專利名稱：基于幅度補(bǔ)償?shù)膍vdr時(shí)反聚焦定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不僅可準(zhǔn)確獲得聲源的空間位置信息，還可同時(shí)獲得聲源的強(qiáng)度信息的定位方法。
背景技術(shù)：
在淺海環(huán)境下，對水下噪聲源進(jìn)行定位，需要在獲取聲源空間位置的同時(shí)，獲取聲源強(qiáng)度的相對大小。水下聲信道是一個(gè)包括海面、海底和海水介質(zhì)的復(fù)雜環(huán)境，存在明顯的多途效應(yīng)。多途效應(yīng)可視為一種相干干擾，可使傳統(tǒng)的聚焦定位方法產(chǎn)生明顯的定位誤差、較高的旁瓣級(jí)起伏以及偽峰，對聚焦定位性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。時(shí)反聚焦技術(shù)可用以解決淺海環(huán)境下的噪聲源近程定位問題。時(shí)反聚焦過程的本質(zhì)和信號(hào)處理中的波束形成、匹配濾波以及基于環(huán)境模型的匹配場處理(Matehed FieldProeessing,MFP)和?；ヅ錇V波(Model Based Matehed Filtering,MBMF)在原理上是類似的，都是一個(gè)駕駛向量與空間或時(shí)間數(shù)據(jù)向量進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算，或稱Bartlett運(yùn)算，SP本質(zhì)上是利用就是模型和數(shù)據(jù)匹配的相干處理思想，但該技術(shù)的空間分辨率受到Bartlett處理的限制。目前，有學(xué)者將MVDR高分辨處理引入時(shí)反聚焦定位中，可在準(zhǔn)確修正多途效應(yīng)引起的定位誤差的同時(shí)，獲得高空間分辨率的空間譜圖(羅方方，生雪莉等.基于MVDR高分辨算法的時(shí)反定位技術(shù)研究.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31 (7):945-950)，但該方法沒有考慮不同聲源傳播距離的影響，未采取任何幅度修正，得到的聚焦空間譜輸出無法正確反映聲源貢獻(xiàn)的相對大小。另外，陳歡等人研究了對幅度和相位進(jìn)行聯(lián)合修正的聚焦波束形成方法(陳歡.直線陣潛艇噪聲源高分辨定位識(shí)別方法研究.哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文，2011年)，但該方法無法直接應(yīng)用于存在多途效應(yīng)的水下噪聲源定位中。至今未出現(xiàn)基于幅度修正的MVDR時(shí)反聚焦定位方法的研究結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種可在準(zhǔn)確修正多途效應(yīng)引起的定位誤差的同時(shí)，獲得高空間分辨率的空間譜圖，并正確反映空間各聲源強(qiáng)度的相對大小的基于幅度補(bǔ)償?shù)腗VDR (minimum variance distortionless response,最小方差無失真響應(yīng))時(shí)反聚焦定位方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:(a)利用射線理論中的虛源法，建立淺海多途條件下的水平聲壓均勻線列陣接收信號(hào)模型；(b)將聲源發(fā)射信號(hào)經(jīng)過不同途徑到達(dá)各個(gè)陣元的通道視為多途信道，得到各信道沖擊響應(yīng)函數(shù)h(m’n)(t)；(c)對發(fā)射信號(hào)Sw和沖擊響應(yīng)函數(shù)h(m’n) (t)進(jìn)行頻域變換，得到第η號(hào)陣元接收信號(hào)y(n)以及基陣接收信號(hào)矩陣y ；(d)在與聲源等深的水平面S上進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，在掃描點(diǎn)坐標(biāo)5)處，得到該點(diǎn)的沖擊響應(yīng)函數(shù)/;(η)( I x,y)；(e)經(jīng)頻域變換得到纟(n)(/|i，j))的頻域表示命n)(i,5，);(f)對第η個(gè)陣元的接收信號(hào)y(n)經(jīng)頻域變換后，在信號(hào)頻帶范圍 fh內(nèi)劃分K個(gè)互不重疊的子帶，將接收信號(hào)矩陣y分解為K個(gè)不重疊的NX I維向量!>(./；.)，將聲壓陣
沖擊響應(yīng)函數(shù)頻域矩陣#對應(yīng)分解為K個(gè)不重疊的NX I維向量身(./； I x,y)；(g)定義基于幅度補(bǔ)償?shù)腗VDR時(shí)反聚焦的約束條件，得到頻率fk上考慮幅度補(bǔ)償?shù)腗VDR時(shí)反聚焦空間譜八人|-f,v)；
tools] (h>得到累積K個(gè)頻帶的總的空間譜pMVDR_TRaj)；(i)設(shè)置合適掃描步長，重復(fù)(d)至(h)的步驟，進(jìn)行完整平面搜索并比較輸出功率譜圖，最終由譜峰位置確定噪聲源所在位置。本發(fā)明將幅度補(bǔ)償與MVDR高分辨時(shí)反技術(shù)同時(shí)引入到水下噪聲源近場聚焦定位中，提出了基于幅度補(bǔ)償?shù)腗VDR時(shí)反聚焦定位方法。一方面利用相干多途信道特點(diǎn)，生成時(shí)反補(bǔ)償向量，并利用MVDR處理器改善時(shí)反聚焦的定位精度、空間分辨率及背景抑制能力。另一方面，施加幅度補(bǔ)償，消除距離對時(shí)反聚焦的影響，真實(shí)反映聲源強(qiáng)度的相對大小。可以滿足在淺海多途條件下，水下噪聲源定位對于空間分辨率、源貢獻(xiàn)評(píng)價(jià)等方面的迫切需求。


圖1淺海水平線陣接收信號(hào)模型示意圖。圖2(a)-圖2(c)頻帶250Hz-500Hz時(shí)，多途條件下不同聚焦算法的空間譜偽彩圖，其中:圖2(a)多途常規(guī)聚焦；圖2(13)常規(guī)時(shí)反聚焦；圖2((:)幅度補(bǔ)償MVDR時(shí)反聚焦。圖3(a)-圖3(c)頻帶250Hz_lkHz時(shí),多途條件下不同聚焦算法的空間譜偽彩圖，其中:圖2(a)多途常規(guī)聚焦；圖2(b)常規(guī)時(shí)反聚焦；圖2(c)幅度補(bǔ)償MVDR時(shí)反聚焦。圖4(a)-圖4(c)頻帶250Hz_2kHz時(shí),多途條件下不同聚焦算法的空間譜偽彩圖，其中:圖4(a)多途常規(guī)聚焦；圖4(b)常規(guī)時(shí)反聚焦；圖4(c)幅度補(bǔ)償MVDR時(shí)反聚焦。圖5(a) -圖5(c)頻帶250Hz-4kHz時(shí)，多途條件下不同聚焦算法的空間譜偽彩圖，其中:圖5(a)多途常規(guī)聚焦；圖5(b)常規(guī)時(shí)反聚焦；圖5(c)幅度補(bǔ)償MVDR時(shí)反聚焦。圖6(a)-圖6(c)等功率雙目標(biāo)聚焦空間譜三維圖，其中:圖6(a)多途常規(guī)聚焦；圖6(b)常規(guī)時(shí)反聚焦；圖6(c)幅度補(bǔ)償MVDR時(shí)反聚焦。圖7(a)-圖7(c)不等功率雙目標(biāo)聚焦空間譜三維圖，其中:圖7 (a)多途常規(guī)聚焦；圖7(b)常規(guī)時(shí)反聚焦；圖7(c)幅 度補(bǔ)償MVDR時(shí)反聚焦。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。(a)利用射線理論中的虛源法，建立淺海多途條件下的水平聲壓均勻線列陣接收信號(hào)模型。以淺海水平聲壓均勻線列陣測試系統(tǒng)為例(如圖1所示)。設(shè)海水深度為H，一個(gè)N元均勻線陣入水深度為Za，陣元間距為d，設(shè)I號(hào)陣元為參考陣元?？臻g中共存在M個(gè)寬帶聲源，入水深度均Szs，第m個(gè)聲源的空間位置坐標(biāo)為(xm，ym，zs)。根據(jù)空間位置關(guān)系:Z11 = 2Hl+zs-za (I)Z12 = 2H (1+1)-zs-za (2)Z13 = _2Hl_zs_za (3)Z14 = _2H (1+1) +zs~za (4)
權(quán)利要求
1.一種基于幅度補(bǔ)償?shù)腗VDR時(shí)反聚焦定位方法，其特征是: (a)利用射線理論中的虛源法，建立淺海多途條件下的水平聲壓均勻線列陣接收信號(hào)模型； (b)將聲源發(fā)射信號(hào)經(jīng)過不同途徑到達(dá)各個(gè)陣元的通道視為多途信道，得到各信道沖擊響應(yīng)函數(shù)h(m'n)(t)； (c)對發(fā)射信號(hào)s(m)和沖擊響應(yīng)函數(shù)^n)(t)進(jìn)行頻域變換，得到第η號(hào)陣元接收信號(hào)y(n)以及基陣接收信號(hào)矩陣y ； (d)在與聲源等深的水平面S上進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，在掃描點(diǎn)坐標(biāo)氏j),A)處，得到該點(diǎn)的沖擊響應(yīng)函數(shù)妒少); Ce)經(jīng)頻域變換得到h(n){11x,y)的頻域表示身(η)(1，5，); (f)對第η個(gè)陣元的接收信號(hào)y(n)經(jīng)頻域變換后，在信號(hào)頻帶范圍 fh內(nèi)劃分K個(gè)互不重疊的子帶，將接收信號(hào)矩陣I分解為K個(gè)不重疊的NX I維向量#(/；),將聲壓陣沖擊響應(yīng)函數(shù)頻域矩陣#對應(yīng)分解為K個(gè)不重疊的NX I維向量
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于幅度補(bǔ)償?shù)腗VDR時(shí)反聚焦定位方法。(a)建立淺海多途條件下的水平聲壓均勻線列陣接收信號(hào)模型；(b)將聲源發(fā)射信號(hào)經(jīng)過不同途徑到達(dá)各個(gè)陣元的通道視為多途信道；(c)對發(fā)射信號(hào)和沖擊響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行頻域變換；(d)在與聲源等深的水平面S上進(jìn)行逐點(diǎn)掃描；(e)頻域變換；(f)在信號(hào)頻帶范圍fl～fh內(nèi)劃分K個(gè)互不重疊的子帶；(g)定義基于幅度補(bǔ)償?shù)腗VDR時(shí)反聚焦的約束條件；(h)得到累積K個(gè)頻帶的總的空間譜；(i)設(shè)置合適掃描步長，重復(fù)(d)至(h)的步驟。本發(fā)明不僅可準(zhǔn)確獲得聲源的空間位置信息，還可同時(shí)獲得聲源的強(qiáng)度信息。
文檔編號(hào)G01S5/18GK103197282SQ20131008456
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者時(shí)勝國, 時(shí)潔, 楊德森, 胡博, 朱中銳, 莫世奇, 李思純, 方爾正, 張攬?jiān)? 洪連進(jìn) 申請人:哈爾濱工程大學(xué)