一種基于雙隨機(jī)基陣被動(dòng)定位的大橋防撞方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于雙隨機(jī)基陣被動(dòng)定位的大橋防撞方法，該方法基于大橋防撞裝置實(shí)現(xiàn)，所述裝置包括兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣，分別安裝在大橋兩側(cè)的橋墩上，用于接收通航船舶的輻射噪聲信號(hào)；所述方法包括：兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣對接收到的通航船舶的輻射噪聲信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、頻譜分析和帶通濾波，得到船舶輻射噪聲的有用信號(hào)；采用寬帶頻域非相干處理方法對船舶輻射噪聲的有用信號(hào)進(jìn)行角度估計(jì)，得到船舶相對于兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣的角度θ1和θ2；從而計(jì)算出船舶的坐標(biāo)；根據(jù)大橋兩側(cè)橋墩到船舶的距離判定船舶是否進(jìn)入大橋防撞危險(xiǎn)局域。本發(fā)明提出的方法測量精度高，裝置安裝簡單方便，成本較低。
【專利說明】
-種基于雙隨機(jī)基陣被動(dòng)定位的大橋防撞方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種海洋領(lǐng)域的水聲信號(hào)處理方法，具體設(shè)及一種基于雙隨機(jī)基陣被 動(dòng)定位的大橋防撞方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 跨河跨海大橋的建設(shè)，極大的緩解了路上交通的擁擠。但是大量跨河跨海橋梁的 修建，相當(dāng)于給水上交通制造了許多障礙物，并且隨著船舶向大型化發(fā)展和船舶通航密度 逐漸增大，導(dǎo)致通航船舶碰撞橋梁事故頻繁發(fā)生，對海上交通造成了極大的威脅?，F(xiàn)階段應(yīng) 用在防撞預(yù)警系統(tǒng)的方法主要有:激光感應(yīng)、雷達(dá)定位、視頻監(jiān)控和水聲定位等。
[0003] 水聲目標(biāo)定位主要分為被動(dòng)目標(biāo)定位和主動(dòng)目標(biāo)定位，與主動(dòng)目標(biāo)定位相比，被 動(dòng)定位的隱蔽性較好。常用的被動(dòng)定位方法有傳統(tǒng)的被動(dòng)定位方法、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)定位分析法、 匹配場被動(dòng)定位方法、多基陣聯(lián)合的純方位被動(dòng)跟蹤方法等。但上述方法存在一定的不足， 如傳統(tǒng)的被動(dòng)定位方法，包括=子陣法和球面內(nèi)插法，但其需要預(yù)先知道時(shí)延差，存在較大 的誤差；目標(biāo)運(yùn)動(dòng)定位分析法，在實(shí)時(shí)跟蹤時(shí)應(yīng)用困難;匹配場被動(dòng)定位方法，在信道環(huán)境 復(fù)雜的條件下存在較大的誤差;多基陣聯(lián)合的純方位被動(dòng)跟蹤方法，其設(shè)備較復(fù)雜，成本較 局等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服目前水聲目標(biāo)被動(dòng)定位方法存在的上述缺陷，提出了一種 基于雙隨機(jī)基陣被動(dòng)定位的大橋防撞方法，該方法將兩條隨機(jī)換能器基陣安裝在大橋兩側(cè) 的橋墳上，被動(dòng)接收靠近大橋的通航船舶的福射噪聲，然后利用頻域角度估計(jì)方法，對福射 噪聲信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)行船舶角度估計(jì)，最后根據(jù)雙基陣間距W及與船舶的角度信息，融合 估計(jì)出船舶與橋墳的距離，并判斷是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警。該方法能實(shí)時(shí)檢測出船 舶距離橋墳的距離，及時(shí)發(fā)出預(yù)警，檢測精度高，并且簡單方便，易于安裝和維護(hù)，成本較 低。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種基于雙隨機(jī)基陣被動(dòng)定位的大橋防撞方 法，該方法基于大橋防撞裝置實(shí)現(xiàn)，所述裝置包括兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣，分別安裝在大橋兩 側(cè)的橋墳上，用于接收通航船舶的福射噪聲信號(hào);所述方法包括:兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣對接 收到的通航船舶的福射噪聲信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、頻譜分析和帶通濾波，得到船舶福射噪聲的 有用信號(hào);采用寬帶頻域非相干處理方法對船舶福射噪聲的有用信號(hào)進(jìn)行角度估計(jì)，得到 船舶相對于兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣的角度和02;從而計(jì)算出船舶的坐標(biāo)(x〇，y〇);根據(jù)大橋 兩側(cè)橋墳到船舶的距離判定船舶是否進(jìn)入大橋防撞危險(xiǎn)局域。
[0006] 上述技術(shù)方案中，所述方法具體包括：
[0007] 步驟1)兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣被動(dòng)接收通航船舶的福射噪聲信號(hào)，對船舶福射噪聲 信號(hào)進(jìn)行功率放大、帶通濾波預(yù)處理；
[000引步驟2)對預(yù)處理之后的船舶福射噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到船舶福射噪聲信號(hào) 的顯著頻率分布范圍；
[0009] 步驟3)根據(jù)船舶福射噪聲信號(hào)的顯著頻率分布范圍，對船舶福射噪聲信號(hào)進(jìn)行帶 通濾波，去除其它頻率的無用噪聲，篩選出船舶福射噪聲的有用信號(hào)；
[0010] 步驟4)采用寬帶頻域非相干處理方法，對步驟3)得到的輸出信號(hào)進(jìn)行角度估計(jì)， 得到船舶相對于兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣的角度和02;
[ocm]步驟5)根據(jù)兩個(gè)角度值01和02,求解船舶的坐標(biāo)(xo，yo)。
[0012] 步驟6)計(jì)算得到船舶距離兩個(gè)橋墳的長度：
[0013]
[0014]
[001引其中，（財(cái)，71)，（料，72)分別為兩個(gè)橋墳的坐標(biāo)；
[0016] 步驟7)設(shè)定大橋避撞危險(xiǎn)局域半徑為D，若ri《D或n《D，則發(fā)出警報(bào)信息。
[0017] 上述技術(shù)方案中，所述步驟4)具體包括：
[0018] 步驟401)對步驟3)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域數(shù)據(jù)分段，分為K個(gè)數(shù)據(jù)段，每段數(shù)據(jù)的采 樣點(diǎn)數(shù)為J;對每段數(shù)據(jù)進(jìn)行J點(diǎn)的FFT變化處理，取K個(gè)數(shù)據(jù)段中相同頻率柜的數(shù)據(jù)組成頻 域快拍數(shù)據(jù)，則寬帶信號(hào)模型可W用頻域表示為：
[0019] X(fj)=A(fj)S(fj)+N(fj) j = J
[0020] 式中，A(fj)是MXN的導(dǎo)向矢量矩陣，S(fj)為接收信號(hào)復(fù)包絡(luò)，N(fj)為無用信號(hào)噪 聲，M為陣元個(gè)數(shù)，N為信號(hào)源個(gè)數(shù)，船舶福射噪聲頻段共分為J個(gè)頻率柜，f J為第j個(gè)頻率柜；
[0021] 步驟402)根據(jù)最大似然估計(jì)定理，估計(jì)出每個(gè)頻率柜上的采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣：
[0022] R(fj)=X(fj)X^(fj)/K
[0023] 步驟403)對協(xié)方差矩陣進(jìn)行信號(hào)到達(dá)角度估計(jì)處理，估計(jì)得到每個(gè)頻率柜所對應(yīng) 的角度功率譜：
[0024]
[0025] 其中，a(0)為來波方向?yàn)?時(shí)，隨機(jī)換能器基陣所對應(yīng)的導(dǎo)向矢量；
[0026] 步驟404)對所有頻率柜的角度功率譜進(jìn)行累加求和，得出寬帶船舶福射噪聲的總 功率譜為：
[0027]
[0028] 步驟405)估計(jì)兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣與船舶之間的角度；
[0029] 船舶福射噪聲角度功率譜的尖峰對應(yīng)著船舶相對于第一個(gè)隨機(jī)換能器基陣的角 度：
[0030]
[0031] 通過上述步驟求解出船舶相對于第二個(gè)隨機(jī)換能器基陣的角度02。
[0032] 本發(fā)明的優(yōu)勢在于：
[0033] 1、本發(fā)明提出的法可W對通航船舶進(jìn)行定位，適合于對各類船舶；
[0034] 2、本發(fā)明提出的方法測量精度高，安裝簡單方便，成本較低。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發(fā)明中計(jì)算船舶位置的示意圖；
[0036] 圖2a為實(shí)例1的基陣1的功率譜圖；
[0037] 圖化為實(shí)例1的基陣2的功率譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0039] 如圖1所示，一種基于雙隨機(jī)基陣被動(dòng)定位的大橋防撞方法；該方法實(shí)現(xiàn)的條件 是:在大橋兩側(cè)的橋墳上分別安裝一個(gè)隨機(jī)換能器基陣;根據(jù)實(shí)際工程所需，合理設(shè)計(jì)隨機(jī) 換能器基陣的參數(shù)，在兩個(gè)陣列陣元個(gè)數(shù)相同的情況下，與傳統(tǒng)的半波長布陣的均勻線陣 相比，隨機(jī)換能器基陣的角度分辨率遠(yuǎn)大于均勻陣的角度分辨率;所述方法具體包括：
[0040] 步驟1)兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣被動(dòng)接收通航船舶的福射噪聲信號(hào)，對船舶福射噪聲 信號(hào)進(jìn)行功率放大、帶通濾波等預(yù)處理；
[0041] 步驟2)對預(yù)處理之后的船舶福射噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到船舶福射噪聲信號(hào) 的顯著頻率分布范圍；
[0042] 采用FFT變換，并采用頻譜檢測方法，檢測出船舶福射噪聲的頻率分布范圍；
[0043] 步驟3)根據(jù)船舶福射噪聲信號(hào)的顯著頻率分布范圍，對船舶福射噪聲信號(hào)進(jìn)行帶 通濾波，去除其它頻率的無用噪聲，篩選出船舶福射噪聲的有用信號(hào)；
[0044] 步驟4)采用寬帶頻域非相干處理方法，對噪聲信號(hào)進(jìn)行角度估計(jì);具體包括：
[0045] 步驟401)對步驟3)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域數(shù)據(jù)分段，分為K個(gè)數(shù)據(jù)段，每段數(shù)據(jù)的采 樣點(diǎn)數(shù)為J;對每段數(shù)據(jù)進(jìn)行J點(diǎn)的FFT變化處理，取K個(gè)數(shù)據(jù)段中相同頻率柜的數(shù)據(jù)組成頻 域快拍數(shù)據(jù)，則寬帶信號(hào)模型可W用頻域表示為：
[0046] X(fj)=A(fj)S(fj)+N(fj) j = J
[0047] 式中，A(fj)是MXN的導(dǎo)向矢量矩陣，S(fj)為接收信號(hào)復(fù)包絡(luò)，N(fj)為無用信號(hào)噪 聲，M為陣元個(gè)數(shù)，N為信號(hào)源個(gè)數(shù)，船舶福射噪聲頻段共分為J個(gè)頻率柜，f J為第j個(gè)頻率柜；
[0048] 步驟402)根據(jù)最大似然估計(jì)定理，估計(jì)出每個(gè)頻率柜上的采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣：
[0049] R(fj)=X(fj)X^(fj)/K
[0050] 步驟403)對協(xié)方差矩陣進(jìn)行信號(hào)到達(dá)角度估計(jì)處理，估計(jì)得到每個(gè)頻率柜所對應(yīng) 的角度功率譜：
[0化1 ]
[0052] 其中，a(0)為來波方向?yàn)?時(shí)，隨機(jī)換能器基陣所對應(yīng)的導(dǎo)向矢量；
[0053] 步驟404)對所有頻率柜的角度功率譜進(jìn)行累加求和，得出寬帶船舶福射噪聲的總 功率譜為：
[0化4]
[0055] 步驟405)估計(jì)兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣與船舶之間的角度；
[0056] 船舶福射噪聲角度功率譜的尖峰對應(yīng)著船舶相對于第一個(gè)隨機(jī)換能器基陣的角 度：
[0化7]
[0058] 通過上述步驟求解出船舶相對于第二個(gè)隨機(jī)換能器基陣的角度02。
[0059] 步驟5)根據(jù)兩個(gè)角度值01和02,求解船舶的坐標(biāo)(xo，yo);
[0060] 如圖1所示，實(shí)際橋墳的地理位置在位置規(guī)劃時(shí)是已知的，分別為（XI，yi)，（X2， 72);根據(jù)；角形幾何關(guān)系所得，1曰11目1=(7日-71)/(則-義1)，1:曰]1目2=(7日-72)/(則-如，結(jié)合；角 關(guān)系式，可W求得船舶的坐標(biāo)(XO，yo);
[0061 ] 巧驢6 )結(jié)合橋謝的化理仿置，計(jì)貸得到船舶距離兩個(gè)橋墳的長度分別為
[0062] 步驟7)設(shè)定大橋避撞危險(xiǎn)局域半徑為D，若ri《D或n《D，則會(huì)發(fā)出警報(bào)，使得船舶 遠(yuǎn)離大橋，避免船舶碰撞大橋事故的發(fā)生。
[0063] 實(shí)例 1:
[0064] 系統(tǒng)參數(shù)為:兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣的陣元個(gè)數(shù)為10個(gè);船舶福射噪聲的頻譜設(shè)為 25曲Z-35曲Z，采樣率為400曲Z，基陣1的坐標(biāo)為(2,5)米，基陣2的坐標(biāo)為（10，1)米。
[0065] 由圖2a和圖化可知，兩個(gè)基陣對接收的船舶福射噪聲進(jìn)行處理，得到的角度功率 譜可W檢測出，船舶偏離基陣1的角度為40%偏離基陣2的角度為120%并根據(jù)基陣1和基陣 2的位置聲標(biāo)可得：
[0066]
[0067]
[0068] 可計(jì)算得出船舶的位置坐標(biāo)為(8.92,10.8)。
[0069] 進(jìn)而求得船舶距離基陣1的距離
米，船舶距離基陣2 的距離天
。
[0070] 最后，將ri，n與實(shí)際的危險(xiǎn)半徑進(jìn)行比較，得出是否需要發(fā)出警報(bào)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于雙隨機(jī)基陣被動(dòng)定位的大橋防撞方法，該方法基于大橋防撞裝置實(shí)現(xiàn)，所 述裝置包括兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣，分別安裝在大橋兩側(cè)的橋墩上，用于接收通航船舶的輻 射噪聲信號(hào);所述方法包括:兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣對接收到的通航船舶的輻射噪聲信號(hào)進(jìn) 行預(yù)處理、頻譜分析和帶通濾波，得到船舶輻射噪聲的有用信號(hào);采用寬帶頻域非相干處理 方法對船舶輻射噪聲的有用信號(hào)進(jìn)行角度估計(jì)，得到船舶相對于兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣的角 度Θ#ΡΘ 2;從而計(jì)算出船舶的坐標(biāo);根據(jù)大橋兩側(cè)橋墩到船舶的距離判定船舶是否進(jìn)入大橋 防撞危險(xiǎn)局域。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙隨機(jī)基陣被動(dòng)定位的大橋防撞方法，其特征在于，所述 方法具體包括： 步驟1)兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣被動(dòng)接收通航船舶的輻射噪聲信號(hào)，對船舶輻射噪聲信號(hào) 進(jìn)行功率放大、帶通濾波預(yù)處理； 步驟2)對預(yù)處理之后的船舶輻射噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到船舶輻射噪聲信號(hào)的頻 率分布范圍； 步驟3)根據(jù)船舶輻射噪聲信號(hào)的頻率分布范圍，對船舶輻射噪聲信號(hào)進(jìn)行帶通濾波， 去除其它頻率的無用噪聲，篩選出船舶輻射噪聲的有用信號(hào)； 步驟4)采用寬帶頻域非相干處理方法，對步驟3)得到的噪聲信號(hào)進(jìn)行角度估計(jì)，得到 船舶相對于兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣的角度Θ#ΡΘ2; 步驟5)根據(jù)兩個(gè)角度值01和02，求解船舶的坐標(biāo)(XQ，yo); 步驟6)計(jì)算得到船舶距離兩個(gè)橋墩的長度：其中，（XI，yi)，（ X2，y2)分別為兩個(gè)橋墩的坐標(biāo)； 步驟7)設(shè)定大橋避撞危險(xiǎn)局域半徑為D，若ri$DSr2<D，則發(fā)出警報(bào)信息。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙隨機(jī)基陣被動(dòng)定位的大橋防撞方法，其特征在于，所述 步驟4)具體包括： 步驟401)對步驟3)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域數(shù)據(jù)分段，分為K個(gè)數(shù)據(jù)段，每段數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn) 數(shù)為J;對每段數(shù)據(jù)進(jìn)行J點(diǎn)的FFT變化處理，取K個(gè)數(shù)據(jù)段中相同頻率柜的數(shù)據(jù)組成頻域快 拍數(shù)據(jù)，則寬帶信號(hào)模型可以用頻域表示為： X(fj)=A(fj)S(fj)+N(fj)j = l,2,··· ,J 式中，A(fj)是MXN的導(dǎo)向矢量矩陣，S(fj)為接收信號(hào)復(fù)包絡(luò)，N(fj)為無用信號(hào)噪聲，Μ 為陣元個(gè)數(shù)，Ν為信號(hào)源個(gè)數(shù)，船舶輻射噪聲頻段共分為J個(gè)頻率柜，t為第j個(gè)頻率柜； 步驟402)根據(jù)最大似然估計(jì)定理，估計(jì)出每個(gè)頻率柜上的采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣： R(fj)=X(fj)XH(fj)/K 步驟403)對協(xié)方差矩陣進(jìn)行信號(hào)到達(dá)角度估計(jì)處理，估計(jì)得到每個(gè)頻率柜所對應(yīng)的角 度功率譜：其中，a( Θ)為來波方向?yàn)棣〞r(shí)，隨機(jī)換能器基陣所對應(yīng)的導(dǎo)向矢量； 步驟404)對所有頻率柜的角度功率譜進(jìn)行累加求和，得出寬帶船舶輻射噪聲的總功率 譜為：步驟405)估計(jì)兩個(gè)隨機(jī)換能器基陣與船舶之間的角度； 船舶輻射噪聲角度功率譜的尖峰對應(yīng)著船舶相對于第一個(gè)隨機(jī)換能器基陣的角度：通過上述步驟求解出船舶相對于第二個(gè)隨機(jī)換能器基陣的角度θ 2。
【文檔編號(hào)】G01S15/18GK105954755SQ201610371527
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】閆路, 許楓, 唐浩, 安旭東, 王夢賓
【申請人】中國科學(xué)院聲學(xué)研究所