目标距离和航向航速估计，并通过连续观测动态计算得到类似于雷达(或主动声纳)的目标运动航迹(极坐标或直角坐标)图，而且比主动声纳有更高的数据刷新率(不受发射重复周期限制)，可为目标跟踪、识别和指挥决策提供更加丰富而重要的目标指示信息的目的。

2、本发明提供了一种基于静止被动声纳多普勒的目标距离及轨迹估计方法，包括：

3、s1、设置仿真运动态势；

4、s2、根据三个观测时刻的目标真方位，计算所述目标位置与声纳接收点连线之间的两个夹角，所述两个夹角即目标方位变化量；

5、s3、建立静止平台声纳信号的多普勒频移模型，得到所述三个观测时刻的信号线谱频率与目标方位、目标运动速度、目标舷角的关系式；

6、s4、基于运动三角几何关系建立目标后续舷角与目标初始舷角、方位变化量之间关系式，得到静止声纳目标运动参数估计的改进多普勒模型，并计算所述三个观测时刻的信号线谱频率的倒数；

7、s5、根据所述三个观测时刻线谱频率的倒数计算得到两个差值，再计算两个差值的比值，计算初始舷角；根据所述三个观测时刻的信号线谱频率的倒数和所述初始舷角，计算目标运动速度；

8、s6、根据所述目标运动速度和初始舷角，基于运动三角形建立的目标距离估计模型，计算第三个观测时刻的目标距离；根据所述声纳观测平台相对于目标的真方位线和所述的初始舷角，计算目标航向；

9、s7、按数据刷新率要求设置的更新步长重复更新三个观测时刻，并执行步骤s2至s6，形成目标距离、目标航向及目标运动速度估计序列，并根据输出的所述估计序列绘制目标动态轨迹图。

10、进一步地，所述设置仿真运动态势，包括：设置声纳接收阵位于o点静止不动，目标t以速度vt、初始舷角β0，按照航向ht运动；在t0、t1、t2时刻目标分别位于t0、t1、t2位置辐射其噪声，静止声纳检测到目标辐射噪声信号并测得真方位分别为ψ0、ψ1、ψ2，目标航向与接收阵位置o点连线的夹角，也即接收点相对目标的舷角，分别为β0、β1、β2。

11、进一步地，所述步骤s2，包括：

12、α0＝|ψ0-ψ1|                             (1)

13、α1＝|ψ2-ψ1|                           (2)。

14、进一步地，所述步骤s3，包括：设置运动目标平台与声纳接收平台的运动速度分别vt和vw，且目标信号具有线谱、线谱的原始频率为f1，则根据相对运动多普勒原理，多普勒频移后的频率为：

15、

16、假设在三个观测时刻ti(i＝0,1,2.)，测得信号的线谱频率为：

17、

18、其中αi和βi分别为ti时刻声纳平台和目标平台的相对舷角；

19、因为接收平台不运动，即vw＝0，则：

20、

21、进一步地，所述步骤s4，包括：将(5)式两边求倒数，得到：

22、

23、引入倒数变量：将ti时刻观测到的目标信号线谱频率和未知真实频率取倒数，即：

24、

25、则(6)式可表示为：

26、

27、其中，根据运动三角几何关系图，有：

28、β1＝α0+β0                         (9)

29、β2＝α1+β1＝α1+α0+β0                   (10)

30、公式(8)为由频率倒数表示的多普勒频移改进模型。

31、进一步地，步骤s5，包括：

32、设在t0、t1、t2三个观测时刻，检测到该线谱的频率分别为：f1(0)、f1(1)、f1(2)，它们的倒数分别为分别对t0、t1、t2三个时刻检测到的线谱频率的倒数求差值，由公式(6)可得到：

33、

34、

35、将(11)除以(12)式，并引入频率变化比值：

36、

37、则有：

38、cosβ0-cos(α0+β0)＝a[cosβ0-cos(α0+α1+β0)]          (14)

39、根据三角函数公式cos(α+β)＝cosαcosβ-sinαsinβ，则由(14)式可以推导得到：

40、

41、由(8)式，t0时刻检测线谱频率的倒数为：

42、

43、可得到真实线谱频率的倒数为：

44、

45、取(17-1)式的倒数，即得到该线谱的真实频率：

46、

47、t2时刻检测的线谱频率倒数为：

48、

49、将(17)式代入(18)式：

50、

51、整理(19)式得到：

52、

53、将(20)式进行整理，即可得到目标运动速度：

54、

55、式中，是t0、t2时刻检测到线谱频率f1(0)、f1(2)的倒数，α0、α1、β0分别由式(1)、式(2)、式(15)计算得到。

56、进一步地，所述步骤s6，包括：根据目标初始舷角β0和目标速度vt，利用几何原理得到t2时刻的目标距离：

57、

58、计算声纳观测平台相对于目标的真方位线：

59、

60、根据声纳观测平台相对于运动目标的初始舷角β0，通过式(24)计算目标的运动航向：

61、

62、进一步地，所述形成目标距离、目标航向及目标运动速度估计序列，包括：以第一次运动参数估计的t0时刻为基准，以一定观测时间间隔δt，得到第i次参数估计的三个观测时刻：

63、

64、按照t0(i)、t1(i)、t2(i)时刻的目标方位和线谱频率观测量进行连续估计；

65、获取t0(i)、t1(i)、t2(i)三个时刻的目标方位和线谱频率，按照步骤s2至s6即可得到{r(ti)，ht(ti)，vt(ti)}估计序列。

66、进一步地，所述形成目标距离、目标航向及目标运动速度估计序列，包括：所述三个观测时刻中前两个观测时刻和目标方位及其线谱频率的观测值不变，仅改变第三个观测量的获取时刻t2进行连续观察估计，即：

67、

68、获取t0(i)、t1(i)、t2(i)三个时刻的目标方位和线谱频率，按照步骤s2至s6即可得到{r(ti)，ht(ti)，vt(ti)}估计序列。

69、进一步地，所述根据输出的所述估计序列绘制目标动态轨迹图，包括：从第三个时刻开始，按照一定时间间隔观测目标方位θ(ti)、距离r(ti)，以静止观测点o为极点绘制极坐标中的所述目标动态轨迹图，再转换到直角坐标系，绘制直角坐标系中的所述目标运动轨迹图。

70、本发明提供的一种基于静止被动声纳多普勒的目标距离及轨迹估计方法，通过对多普勒频移通用公式的推导变换，建立了一套针对匀速直线运动目标进行距离和运动参数估计的直接而简明的计算模型，无需迭代运算。利用一定时间间隔三个时刻的目标方位和单根线谱频率观测值，快速实现目标距离和航向航速估计；进一步，通过连续观察和动态计算，得到类似于雷达(或主动声纳)的目标运动航迹(极坐标或直角坐标)图，而且比主动声纳有更高的数据刷新率(不受发射重复周期限制)。本发明对静止目标、朝着或背离声纳位置运动的目标不适用，其他情况下均适用，而且目标方位变化率、多普勒频率变化率越大，实现被动目标定位和运动轨迹估计的时间越早、估计精度也越高。本发明可为被动目标跟踪、识别和指挥决策提供更加丰富而重要的目标指示信息，也可应用于雷达、电子侦察和无线电等领域。