一种基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法与流程

：本发明属于水下目标声学定位，具体涉及一种基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法。

背景技术

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背景技术：

1、水声目标声学被动定位基于目标辐射噪声在水下声传播特征，构建目标-声信道-接收阵关联模型，根据实际水声环境下的模型预报结果与实测结果的匹配，形成了不同的声学定位方法，例如基于声压匹配的匹配场定位方法、基于简正波模态的匹配模定位方法、基于不同波束入射能量的匹配波束定位方法等。匹配场定位方法随着水下声场预报模型的精度提升得到了很大的发展，成为了水声目标声学定位的一种主要方法。拖曳阵水声被动定位是水声学研究的重要方向和难题，由于声场水平相关半径较大，导致水平阵声学匹配定位技术难以获得较高的主瓣强度，较高的分辨率。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明提供一种基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，该方法在保持良好环境适应性的同时，通过矩阵滤波方法，提升了目标定位分辨率，提高了目标主瓣强度，并全方面降低主瓣外背景能量强度。

2、本发明的技术解决方案是，提供一种基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法,该方法步骤如下，

3、步骤1，利用二维抛物方程模型计算出声场传播矩阵；

4、步骤2，通过矩阵乘法运算获得不同距离声源-接收器系统传播矩阵；

5、步骤3，根据声源深度和水平阵阵元位置从不同距离系统传播矩阵中抽取矩阵系数，形成新的稀疏系统传播矩阵；

6、步骤4，对稀疏系统传播矩阵进行处理，利用最小二乘估计方法，并增加对角负载因子，形成宽带矩阵滤波器组；

7、步骤5，采用宽带矩阵滤波器组对水平阵接收信号进行处理，对不同距离处理结果进行能量归一化，形成宽带距离-深度模糊度图，得到目标深度和距离估计结果。

8、作为优选，步骤1中，二维抛物方程模型递推求解矩阵方程可按如下形式表示：

9、

10、其中，rl,sl为海洋环境参数矩阵，un为不同距离声压向量，矩阵t(f,r+dr)为不同频率下距离水平阵r+dr距离处传播矩阵，dr为距离网格间隔。

11、作为优选，步骤2中，距离接收阵不同距离处的系统传播矩阵，需要包含整个传输距离上所有步进传播矩阵的乘积：

12、pm(f,m*dr)＝t(f,m*dr)t(f,(m-1)*dr)…t(f,m*dr)…t(f,2)t(f,1)

13、其中，矩阵pm(f,m*dr)为不同频率不同距离处系统传播矩阵。

14、作为优选，步骤3中，假定声源位于距离m*dr处，接收阵位于n0*dz深度，(m1～m2)*dr距离处，系统传播矩阵满足：

15、

16、其中，pzs(f,(1:n)*dz)为初始声场向量，ns为声源深度网格数，dz为深度网格间隔。

17、作为优选，步骤4中，采用最小二乘估计，并增加矩阵对角加载因子，可得出不同频率和距离处深度模糊度估计结果：

18、pzs(f,m*dr,(1:ns)*dz)

19、＝(pm(f,m*dr)tpm(f,m*dr)+δi)-1pm(f,m*dr)tp(f,m*dr,(m1:m2)*dr)

20、公式中符号(·)t代表复数矩阵的共轭转置，δ为对角加载因子，可以根据不同信噪比进行调整，信噪比越低对角加载因子设置越大。

21、作为优选，步骤5中，对不同距离处深度模糊度结果按如下方式进行能量均衡归一化：

22、

23、作为优选，步骤5中，通过宽带能量非相干叠加，可得到宽带二维模糊度结果：

24、

25、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

26、本发明提出的基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，可以有效的提升拖曳阵宽带信号被动定位的目标位置分辨率，降低二维模糊度图内旁瓣强度，并使得主瓣外能量大幅降低。

技术特征：

1.一种基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法,其特征在于：该方法步骤如下，

2.根据权利要求1所述的基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，其特征在于：步骤1中，二维抛物方程模型递推求解矩阵方程可按如下形式表示：

3.根据权利要求1所述的基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，其特征在于：步骤2中，距离接收阵不同距离处的系统传播矩阵，需要包含整个传输距离上所有步进传播矩阵的乘积：

4.根据权利要求1所述的基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，其特征在于：步骤3中，假定声源位于距离m*dr处，接收阵位于n0*dz深度，(m1～m2)*dr距离处，系统传播矩阵满足：

5.根据权利要求1所述的基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，其特征在于：步骤4中，采用最小二乘估计，并增加矩阵对角加载因子，可得出不同频率和距离处深度模糊度估计结果：

6.根据权利要求1所述的基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，其特征在于：步骤5中，对不同距离处深度模糊度结果按如下方式进行能量均衡归一化：

7.根据权利要求1所述的基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，其特征在于：步骤5中，通过宽带能量非相干叠加，可得到宽带二维模糊度结果：

技术总结
本发明公开了一种基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，利用二维抛物方程模型计算出声场传播矩阵，通过矩阵乘法运算获得不同距离声源‑接收器系统传播矩阵，根据声源深度和水平阵阵元位置从不同距离系统传播矩阵中抽取矩阵系数，形成新的稀疏系统传播矩阵。对稀疏系统传播矩阵进行处理，形成宽带矩阵滤波器组，最后，采用宽带矩阵滤波器组对水平阵接收信号进行处理，对不同距离处理结果进行能量归一化，形成宽带距离‑深度模糊度图，得到目标深度和距离估计结果。本发明可以有效的提升拖曳阵宽带信号被动定位的目标位置分辨率，降低二维模糊度图内旁瓣强度，并使得主瓣外能量大幅降低，对于实际环境下目标定位的性能提升具有重要的价值。

技术研发人员：徐传秀,王华奎,徐彬,徐晓男,刘坤
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一五研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14