專利名稱：利用多普勒變換的被動(dòng)測(cè)速測(cè)距法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和定位技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及能從接收到的目標(biāo)聲波信號(hào)中檢測(cè)目標(biāo)及估計(jì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，是一種在水下和空中具有良好應(yīng)用前景的利用多普勒(Dopplerlet)變換的被動(dòng)測(cè)速測(cè)距法及裝置。
背景技術(shù)：
發(fā)明人經(jīng)過檢索，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)與本申請(qǐng)相關(guān)的專利。專利(99230821.6)“水下運(yùn)動(dòng)體初始段0-70米有線測(cè)速器”，發(fā)明了一種水下運(yùn)動(dòng)體初始段0-70米有線測(cè)速器，測(cè)量水下運(yùn)動(dòng)體(如魚雷、導(dǎo)彈等)發(fā)射時(shí)，初始階段速度的裝置，測(cè)速輪的軸安裝在支架上，支架頂端槽口活動(dòng)安裝有磁感應(yīng)器，磁感應(yīng)器與信號(hào)數(shù)據(jù)處理器連接，測(cè)速輪的輪輻上鑲嵌有數(shù)個(gè)磁鋼，測(cè)速輪圓周上繞有測(cè)速線，與運(yùn)動(dòng)體連接，剎車片一端固定在基座上，另一端緊壓在測(cè)速輪的邊緣，通過測(cè)量磁信號(hào)數(shù)據(jù)，獲得運(yùn)動(dòng)物體的速度。是一種不受水、氣霧和周圍環(huán)境光線的影響，測(cè)速過程中增減速均能測(cè)出的新型測(cè)速器。專利(90108624.X)“利用電磁輻射的多普勒頻移測(cè)量目標(biāo)速度的方法和裝置”，測(cè)量移動(dòng)目標(biāo)(A)速度的方法。借助于測(cè)量站(B)和目標(biāo)站(A)的無(wú)線電發(fā)射機(jī)——接收機(jī)裝置發(fā)射無(wú)線電信號(hào)并在對(duì)面站接收，這些信號(hào)的頻率包括在測(cè)量站(B)和測(cè)量目標(biāo)(A)上觀察到的多普勒頻移(fd)。在多普勒頻移(fd)的基礎(chǔ)上，被測(cè)目標(biāo)相對(duì)于測(cè)量站(B)的遠(yuǎn)離或接近速度(V)得以確定。而本申請(qǐng)無(wú)論在技術(shù)方法上還是在所利用的目標(biāo)物理特征上均有別于上面兩個(gè)專利，本申請(qǐng)使用的Dopplerlet變換技術(shù)是發(fā)明人獨(dú)自提出的嶄新的時(shí)頻分析技術(shù)，所利用的目標(biāo)物體特征是輻射聲波。
鄒紅星等人在“電子學(xué)報(bào)，vol.28，no.9，pp.78-84，2000”上發(fā)表的“時(shí)頻分析回溯與前瞻”及鄒紅星，盧旭光，戴瓊海，李衍達(dá)在“中國(guó)科學(xué)(E輯)，vol.31，no.4，pp.348-354，2001”上的“不含交叉項(xiàng)干擾且具有WVD聚集性的時(shí)頻分布之不存在性”中認(rèn)為時(shí)頻分析通過將信號(hào)展開于一種在時(shí)間域和頻率域均局部化的基函數(shù)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的時(shí)頻聯(lián)合分析。顯然，若時(shí)頻原子與信號(hào)的主要成分相似，則僅需少數(shù)原子的線性組合就能精確地表示信號(hào)，分解的結(jié)果將是稀疏的；若原子的形狀與信號(hào)的結(jié)構(gòu)相去甚遠(yuǎn)或迥異，則需要有大量的甚至無(wú)窮多的原子，才能足夠精確地組裝成原信號(hào)，信號(hào)的信息將彌散在眾多的原子上，不利于有效地表示信號(hào)。因此在采用原子分解方法時(shí)，必須根據(jù)信號(hào)的局部結(jié)構(gòu)特征自適應(yīng)地選擇原子的組合，以期用盡可能少的原子來表示信號(hào)。若原子同時(shí)又是由某一模型信號(hào)產(chǎn)生的，亦即原子可用少數(shù)幾個(gè)參數(shù)刻畫，則這種信號(hào)表示方法將具有巨大的數(shù)據(jù)壓縮能力。體現(xiàn)上述思想的信號(hào)表示方法，即是近年出現(xiàn)的參數(shù)化時(shí)頻信號(hào)表示法。
Qian等在文獻(xiàn)“Signal representation via adaptive normalized Gaussianfunctions，”IEEE Trans.Signal Processing，vol.36，no.1，pp.1-11，1994中提出的“自適應(yīng)Gauss基函數(shù)信號(hào)表示”和Mallat等在文獻(xiàn)“The chirplet transformPhysical considerations，”IEEE Trans.Signal Processing，vol.43，no.11，pp.2745-2761，1995中提出的“自適應(yīng)匹配投影塔形分解法”，即是參數(shù)化時(shí)頻信號(hào)表示的開山之作。這兩種方法在本質(zhì)上并無(wú)二致，均采用一個(gè)經(jīng)伸縮、時(shí)移和頻率調(diào)制的Gauss函數(shù)組成的原子集(Gabor集)，在此集上根據(jù)最大匹配投影原理尋找最佳原子的線性組合，以達(dá)到自適應(yīng)分解之目的。其不足之處在于，所采用的時(shí)頻原子的頻率是不隨時(shí)間變化的，因之，原子對(duì)時(shí)頻平面的劃分方式屬于一種格型分割。然則自然界中的信號(hào)并非總是如此簡(jiǎn)單。當(dāng)信號(hào)分量的頻率隨時(shí)間非線性變化時(shí)，用頻率隨時(shí)間作線性(零階或一階)變化的原子的組合來表示信號(hào)，勢(shì)必造成原子數(shù)目的增加，從而既影響對(duì)分解結(jié)果的理解和詮釋，又影響這種信號(hào)分解方法的數(shù)據(jù)壓縮能力?？陀^地說，各種信號(hào)分析技術(shù)難分軒輊，關(guān)鍵是其適合何種類型的信號(hào)。Doppler信號(hào)是一類自然信號(hào)，高速行駛火車的汽笛聲，即是其例。從環(huán)保角度講，消除由Doppler效應(yīng)引起的噪聲污染，是鐵路運(yùn)輸部門需要解決的一個(gè)問題。為此，Valiere等在“IEEE Signal Processing Lett.，vol.6，no.5，pp.113-115，1999”的“High-speed moving source analysis usingchirplets”中提出如下解決方案用麥克風(fēng)陣列接收信號(hào)，將其輸出饋入一波束發(fā)生器中(使用麥克風(fēng)陣列和波束發(fā)生器旨在提高接收的方向性)；對(duì)波束發(fā)生器的輸出信號(hào)用chirplet逼近；將逼近參數(shù)輸入到另一波束發(fā)生器，最終產(chǎn)生一抵消Doppler噪聲的信號(hào)，該文中的原理圖可見，采用時(shí)頻關(guān)系為線性的chirplet原子逼近時(shí)頻關(guān)系為非線性的Doppler信號(hào)，終不免有削足適履、方枘圓鑿之嫌，勢(shì)必存在較大的誤差。針對(duì)這一缺陷，鄒紅星，周小波，李衍達(dá)在“電子學(xué)報(bào)，vol.28，no.9，pp.1-4，2000”上的“在不同特性噪聲背景下Dopplerlet變換在信號(hào)恢復(fù)中的應(yīng)用”中提出了采用經(jīng)加窗、時(shí)移和伸縮處理的Doppler信號(hào)作時(shí)頻原子的Dopplerlet變換，以使分析臻于準(zhǔn)確、富有說服力。該變換適用于勻速直線運(yùn)動(dòng)。
在用被動(dòng)方法估計(jì)空中飛行或者水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離和(恒定)速度方面的研究者，十?dāng)?shù)年來，頗不乏人。其核心思想，均是在時(shí)頻面上如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確估計(jì)接收信號(hào)的瞬時(shí)頻率，進(jìn)而估計(jì)出目標(biāo)的距離和速度。本申請(qǐng)?zhí)岢隼没趧蛩龠\(yùn)動(dòng)模型的Dopplerlet(多普勒)變換，分析水下和空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輻射出的聲音信號(hào)。該方法通過定義Dopplerlet基函數(shù)集，采用自適應(yīng)匹配投影塔形分解法，搜索出一組與信號(hào)的主要成分最佳匹配的Dopplerlet基函數(shù)，進(jìn)而準(zhǔn)確地估計(jì)出目標(biāo)的距離、速度以及聲波傳播速度等參數(shù)。因此，單傳感器Dopplerlet被動(dòng)測(cè)速測(cè)距方法在水下和空中動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和定位領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，特別是海軍和空軍相關(guān)領(lǐng)域。單傳感器測(cè)速測(cè)距可應(yīng)用于被動(dòng)聲納浮標(biāo)，水聲實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析，水下目標(biāo)聲源級(jí)測(cè)量，以及水雷的引信等。另外，該方法還可探測(cè)低空飛行目標(biāo)，能從接收到的目標(biāo)聲波信號(hào)中檢測(cè)目標(biāo)及估計(jì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在反巡航導(dǎo)彈、武裝直升機(jī)等低空飛行器的武器中極具應(yīng)用潛力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供應(yīng)用水下和空中動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和定位的一種利用多普勒變換的被動(dòng)測(cè)速測(cè)距法及裝置。其特征在于該方法是對(duì)水下和空中的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和定位的，所述檢測(cè)裝置是數(shù)據(jù)傳輸線4將作為探測(cè)器3和計(jì)算機(jī)5連接起來，探測(cè)器3放置在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)1的活動(dòng)區(qū)域，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)1發(fā)出輻射聲波2，探測(cè)器3接收輻射聲波2，通過數(shù)據(jù)傳輸線4傳輸給計(jì)算機(jī)5進(jìn)行處理。
所述探測(cè)器為單水聽器或麥克風(fēng)。
以海軍用單水聽器探測(cè)水下水雷為例，將單水聽器放在被動(dòng)聲納浮標(biāo)中，測(cè)速測(cè)距時(shí)，探測(cè)到水雷的引信發(fā)出的輻射聲波，據(jù)此輻射聲波數(shù)據(jù)對(duì)水雷的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析和聲源級(jí)測(cè)量。所述計(jì)算機(jī)計(jì)算水雷的速度和距離是基于多普勒變換的被動(dòng)測(cè)速測(cè)距法。
利用多普勒變換的被動(dòng)測(cè)速測(cè)距法是利用基于勻速運(yùn)動(dòng)模型的Dopplerlet變換，分析空中(包括水下和陸上)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輻射出的聲音信號(hào)。該方法通過定義Dopplerlet基函數(shù)集，采用自適應(yīng)匹配投影塔形分解法，搜索出一組與信號(hào)的主要成分最佳匹配的Dopplerlet基函數(shù)，進(jìn)而準(zhǔn)確地計(jì)算出目標(biāo)的距離、速度以及聲波傳播速度等參數(shù)。
具體算法步驟如下(1)粗略估計(jì)信號(hào)的最強(qiáng)線譜的頻率中心fo，選擇初始時(shí)寬Δt①用l/v比值rlv來作為時(shí)寬Δt的一個(gè)相對(duì)比例值是合適的，可以證明當(dāng)ΔT/rlv＝±2時(shí)(ΔT為偏離正橫時(shí)刻的時(shí)間值)，±ΔT時(shí)刻的瞬時(shí)頻率與中心頻率之差為最大多普勒頻移Δf的0.9倍(Δf＝(v/c)fo)。則截取的信號(hào)段(設(shè)Dopperlet的時(shí)間中心與正橫時(shí)間對(duì)準(zhǔn))正好覆蓋了多普勒頻變最劇烈的一段(-0.9Δf～0.9Δf)。
②產(chǎn)生一高斯窗gΔt,t10(t)=g(t-t10Δt),]]>在信號(hào)的起始點(diǎn)截取一段長(zhǎng)度為Δt的信號(hào)s(t1)，其中t10為Δt/2，計(jì)算gΔt，t10(t)與信號(hào)s(t1)的乘積的Fourier變換，找出頻譜上的峰值點(diǎn)頻率f01，該頻率就對(duì)應(yīng)于信號(hào)s(t1)的最強(qiáng)的線譜中心頻率。
(2)在f0vl三維空間尋找最大投影值在以上估計(jì)的基礎(chǔ)上，在線譜頻率f01，速度v，和距離l構(gòu)成的三維空間進(jìn)行三維搜索，以投影值最大(即內(nèi)積最大)為準(zhǔn)則，搜索與信號(hào)S(t1)最匹配的Dopplerlet，得到相應(yīng)的最大投影值λt1，速度vt1和距離lt1。
(3)時(shí)間信號(hào)的截取向前滑動(dòng)，重復(fù)(1)(2)
時(shí)間信號(hào)向前滑動(dòng)一定的步長(zhǎng)，得到信號(hào)s(t2)，重復(fù)(1)(2)，得到相應(yīng)的最大投影值λt2，速度vt2和距離lt2。如此直到找出整個(gè)信號(hào)各步對(duì)應(yīng)的時(shí)間段信號(hào)(s(t1)，s(t2)，...s(tn))各自最大的投影值(λt1，λt2，...λtn)，以及相應(yīng)的距離，速度，和中心頻率。
(4)精確估計(jì)Δt依據(jù)步驟(3)，已得到的各段信號(hào)(S(t1)，S(t2)，...S(tn))的最大的投影值(λt1，λt2，...λtn)與時(shí)間的關(guān)系曲線，從中取最大投影值λtm來確定精確的搜索范圍，利用λtm對(duì)應(yīng)的時(shí)間段S(tm)的時(shí)間中心tm0，中心頻率fm0，以及在時(shí)間段tm搜索出來的速度vtm和距離ltm，根據(jù)投影值最大準(zhǔn)則，對(duì)Δt進(jìn)行一維的搜索，搜索到最佳的Δt作為Δt的精確值。
(5)精確估計(jì)f0，v，l在得到Δt精確值和時(shí)間中心tm0兩參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)步驟(4)得到的中心頻率fm0，速度vtm和距離ltm在各自較小的領(lǐng)域內(nèi)做進(jìn)一步的三維細(xì)化搜索。
(6)更小的區(qū)域精確估計(jì)v，l在步驟(5)的基礎(chǔ)上，采用的更小的步長(zhǎng)對(duì)速度，距離在更小的區(qū)域進(jìn)行估計(jì)精確搜索，得到被測(cè)物體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度和距離。
本發(fā)明的有益效果是基于Dopplerlet變換的單水聽器被動(dòng)測(cè)速測(cè)距法，在反潛、反魚雷武器或探測(cè)低空飛行目標(biāo)中，能從接收到的目標(biāo)聲波信號(hào)中檢測(cè)目標(biāo)及估計(jì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算量少，得到目標(biāo)參數(shù)快為反擊敵人爭(zhēng)取到最短時(shí)間。因此在反巡航導(dǎo)彈、武裝直升機(jī)等低空飛行器的武器中極具應(yīng)用潛力。


圖1為用麥克風(fēng)或者水聽器來接收空中或水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的輻射聲波接收裝置示意圖。
圖2為實(shí)際信號(hào)的功率譜圖。
圖3實(shí)際信號(hào)的歸一化投影值與時(shí)間的關(guān)系圖。
圖4(a)某實(shí)際水中運(yùn)動(dòng)航行物的歸一化投影值與距離速度關(guān)系的三維圖形圖。
圖4(b)某實(shí)際水中運(yùn)動(dòng)航行物的歸一化投影值與距離速度關(guān)系二維灰度圖象圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的目的是提供應(yīng)用水下和空中動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和定位的一種利用多普勒小波變換的被動(dòng)測(cè)速測(cè)距法及裝置。其特征在于該方法是對(duì)水下和空中的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和定位的，所述檢測(cè)裝置是數(shù)據(jù)線將作為探測(cè)器的單水聽器或麥克風(fēng)和計(jì)算機(jī)連接起來，探測(cè)器放置在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的活動(dòng)區(qū)域，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)發(fā)出輻射聲波，探測(cè)器的單水聽器或麥克風(fēng)接收輻射聲波，通過數(shù)據(jù)線傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。以海軍用單水聽器探測(cè)水下水雷為例，將單水聽器放在被動(dòng)聲納浮標(biāo)中，測(cè)速測(cè)距時(shí)，探測(cè)到水雷的引信發(fā)出的輻射聲波，據(jù)此輻射聲波數(shù)據(jù)對(duì)水雷的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析和聲源級(jí)測(cè)量。
所述計(jì)算機(jī)計(jì)算水雷的速度和距離是基于多普勒變換的被動(dòng)測(cè)速測(cè)距法。
以單傳感器Dopplerlet被動(dòng)測(cè)速測(cè)距方法是利用基于勻速運(yùn)動(dòng)模型的Dopplerlet變換，分析空中(包括水下和陸上)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輻射出的聲音信號(hào)。該方法通過定義Dopplerlet基函數(shù)集，采用自適應(yīng)匹配投影塔形分解法，搜索出一組與信號(hào)的主要成分最佳匹配的Dopplerlet基函數(shù)，進(jìn)而準(zhǔn)確地計(jì)算出目標(biāo)的距離、速度以及聲波傳播速度等參數(shù)，具體算法實(shí)施有以下方面的考慮。
1)算法迭代次數(shù)的確定。傳感器接收到的信號(hào)，往往含有眾多Doppler信號(hào)分量(這由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)具有眾多頻率或異的振動(dòng)源所致)。若目標(biāo)足夠小(譬如魚雷)，則各振動(dòng)源所產(chǎn)生的Doppler信號(hào)在時(shí)頻平面上的形態(tài)基本一致，而差別僅在于中心頻率，相應(yīng)的距離參數(shù)誤差，取決于目標(biāo)的幾何尺寸。鑒于只需搜索一個(gè)Doppler信號(hào)分量的參數(shù)，因此可大大減少計(jì)算量。
2)各參數(shù)初值的確定。參考量Dopplerlet參數(shù)表中的六個(gè)參數(shù)如下dt0,f0,Δt,l,v,c(t)=1πΔtexp{-12(t-t0Δt)2}×]]>
exp{j2π(1-v2(t-t0)cl2+v2(t-t0)2)-1f0(t-t0)}]]>式中參數(shù)意義為時(shí)間中心t0，頻率中心f0，時(shí)寬Δt，接收點(diǎn)與聲源運(yùn)動(dòng)方向的垂直距離l，聲源運(yùn)動(dòng)速度v，以及媒質(zhì)中的聲速c。
①聲速v的初始值可設(shè)為常量(按對(duì)于Dopplerlet變換本身來說，聲速v的確定不必十分坐實(shí)，應(yīng)視具體應(yīng)用領(lǐng)域而定，譬如常溫下空氣中的聲速約為340m/s，水中的聲速約為1500m/s；聲速的精確值，可在算法的精細(xì)搜索階段自動(dòng)確定)。②tc為時(shí)間中心，表現(xiàn)在信號(hào)的時(shí)域波形上，即是tc與波形的最大幅度相對(duì)應(yīng)(在tc處，目標(biāo)與傳感器的距離最小，因之聲強(qiáng)最大，據(jù)此，tc的初值不難確定)。③頻率中心fc的初值亦可由時(shí)頻分布確定；通常時(shí)頻分布可選為基于短時(shí)Fourier變換的譜圖(因其運(yùn)算量相對(duì)較小)。④在某些情形下(特別是實(shí)航試驗(yàn))，l與v0的初值由參試人員目測(cè)可大致估出。⑤σ決定了窗口的長(zhǎng)度，對(duì)于勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)而言，申請(qǐng)者已經(jīng)證明，當(dāng)窗口的中心為tc，長(zhǎng)度取為2l/v0時(shí)，則截取的信號(hào)大約覆蓋最大Doppler頻移2(v0/u)fc的90％。
3)各參數(shù)(聲速v除外)搜索范圍的確定。囿于物理機(jī)制，各參數(shù)的變化均限于某一范圍內(nèi)。水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度一般不超過70節(jié)(36m/s)，航行過程中的加速度不可能超過20m/s2。
下面對(duì)Dopplerlet變換予以說明。
Doppler效應(yīng)系指在波源與觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，觀察者所接收到的頻率與波源的頻率不相等的現(xiàn)象，Doppler信號(hào)是一大類自然信號(hào)，當(dāng)觀察者與波源之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者就可感受到波源頻率的非線性變化。設(shè)聲源以速度v做直線運(yùn)動(dòng)，接收點(diǎn)距此運(yùn)動(dòng)直線的垂直距離為l，聲源為單頻線譜聲源，頻率為f0，介質(zhì)中傳輸速度為c。設(shè)聲源信號(hào)為S0(t)＝exp(j2πf(t)) (1)則接收點(diǎn)的信號(hào)為S(t)＝A(t-t0)exp(j2πf(t-t0)) (2)
其中A(t)為強(qiáng)度變化，t0為聲源運(yùn)動(dòng)到達(dá)接收點(diǎn)垂直與運(yùn)動(dòng)直線交叉點(diǎn)的時(shí)刻(把t0時(shí)刻假設(shè)為時(shí)間軸中心)，f為接收點(diǎn)接收到的頻率，f可表示為f=11-v2(t-t0)cl2+v2(t-t0)2f0---(3)]]>當(dāng)t＜t0時(shí)，f＞f0，當(dāng)t＞t0時(shí)，f＜f0。把強(qiáng)度A(t-t0)變化忽略，定義Dopplerlet為dt0,f0,Δt,l,v,c(t)=g(t-t0)exp(j2πf(t-t0))---(4)]]>其中f由式(3)表示，g(t-t0)為加權(quán)窗，若取歸一化高斯窗，則高斯Dopplerlet為dt0,f0,Δt,l,v,c(t)=1πΔtexp{-12(t-t0Δt)2}×]]>exp{j2π(1-v2(t-t0)cl2+v2(t-t0)2)-1f0(t-t0)}---(5)]]>式中參數(shù)意義為時(shí)間中心t0，頻率中心f0，時(shí)寬Δt，接收點(diǎn)與聲源運(yùn)動(dòng)方向的垂直距離l，聲源運(yùn)動(dòng)速度v，以及媒質(zhì)中的聲速c。
將Dopplerlet的表達(dá)式(5)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，f=f0{1+v2lu(t-t0)+v4l2u2(t-t0)2+[-12v4l3u+v6l3u3](t-t0)3]]>+[-12v6l4u2-12v6(u2-2v2)l4u4](t-t0)4+···}---(6)]]>該式闡明①當(dāng)舍棄(5)式中的窗口調(diào)制(1πΔtexp{-12(t-t0Δt)2}),]]>并取v＝0，即波源靜止，f＝f0，此時(shí)Dopplerlet就退化為等幅振蕩的諧波，這種波形正是Fourier變換、短時(shí)Fourier變換(包括Gabor變換)以及″小波″變換的基函數(shù)原型(這里小波加引號(hào)是指粗略意義下的小波，一般地，一個(gè)″小波″可以有非零的直流分量)；②在時(shí)間中心t0附近，當(dāng)(lu/v2)＞＞1，即(6)式中的(t-t0)的一次項(xiàng)系數(shù)遠(yuǎn)大于其它高次項(xiàng)系數(shù)時(shí)，(t-t0)的二次方以上的項(xiàng)對(duì)的對(duì)f的貢獻(xiàn)很小，可以忽略不計(jì)，此時(shí)f≈f0+[v2f0/(lu)](t-t0)，這是一個(gè)典型的線性調(diào)頻，因此Dopplerlet就退化為chirplet。
由此，Dopplerlet變換可以看成是Fourier變換、短時(shí)Fourier變換(包括Gabor變換的基函數(shù))、小波變換和chirplet變換的推廣。這幾種變換都是Dopplerlet在參數(shù)取特定值時(shí)的特例。因而Dopplerlet變換能更好地反映信號(hào)的真實(shí)時(shí)頻特性。
設(shè)L2(R)為由復(fù)值函數(shù)組成的希爾伯特空間，定義任一平方可積信號(hào)S(t)∈L2(R)為S(t)=∫-∞∞|s(t)|2dt<+∞---(7)]]>Dopplerlet變換定義為GDT(t,f)=⟨s(t),dt0,f0,Δt,l,v,C(t)⟩---(8)]]>上式中，dto，fo，Δ1，l，v，C(t)為正交基函數(shù)，“<，>”表示內(nèi)積。
具體算法如下(1)粗略估計(jì)信號(hào)的最強(qiáng)線譜的頻率中心f0，選擇初始時(shí)寬Δt①用l/v比值rlv來作為時(shí)寬Δt的一個(gè)相對(duì)比例值是合適的，可以證明當(dāng)ΔT/rlv＝±2時(shí)(ΔT為偏離正橫時(shí)刻的時(shí)間值)，±ΔT時(shí)刻的瞬時(shí)頻率與中心頻率之差為最大多普勒頻移Δf的0.9倍(Δf＝(v/c)f0)。則截取的信號(hào)段(設(shè)Dopperlet的時(shí)間中心與正橫時(shí)間對(duì)準(zhǔn))正好覆蓋了多普勒頻變最劇烈的一段(-0.9Δf～0.9Δf)。
②產(chǎn)生一高斯窗gΔt,t10(t)=g(t-t10Δt),]]>在信號(hào)的起始點(diǎn)截取一段長(zhǎng)度為Δt的信號(hào)s(t1)，其中t10為Δt/2，計(jì)算gΔt，t10(t)與信號(hào)s(t1)的乘積的Fourier變換，找出頻譜上的峰值點(diǎn)頻率f01，該頻率就對(duì)應(yīng)于信號(hào)s(t1)的最強(qiáng)的線譜中心頻率。
(2)在f0vl三維空間尋找最大投影值在以上估計(jì)的基礎(chǔ)上，在線譜頻率f01，速度v，和距離l構(gòu)成的三維空間進(jìn)行三維搜索，以投影值最大(即內(nèi)積最大)為準(zhǔn)則，搜索與信號(hào)S(t1)最匹配的Dopplerlet，得到相應(yīng)的最大投影值λt1，速度vt1和距離lt1。
(3)時(shí)間信號(hào)的截取向前滑動(dòng)，重復(fù)(1)(2)時(shí)間信號(hào)向前滑動(dòng)一定的步長(zhǎng)，得到信號(hào)s(t2)，重復(fù)(1)(2)，得到相應(yīng)的最大投影值λt2，速度vt2和距離lt2。如此直到找出整個(gè)信號(hào)各步對(duì)應(yīng)的時(shí)間段信號(hào)(s(t1)，s(t2)，...s(tn))各自最大的投影值(λt1，λt2，...λtn)，以及相應(yīng)的距離，速度，和中心頻率。
(4)精確估計(jì)Δt依據(jù)步驟(3)，已得到的各段信號(hào)(S(t1)，S(t2)，...S(tn))的最大的投影值(λt1，λt2，...λtn)與時(shí)間的關(guān)系曲線，從中取最大投影值λtm來確定精確的搜索范圍，利用λtm對(duì)應(yīng)的時(shí)間段S(tm)的時(shí)間中心tm0，中心頻率fm0，以及在時(shí)間段tm搜索出來的速度vtm和距離ltm，根據(jù)投影值最大準(zhǔn)則，對(duì)Δt進(jìn)行一維的搜索，搜索到最佳的Δt作為Δt的精確值。
(5)精確估計(jì)f0，v，l在得到Δt精確值和時(shí)間中心tm0兩參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)步驟(4)得到的中心頻率fm0，速度vtm和距離ltm在各自較小的鄰域內(nèi)做進(jìn)一步的三維細(xì)化搜索。
(6)更小的區(qū)域精確估計(jì)v，l在步驟(5)的基礎(chǔ)上，采用的更小的步長(zhǎng)。對(duì)速度，距離在更小的區(qū)域進(jìn)行估計(jì)精確搜索，得到被測(cè)物體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度和距離。
下面是一個(gè)水下應(yīng)用的例子。
某水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的時(shí)變譜圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)分析是1kHz以下的頻段，采樣頻率為2000Hz?？紤]到水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，速度v取值范圍為1-30m/s，距離l取值范圍為10-100米。時(shí)寬Δt的粗略值定為14000采樣點(diǎn)(換算為模擬量約7秒)，搜索步驟同上述。圖3為由步驟(1)(2)(3)所獲得的海上實(shí)際數(shù)據(jù)歸一化投影值與時(shí)間的關(guān)系圖，在7.3秒處投影值達(dá)到最大。步驟(4)搜索后的時(shí)寬Δt的精確值為12000采樣點(diǎn)。圖4為搜索完的海上實(shí)際信號(hào)的歸一化投影值與距離的速度的關(guān)系圖，圖4(a)用的是三維圖形，圖4(b)用的是二維灰度圖象。實(shí)際資料處理采用的參數(shù)和搜索步長(zhǎng)如下時(shí)間中心t0采用的步長(zhǎng)為100個(gè)采樣點(diǎn)。細(xì)化搜索即步驟6中心頻率f0，速度v，距離l各參數(shù)采用的步長(zhǎng)分別為0.1Hz，0.1m/s，1m。估計(jì)得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的最近距離為35米，速度16米/秒，與海上實(shí)驗(yàn)情況符合。
因此，基于Dopplerlet變換的單水聽器被動(dòng)測(cè)速測(cè)距法，在反潛、反魚雷武器中極具應(yīng)用潛力。另外，該方法還可探測(cè)低空飛行目標(biāo)，能從接收到的目標(biāo)聲波信號(hào)中檢測(cè)目標(biāo)及估計(jì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可望在空中攔截武器系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種利用多普勒變換的被動(dòng)測(cè)速測(cè)距裝置，其特征在于該方法是對(duì)水下和空中的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和定位的；所述檢測(cè)裝置是數(shù)據(jù)傳輸線(4)將作為探測(cè)器(3)和計(jì)算機(jī)(5)連接起來，探測(cè)器(3)放置在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(1)的活動(dòng)區(qū)域，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(1)發(fā)出輻射聲波(2)，探測(cè)器(3)接收輻射聲波(2)，通過數(shù)據(jù)傳輸線(4)傳輸給計(jì)算機(jī)(5)進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用多普勒變換的被動(dòng)測(cè)速測(cè)距裝置，其特征在于所述探測(cè)器為單水聽器或麥克風(fēng)。
3.一種利用多普勒變換的被動(dòng)測(cè)速測(cè)距法，其特征在于所述利用多普勒變換的被動(dòng)測(cè)速測(cè)距法是利用基于勻速運(yùn)動(dòng)模型的多普勒變換變換，分析空中、水下或陸上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輻射出的聲音信號(hào)；該方法通過定義多普勒變換基函數(shù)集，采用自適應(yīng)匹配投影塔形分解法，搜索出一組與信號(hào)的主要成分最佳匹配的多普勒變換基函數(shù)，進(jìn)而準(zhǔn)確地計(jì)算出目標(biāo)的距離、速度以及聲波傳播速度等參數(shù)；具體算法步驟如下(1)粗略估計(jì)信號(hào)的最強(qiáng)線譜的頻率中心f0，選擇初始時(shí)寬Δt①用l/v比值rlv來作為時(shí)寬Δt的一個(gè)相對(duì)比例值是合適的，可以證明當(dāng)ΔT/rlv＝±2時(shí)(ΔT為偏離正橫時(shí)刻的時(shí)間值)，±ΔT時(shí)刻的瞬時(shí)頻率與中心頻率之差為最大多普勒頻移Δf的0.9倍(Δf＝(v/c)f0)，則截取的信號(hào)段(設(shè)Dopperlet的時(shí)間中心與正橫時(shí)間對(duì)準(zhǔn))正好覆蓋了多普勒頻變最劇烈的一段(-0.9Δf～0.9Δf)；②產(chǎn)生一高斯窗gΔt,t10(t)=g(t-t10Δt),]]>在信號(hào)的起始點(diǎn)截取一段長(zhǎng)度為Δt的信號(hào)s(t1)，其中t10為Δt/2，計(jì)算gΔt，t10(t)與信號(hào)s(t1)的乘積的Fourier變換，找出頻譜上的峰值點(diǎn)頻率f01，該頻率就對(duì)應(yīng)于信號(hào)s(t1)的最強(qiáng)的線譜中心頻率；(2)在f0vl三維空間尋找最大投影值在以上估計(jì)的基礎(chǔ)上，在線譜頻率f01，速度v，和距離l構(gòu)成的三維空間進(jìn)行三維搜索，以投影值最大(即內(nèi)積最大)為準(zhǔn)則，搜索與信號(hào)S(t1)最匹配的Dopplerlet，得到相應(yīng)的最大投影值λt1，速度vt1和距離lt1；(3)時(shí)間信號(hào)的截取向前滑動(dòng)，重復(fù)(1)(2)時(shí)間信號(hào)向前滑動(dòng)一定的步長(zhǎng)，得到信號(hào)s(t2)，重復(fù)(1)(2)，得到相應(yīng)的最大投影值λt2，速度vt2和距離lt2；如此直到找出整個(gè)信號(hào)各步對(duì)應(yīng)的時(shí)間段信號(hào)(s(t1)，s(t2)，...s(tn))各自最大的投影值(λt1，λt2，...λtn)，以及相應(yīng)的距離，速度，和中心頻率；(4)精確估計(jì)Δt依據(jù)步驟(3)，已得到的各段信號(hào)(S(t1)，S(t2)，...S(tn))的最大的投影值(λt1，λt2，...λtn)與時(shí)間的關(guān)系曲線，從中取最大投影值λtm來確定精確的搜索范圍，利用λtm對(duì)應(yīng)的時(shí)間段S(tm)的時(shí)間中心tm0，中心頻率fm0，以及在時(shí)間段tm搜索出來的速度vtm和距離ltm，根據(jù)投影值最大準(zhǔn)則，對(duì)Δt進(jìn)行一維的搜索，搜索到最佳的Δt作為Δt的精確值；(5)精確估計(jì)f0，v，l在得到Δt精確值和時(shí)間中心tm0兩參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)步驟(4)得到的中心頻率fm0，速度vtm和距離ltm在各自較小的領(lǐng)域內(nèi)做進(jìn)一步的三維細(xì)化搜索；(6)更小的區(qū)域精確估計(jì)v，l在步驟(5)的基礎(chǔ)上，采用的更小的步長(zhǎng)對(duì)速度，距離在更小的區(qū)域進(jìn)行估計(jì)精確搜索，得到被測(cè)物體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度和距離。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和定位技術(shù)領(lǐng)域，涉及能從接收到的目標(biāo)聲波信號(hào)中檢測(cè)目標(biāo)及估計(jì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的利用多普勒(Dopplerlet)變換的被動(dòng)測(cè)速測(cè)距法及裝置。由數(shù)據(jù)傳輸線將探測(cè)器和計(jì)算機(jī)連接起來，探測(cè)器放置在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的活動(dòng)區(qū)域，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)發(fā)出輻射聲波時(shí)，探測(cè)器接收輻射聲波，通過數(shù)據(jù)傳輸線傳輸給計(jì)算機(jī)，利用基于勻速運(yùn)動(dòng)模型的Dopplerlet變換，分析(包括水下和陸上)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輻射出的聲音信號(hào)，對(duì)在線譜頻率f
文檔編號(hào)G01S15/00GK1588124SQ20041005680
公開日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者鄒紅星, 陳永強(qiáng), 吳國(guó)清, 李衍達(dá) 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所