[發(fā)明專利]適用于淺海多途環(huán)境的水下噪聲源高穩(wěn)健性聚焦定位方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210162659.8
• 申請日: 2012-05-24
• 公開（公告）號: CN102692620A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 時潔;楊德森;時勝國
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G01S5/18
• 分類號: G01S5/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水聲定位方法，具體地說是一種適用于淺海多途環(huán)境的水下噪聲源高穩(wěn)健性聚焦定位方法。

背景技術(shù)

在淺海環(huán)境下，聲信道是一個包括海面、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)。對于淺海近程噪聲源定位問題而言，多途效應(yīng)的存在會導(dǎo)致通常使用的常規(guī)及高分辨類聚焦定位方法存在模型失配，產(chǎn)生定位偏差，同時在空間譜圖像上出現(xiàn)較高的旁瓣級起伏，對聚焦定位性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

針對淺海環(huán)境下的信號處理問題，基于模型的信號處理思想（Model?Based?Processing：MBP）受到了廣大學(xué)者的青睞，該思想是設(shè)計(jì)一種融合海洋傳播模型，并且可以用來完成各種各樣的信號處理功能的處理器。Candy等人將MBP方法廣泛的應(yīng)用到水下聲納被動定位，海洋環(huán)境參數(shù)反演，水下目標(biāo)檢測、估計(jì)、識別等方面，取得了一定的成果。目前，在淺海噪聲源聚焦定位方面，對淺海多途效應(yīng)的影響以及可行性方法的研究普遍集中于時間反轉(zhuǎn)鏡方法（惠娟，胡丹，惠俊英等．聚焦波束形成聲圖測量原理研究．聲學(xué)學(xué)報(bào),2007，32(4)：356-361；羅方方,生雪莉,梅繼丹,郭詠.基于MVDR高分辨算法的時反定位技術(shù)研究.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,31(7)：945-950），但仍未出現(xiàn)基于多途模型匹配思想的噪聲源聚焦定位方法研究結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供了一種可有效提高M(jìn)VDR高分辨聚焦定位方法在淺海多途條件下的定位精度以及存在失配誤差及海洋環(huán)境聲學(xué)參數(shù)失配誤差下的穩(wěn)健性的適用于淺海多途環(huán)境的水下噪聲源高穩(wěn)健性聚焦定位方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

（a）在近程聲傳播條件下采用射線理論中的虛源法對陣列信號進(jìn)行建模，建立淺海多途條件下的水平聲壓線陣接收信號模型，得到基陣接收信號矩陣X及采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣

（b）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)及分析頻率f上生成空間聚焦導(dǎo)向矢量A'(f)；

（c）為消除由于不同掃描點(diǎn)到達(dá)基陣參考陣元的距離不同帶來的對匹配聚焦的影響，對空間聚焦導(dǎo)向矢量進(jìn)行二范數(shù)下的歸一化處理，得到歸一化后的空間聚焦導(dǎo)向矢量

（d）利用最差性能最優(yōu)方法對空間聚焦導(dǎo)向矢量實(shí)施約束優(yōu)化；

（e）利用二階錐規(guī)劃對該優(yōu)化問題進(jìn)行求解，得到最優(yōu)化權(quán)矢量w_opt；

（f）將最優(yōu)權(quán)矢量w_opt代入目標(biāo)函數(shù)中，得到最優(yōu)權(quán)矢量下的陣列輸出功率P；

（g）根據(jù)運(yùn)算量要求，設(shè)置合適掃描步長，重復(fù)（b）至（f）的步驟，進(jìn)行完整平面搜索并比較輸出功率譜圖，由譜峰位置確定噪聲源所在位置。

本發(fā)明將多途信道模型與最差性能最優(yōu)穩(wěn)健約束優(yōu)化方法相結(jié)合，提出了具有高穩(wěn)健性的淺海噪聲源聚焦定位方法。

本發(fā)明的有益效果是：該方法一方面綜合了多途模型匹配思想，利用相干多途信道特點(diǎn)，在射線理論基礎(chǔ)上建立了符合水聲傳播特點(diǎn)的陣列信號模型，生成與實(shí)際聲傳播特性相匹配的空間聚焦導(dǎo)向矢量，從而有效克服了多途效應(yīng)的影響，提高了定位精度。另一方面，利用最差性能最優(yōu)的穩(wěn)健聚焦處理器設(shè)計(jì)方法，對空間聚焦導(dǎo)向矢量實(shí)施約束，并通過二階錐規(guī)劃方法求解最優(yōu)權(quán)矢量，最終得到優(yōu)化后的空間譜形式，從而克服了多種海洋環(huán)境聲學(xué)參數(shù)失配誤差對MVDR高分辨算法空間分辨率及背景起伏抑制能力的影響，可以獲得更大的動態(tài)范圍、更尖銳的聚焦峰尺度以及更強(qiáng)的背景噪聲級抑制能力，可以滿足在淺海多途條件下，水下噪聲源定位對于高分辨算法穩(wěn)健性的迫切需求。

附圖說明

圖1淺海水平線陣接收信號模型示意圖。

圖2(a)-圖2(d)空間聚焦導(dǎo)向矢量失配下的空間譜對比效果圖，其中：圖2(a)多途常規(guī)；圖2(b)匹配常規(guī)；圖2(c)匹配MVDR；圖2(d)匹配穩(wěn)健MVDR。

圖3(a)-圖3(b)空間聚焦導(dǎo)向矢量失配下的空間譜切片對比效果圖（N=21，d=0.75m），其中：圖3(a)y向；圖3(b)x向。

圖4(a)-圖4(b)空間聚焦導(dǎo)向矢量失配下的空間譜切片對比效果圖（N=11，d=1.5m），其中：圖4(a)y向；圖4(b)x向。

圖5(a)-圖5(b)空間聚焦導(dǎo)向矢量失配下的空間譜切片對比效果圖（N=7，d=2.5m），其中：圖5(a)y向；圖5(b)x向。

圖6(a)-圖6(b)空間聚焦導(dǎo)向矢量失配下的空間譜切片對比效果圖（N=5，d=3.75m），其中：圖6(a)y向；圖6(b)x向。