本發(fā)明屬于水下聲源定位領(lǐng)域，具體涉及一種基于穩(wěn)健方位估計(jì)的雙海底水平陣聯(lián)合定位方法。

背景技術(shù)：

1、隨著海洋工程、信號(hào)處理方法的發(fā)展，對(duì)水下聲源實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確的定位，是需要迫切解決的關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái)，裝備水平的發(fā)展與進(jìn)步使得水下探測(cè)的方式更加多樣。其中，大孔徑線列陣能夠獲得較大的探測(cè)半徑，有利于探測(cè)復(fù)雜的海洋環(huán)境中的低信噪比聲源。基于模態(tài)理論，與其他深度層相比，在海底深度上，各階簡(jiǎn)正波模態(tài)的幅度較大，即保留了更多階簡(jiǎn)正波模態(tài)對(duì)聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)。因此，海底水平陣可以對(duì)更多階簡(jiǎn)正波模態(tài)進(jìn)行有效采樣，進(jìn)而獲得更多的聲源信息。以海底水平線列陣作為觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的多站聯(lián)合目標(biāo)定位方法，能夠在每個(gè)采樣時(shí)刻通過(guò)聯(lián)合多個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)方位估計(jì)信息，生成目標(biāo)的位置信息。利用多個(gè)觀測(cè)站的方位測(cè)量結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，主要通過(guò)聯(lián)合各觀測(cè)節(jié)點(diǎn)所提供的聲源方位信息，創(chuàng)建聲源定位模型，從而求解聲源位置坐標(biāo)。這類方法的運(yùn)算量較小，且性能穩(wěn)定，適用于基于海底水平陣方位估計(jì)的聲源定位問(wèn)題。

2、然而，在應(yīng)用水平線列陣進(jìn)行目標(biāo)方位估計(jì)時(shí)，傳統(tǒng)基于平面波模型的方位估計(jì)方法在多途條件下均存在一定的估計(jì)偏差，容易引起空間譜峰偏離或分裂現(xiàn)象；方位估計(jì)結(jié)果精度上的不足，將導(dǎo)致多站聯(lián)合定位算法的精度大大降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種基于子空間相交的雙海底水平陣聯(lián)合目標(biāo)定位方法，用于根據(jù)試驗(yàn)海區(qū)的聲學(xué)環(huán)境實(shí)現(xiàn)水平陣節(jié)點(diǎn)的高分辨方位估計(jì)，進(jìn)而利用不同位置處水平陣估計(jì)得到的方位角差異對(duì)聲源進(jìn)行聯(lián)合定位，解決傳統(tǒng)方法存在的運(yùn)算量大、精度低的問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種基于子空間相交的雙海底水平陣聯(lián)合目標(biāo)定位方法，包括：

4、利用兩個(gè)海底水平陣同步采集水下聲源發(fā)出的信號(hào)，構(gòu)建信號(hào)接收模型；

5、基于兩個(gè)海底水平陣的空間位置建立二維直角坐標(biāo)系；

6、在兩個(gè)海底水平陣所處的海域內(nèi)，測(cè)量聲學(xué)環(huán)境參數(shù)；

7、基于模態(tài)理論，將聲學(xué)環(huán)境參數(shù)代入簡(jiǎn)正波模型，計(jì)算聲場(chǎng)中各階簡(jiǎn)正波的水平波數(shù)；其中各階簡(jiǎn)正波是基于對(duì)信號(hào)接收模型分解得到；

8、基于各階簡(jiǎn)正波的水平波數(shù)，篩選出水平波數(shù)對(duì)應(yīng)的各階次模態(tài)中的有效模態(tài)；

9、基于信號(hào)接收模型，構(gòu)建水平陣輸出信號(hào)的協(xié)方差矩陣；通過(guò)對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，構(gòu)造信號(hào)子空間；基于各階有效模態(tài)的水平波數(shù)，構(gòu)造模態(tài)子空間；

10、將模態(tài)子空間與信號(hào)子空間結(jié)合并進(jìn)行正交三角分解，以求解兩個(gè)海底水平陣對(duì)聲源方位角的估計(jì)結(jié)果；

11、根據(jù)兩個(gè)海底水平陣對(duì)聲源方位角估計(jì)結(jié)果，基于所建立的二維直角坐標(biāo)系對(duì)聲源的位置進(jìn)行估計(jì)。

12、進(jìn)一步地，所述利用兩個(gè)海底水平陣同步采集水下聲源發(fā)出的信號(hào)，構(gòu)建信號(hào)接收模型，包括：

13、對(duì)于陣元間距為d的n元海底水平陣，接收深度為zr，水平陣第n個(gè)陣元與聲源的水平距離為rn(n＝1,2,...,n)；空間內(nèi)同時(shí)存在s個(gè)聲源，信號(hào)角頻率為ω，水平陣第n個(gè)陣元接收到的信號(hào)為：

14、

15、式中，ps(ω,rn,zr)表示水平陣接收到第s個(gè)聲源信號(hào)的聲壓值，該聲壓值的大小與信號(hào)角頻率為ω、與聲源的水平距離rn、接收深度zr存在函數(shù)關(guān)系；σ(ω)表示高斯白噪聲；在第l個(gè)快拍下，水平陣上的接收信號(hào)向量表示為：xl(ω)＝[x1(ω),x2(ω),...,xn(ω)]t。

16、進(jìn)一步地，所述基于兩個(gè)海底水平陣的空間位置建立二維直角坐標(biāo)系，包括：

17、將兩個(gè)海底水平陣各自中點(diǎn)的連線確定為x軸，并以其中任意一個(gè)海底水平陣的中點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以x軸水平旋轉(zhuǎn)90°作為y軸，構(gòu)建二維直角坐標(biāo)系；從而，兩個(gè)海底水平陣的坐標(biāo)分別為(x1,y1)和(x2,y2)。

18、進(jìn)一步地，在兩個(gè)海底水平陣所處的海域內(nèi)，測(cè)量聲學(xué)環(huán)境參數(shù)作為簡(jiǎn)正波模型的輸入，這些參數(shù)包括：

19、測(cè)量裝置布置在海底水平陣附近，聲速剖面利用溫度鏈、ctd或xbt探頭裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；海底沉積物聲學(xué)特性利用海底采樣、原位測(cè)量、海底地聲參數(shù)反演進(jìn)行獲取，得到海底沉積物聲速、密度和聲衰減系數(shù)。

20、進(jìn)一步地，所述基于各階簡(jiǎn)正波的水平波數(shù)，篩選出水平波數(shù)對(duì)應(yīng)的各階次模態(tài)中的有效模態(tài)，包括：

21、根據(jù)水體中的聲速剖面與海底聲速cs，篩選出反射模態(tài)與反轉(zhuǎn)模態(tài)作為有效模態(tài)；其中，反射模態(tài)的水平波數(shù)km需滿足ωcs＜km＜ωcmax，反轉(zhuǎn)模態(tài)的水平波數(shù)km需滿足ωcmax＜km＜ωcmin，cmax和cmin分別表示水體中聲速的最大值和最小值；篩選出的有效模態(tài)階次表示為：m＝1,2,...,me，me為篩選出的有效模態(tài)的最大階次。

22、進(jìn)一步地，所述基于信號(hào)接收模型，構(gòu)建水平陣輸出信號(hào)的協(xié)方差矩陣；通過(guò)對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，構(gòu)造信號(hào)子空間；基于各階有效模態(tài)的水平波數(shù)，構(gòu)造模態(tài)子空間，包括：

23、基于第l個(gè)快拍的接收信號(hào)向量xl(ω)，則在l個(gè)快拍下，得到水平陣輸出信號(hào)的協(xié)方差矩陣為：

24、

25、式中，上角標(biāo)h表示共軛轉(zhuǎn)置；通過(guò)對(duì)協(xié)方差矩陣特征值分解，可寫成如下形式：

26、

27、其中，表示將特征值由大到小排列，前s個(gè)大特征值所組成的對(duì)角矩陣，表示由前s個(gè)大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量所構(gòu)成的信號(hào)子空間；表示由其余n-s個(gè)小特征值所組成的對(duì)角矩陣，表示由n-s個(gè)小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量所構(gòu)成的噪聲子空間；

28、基于各階有效模態(tài)的水平波數(shù)km(m＝1,2,...,me)，搜索角度θ對(duì)應(yīng)的模態(tài)子空間定義為：

29、

30、其中，span{·}表示張成空間，i為虛數(shù)單位，e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)。

31、進(jìn)一步地，所述將模態(tài)子空間與信號(hào)子空間結(jié)合并進(jìn)行正交三角分解，以求解兩個(gè)海底水平陣對(duì)聲源方位角的估計(jì)結(jié)果，包括：

32、將模態(tài)子空間與信號(hào)子空間結(jié)合，可得一n×(me+s)階矩陣：

33、

34、經(jīng)過(guò)qr分解，得：

35、

36、其中，為正交分解得到的正交矩陣，為一(me+s)×(me+s)階上三角矩陣，其對(duì)角線元素為的奇異值；則函數(shù)：

37、的峰值即對(duì)應(yīng)著估計(jì)得到的聲源方位角

38、進(jìn)一步地，所述根據(jù)兩個(gè)海底水平陣對(duì)聲源方位角估計(jì)結(jié)果，基于所建立的二維直角坐標(biāo)系對(duì)聲源的位置進(jìn)行估計(jì)，包括：

39、兩個(gè)海底水平陣對(duì)應(yīng)的聲源方位角估計(jì)結(jié)果分別為兩個(gè)海底水平陣端射方向與二維直角坐標(biāo)系x軸正方向的夾角為則針對(duì)位于(x,y)處的聲源，觀測(cè)方程為：

40、

41、從而，估計(jì)的聲源位置便能夠通過(guò)求解如下方程組得到：

42、

43、一種聲源定位設(shè)備，包括處理器、存儲(chǔ)器以及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中的計(jì)算機(jī)程序；處理器執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序時(shí)，實(shí)現(xiàn)所述基于子空間相交的雙海底水平陣聯(lián)合目標(biāo)定位方法。

44、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述介質(zhì)中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序；計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)所述基于子空間相交的雙海底水平陣聯(lián)合目標(biāo)定位方法。

45、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

46、本發(fā)明提出的基于穩(wěn)健方位估計(jì)的雙海底水平陣聯(lián)合定位方法，基于簡(jiǎn)正波理論，通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)正波波數(shù)精確建模消除海底水平陣的方位估計(jì)誤差，使雙水平陣聯(lián)合定位具有了實(shí)踐價(jià)值。本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在通過(guò)引入子空間相交的算法，單個(gè)水平陣節(jié)點(diǎn)的測(cè)向準(zhǔn)確性得到提升，從而改善了目標(biāo)定位精度。相比于傳統(tǒng)的匹配場(chǎng)測(cè)向方法，運(yùn)算量大大減小，有效提升了目標(biāo)定位的效率。