一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于水聲探測領(lǐng)域，具體公開了一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，基于雙陣元對目標(biāo)進(jìn)行被動探測，每一個陣元分別對接收的目標(biāo)寬帶噪聲信號進(jìn)行LOFAR分析，對接收信號的LOFAR圖使用HOUGH變換等邊緣提取技術(shù)提取條紋，得到波導(dǎo)不變量以及拋物線參數(shù)的估計值，進(jìn)而得到目標(biāo)的CPA點的距離和目標(biāo)速度信息。本方法基于波導(dǎo)不變量進(jìn)行被動探測，對海洋環(huán)境不確定因素具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力；而采用雙陣元模型，裝置簡便，計算量小，僅使用兩個陣元數(shù)據(jù)就能解算出目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)信息，實現(xiàn)目標(biāo)被動探測。
【專利說明】一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于波導(dǎo)不變量及雙陣元模型來實現(xiàn)對目標(biāo)被動探測的方法，具體涉及一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，屬于水聲探測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]水下目標(biāo)的探測一直是水聲領(lǐng)域研究的重點和難點問題之一，基于隱蔽性考慮，測距聲納多使用被動方式，聲納基陣通過對目標(biāo)輻射噪聲進(jìn)行采集、處理，估計目標(biāo)距離信肩、O
[0003]被動探測的主要方法包括：（1)基于球面波或柱面波波前的三點測距法，其測距精度依賴于時延估計精度，與目標(biāo)距離、方位、基陣孔徑、基陣安裝精度等因素有關(guān)；（2)基于目標(biāo)方位歷程的目標(biāo)運(yùn)動分析（TMA ：Target Motion Analysis)方法,包括純方位TMA、頻率-方位TMA、多途TMA等多種方法；（3)基于三角測量原理的被動多途測距方法，其測距精度受到多途結(jié)構(gòu)預(yù)測的影響；（4)基于球面波假設(shè)的聚焦波束形成方式，是一種近場測距方式；（5)基于聲場模型的?；鶞y距方法,如匹配場（MFP :Matched Field Processing)、匹配模（MMP :Matched_mode Processing)以及被動時間反轉(zhuǎn)（PTRM :Passive Time RevesalMirror)方法，需要根據(jù)實際環(huán)境參數(shù)建立信道模型來計算拷貝聲場。
[0004]目前被動探測技術(shù)的研究主要集中在上述幾種方法針對特定應(yīng)用環(huán)境的改進(jìn)，但究其基本原理，上述方法（I)到（4)基于平面波、球面波假設(shè)，沒有利用水聲信道等環(huán)境信息，方法（5)雖然利用環(huán)境信息基于聲場建模來實現(xiàn)被動探測，但現(xiàn)實水聲環(huán)境信息的難于獲取及其不確定性使其在實際使用中受到很大限制。水聲信道的不確定中也蘊(yùn)含有相對統(tǒng)計不變性，如果能利用水聲信道的這種統(tǒng)計不變特征(如波導(dǎo)不變量）來實現(xiàn)被動探測，將不受環(huán)境不確定因素的影響。`
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)目的是克服現(xiàn)有各類水聲被動探測的弊端，提供一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，其中統(tǒng)計不變特征為波導(dǎo)不變量，并采用雙陣元模型的方法進(jìn)行對目標(biāo)的被動探測，方便快捷，直觀準(zhǔn)確，從而可以更精確獲得目標(biāo)運(yùn)動信息和得出CPA點距離，是一種不依賴海洋環(huán)境具體模型的目標(biāo)距離提取方式。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：
[0007]—種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，包括如下步驟：
[0008](I)采用兩個陣元接收目標(biāo)輻射的寬帶聲信號，每個陣元安置一個接收水聽器；
[0009](2)分別對兩個陣元接收到的信號進(jìn)行LOFAR分析，對得到的LOFAR圖采用Hough變換邊緣提取技術(shù)提取條紋，得到每個波導(dǎo)不變量以及拋物線參數(shù)的估計值；
[0010](3)通過兩個陣元和目標(biāo)形成的幾何關(guān)系，進(jìn)而計算出CPA點的距離，最后獲得目標(biāo)的詳細(xì)運(yùn)動信息。
[0011]前述的一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，在步驟（I)中，每個陣元采用標(biāo)量或者矢量水聽器，水聽器與用于接收并處理目標(biāo)輻射的寬帶聲信號的接收處理電路以及信號處理機(jī)連接。
[0012]前述的一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，在步驟（2)中，基于波導(dǎo)不變量理論，LOFAR圖存在相應(yīng)干涉條紋，通過提取干涉條紋，得到關(guān)鍵拋物線的參數(shù)估計值。
[0013]前述的一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，在步驟（2)中，將Hough變換方法應(yīng)用于LOFAR圖的參數(shù)提取以得到直線條紋，LOFAR圖為一圖像空間，該空間的曲線通過拋物線方程確定，并假設(shè)頂點坐標(biāo)直接從LOFAR圖上讀取。
[0014]前述的一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，對于遠(yuǎn)程目標(biāo)，需根據(jù)短時傅里葉變換獲得清晰LOFAR圖，通過建立干涉條紋與波導(dǎo)不變量的關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)圖像處理的方法提取β值，β為波導(dǎo)不變量。
[0015]前述的一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，在步驟（I)中，當(dāng)目標(biāo)以某一方向勻速運(yùn)動時，兩個接收水聽器分別接收來自目標(biāo)的寬帶聲信號，在每一離散的t時刻對接收信號作功率譜分析，得到LOFAR圖上平行于頻率f橫軸的一個切面，該切面的時間歷程綜合成LOFAR圖。
[0016]本方法所達(dá)到的有益效果：
[0017]艦船低頻寬帶輻射噪聲的激勵聲場存在穩(wěn)定的干涉結(jié)構(gòu)，可以用波導(dǎo)不變量來描述，它反映了不確定海洋環(huán)境中的相對統(tǒng)計不變特性。本方法運(yùn)用波導(dǎo)不變量進(jìn)行被動探測，且在線提取波導(dǎo)不變量能顯著提高測距精度。
[0018]本方法采用雙陣元模型來被動探測，通過兩個陣元接收到的目標(biāo)寬帶聲信號，分別做LOFAR圖分析，然后對LOFAR圖上的斜紋即拋物線進(jìn)行波導(dǎo)不變量和拋物線參數(shù)提取，可以有效的估計出目標(biāo)CPA點距離；假定目標(biāo)是勻速運(yùn)動的，這樣通過2個陣元得到的不同參數(shù)，加上陣元組和目標(biāo)直接的幾何聯(lián)系，可以方便地計算出目標(biāo)的速度及目標(biāo)和接收點的距離。
[0019]本方法基于波導(dǎo)不變量理論和雙陣元模型提出了一種算法，原理性仿真分析研究可以驗證此算法的準(zhǔn)確性。該測距方法算法簡單，測距精度較高，而且無需海洋環(huán)境的精細(xì)先驗知識。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖I是目標(biāo)航跡和水平陣元之間的簡單幾何圖；
[0021 ] 圖2是目標(biāo)最近點（CPA點）示意圖；
[0022]圖3是接收信號LOFAR圖中的干涉條紋；
[0023]圖4是從圖3上截取的一小段直線條紋；
[0024]圖5是本發(fā)明的仿真流程圖。
[0025]實施例I
[0026]如圖I和2所示，本發(fā)明的基于波導(dǎo)不變量理論采用雙陣元模型進(jìn)行被動測距方法的裝置包括，A和B陣元處兩個接收水聽器，當(dāng)目標(biāo)以某一方向勻速運(yùn)動時，兩個接收水聽器分別接收來自目標(biāo)的寬帶聲信號，在每一離散的t時刻對接收信號作功率譜分析，SP得到LOFAR圖上平行于橫軸(頻率f軸)的一個切面，該切面的時間歷程綜合成LOFAR圖（圖3)。在信噪比較高時，單水聽器就可以測得干涉條紋清晰的LOFAR圖；對于遠(yuǎn)程目標(biāo)，信噪比較低時，必須經(jīng)過陣信號處理，對跟蹤波束輸出作LOFAR分析，才能得到清晰的LOFAR圖。
[0027]如圖I所示，目標(biāo)運(yùn)動方向與兩陣元所在直線夾角假設(shè)為θ，即目標(biāo)航向角為θ，假定為勻速直線運(yùn)動，速度為V，如圖所示，目標(biāo)與陣元A的最近距離為D1，時刻為t01 ;與陣元B的最近距離為D2，通過時刻為U ;這樣通過簡單的幾何關(guān)系：
[0028]Ad sin θ =D2-D1(1)
[0029]Ad代表兩陣元間距離
[0030]Δd cosθ = tv Δt = t01-t02
(2)[0031]假設(shè)目標(biāo)到接收點的距離如圖2所示的由遠(yuǎn)及近，再由近及遠(yuǎn)的過程。這時接收信號LOFAR圖中的干涉條紋會呈現(xiàn)相應(yīng)的拋物線狀，如圖3所示：聲場干涉形成的拋物線狀條紋和其橫坐標(biāo)角頻率ω，縱坐標(biāo)時間t之間滿足下面關(guān)系：
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，包括如下步驟： (1)采用兩個陣元接收目標(biāo)輻射的寬帶聲信號，每個陣元安置一個接收水聽器； (2)分別對兩個陣元接收到的信號進(jìn)行LOFAR分析，對得到的LOFAR圖采用Hough變換邊緣提取技術(shù)提取條紋，得到每個波導(dǎo)不變量以及拋物線參數(shù)的估計值； (3)通過兩個陣元和目標(biāo)形成的幾何關(guān)系，進(jìn)而計算出CPA點的距離，最后獲得目標(biāo)的詳細(xì)運(yùn)動信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，其特征在于：在步驟（I)中，每個陣元采用標(biāo)量或者矢量水聽器，水聽器與用于接收并處理目標(biāo)輻射的寬帶聲信號的接收處理電路以及信號處理機(jī)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，其特征在于：在步驟（2)中，基于波導(dǎo)不變量理論，LOFAR圖存在相應(yīng)干涉條紋，通過提取干涉條紋，得到關(guān)鍵拋物線的參數(shù)估計值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，其特征在于：在步驟（2)中，將Hough變換方法應(yīng)用于LOFAR圖的參數(shù)提取得到直線條紋，LOFAR圖為一圖像空間，該空間的曲線通過拋物線方程確定，并假設(shè)頂點坐標(biāo)直接從LOFAR圖上讀取。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，其特征在于：對于遠(yuǎn)程目標(biāo)，需根據(jù)短時傅里葉變換獲得清晰LOFAR圖，通過建立干涉條紋與波導(dǎo)不變量的關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)圖像處理的方法提取β值，β為波導(dǎo)不變量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用水聲信道統(tǒng)計不變特征實現(xiàn)被動測距的方法，其特征在于：在步驟（1）中，當(dāng)目標(biāo)以某一方向勻速運(yùn)動時，兩個接收水聽器分別接收來自目標(biāo)的寬帶聲信號，在每一離散的t時刻對接收信號作功率譜分析，得到LOFAR圖上平行于頻率f橫軸的一個切面，該切面的時間歷程綜合成LOFAR圖。
【文檔編號】G01S11/14GK103487796SQ201310436674
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】李建, 唐凱, 韓慶邦, 殷澄, 朱昌平, 單鳴雷, 高遠(yuǎn) 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)