[發(fā)明專利]基于頻域最小二乘法的水聲脈沖信號匹配場定位方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210589738.7
• 申請日: 2012-12-31
• 公開（公告）號: CN103048642A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李焜;方世良;安良;羅昕煒
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G01S5/18
• 分類號: G01S5/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種基于頻域最小二乘法的水聲脈沖信號匹配場的定位方法，其特征在于：該定位方法包括以下步驟：

步驟10）對雙陣元水聽器采用聲場傳播模型測算聲場，包括如下的步驟：

步驟101）確定聲源的搜索范圍：在觀測范圍內(nèi)，對觀測范圍進(jìn)行網(wǎng)格點(diǎn)劃分，獲得網(wǎng)格區(qū)域(R，Z)，其中，R表示搜索網(wǎng)格區(qū)域上的距離范圍，Z表示搜索網(wǎng)格區(qū)域上的深度范圍；

步驟102）對步驟101）所劃分的網(wǎng)格區(qū)域(R,Z)，使用Kraken聲場傳播模型，將海洋環(huán)境參數(shù)作為聲場傳播模型的輸入值，通過聲場傳播模型測算，得到各網(wǎng)格區(qū)域上的聲源在每個(gè)水聽器上激勵所產(chǎn)生的信道脈沖響應(yīng)H_j(ω_i)，j=1、2；其中，ω_i表示水聲脈沖信號頻帶范圍內(nèi)的各頻率點(diǎn)，i=1、2、…、L，L表示水聲脈沖信號頻帶內(nèi)的頻點(diǎn)總數(shù)；

步驟20）根據(jù)雙陣元水聽器接收到的水聲脈沖信號和聲場傳播模型測算的信道脈沖響應(yīng)H_j(ω_i)，對目標(biāo)實(shí)施匹配場定位，包括如下步驟：

步驟201）將聲傳播模型測算的信道脈沖響應(yīng)H_j(ω_i)以式（1）形式進(jìn)行排列：

其中，H₁(ω_i)表示一個(gè)水聽器上的信道脈沖響應(yīng)，H₂(ω_i)表示另一個(gè)水聽器上的信道脈沖響應(yīng)；i=1、2、…、L；

步驟202）將兩個(gè)水聽器接收到的水聲脈沖信號y₁(n)和y₂(n)分別進(jìn)行傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻譜Y₁(ω′_k)和Y₂(ω′_k)，其中，n表示離散時(shí)間索引，ω′_k表示整個(gè)采樣頻率范圍內(nèi)的離散頻率點(diǎn)，k=1、2、…、N,k表示離散頻點(diǎn)索引，N表示整個(gè)采樣頻率范圍內(nèi)總的頻點(diǎn)數(shù)；

步驟203）在水聲脈沖信號頻帶范圍內(nèi)，取出Y₁(ω′_k)和Y₂(ω′_k)在各自頻帶內(nèi)的頻譜Y₁(ω_i)和Y₂(ω_i)，i=1、2、…、L；

步驟204）由Y₁(ω_i)和Y₂(ω_i)構(gòu)造如式（2）所示的兩個(gè)水聽器的接收信號的譜矩陣X_1,2：

X_1,2＝diag[Y_1,2(ω₁),Y_1,2(ω₂),…,Y_1,2(ω_L)]????式（2）

其中，diag[Y_1,2(ω₁),Y_1,2(ω₂),…,Y_1,2(ω_L)]表示由Y_1,2(ω_i)組成對角陣，Y1,2(ωi)=Y1(ωi)Y1(ωi)Y2(ωi)Y2(ωi),]]>i=1、2、…、L；

步驟205）利用接收信號的譜矩陣X_1,2和某網(wǎng)格點(diǎn)位置上的使用式（3）的最小二乘法，估計(jì)發(fā)射信號的譜矩陣

S^(H~1,2TH~1,2)-1H~1,2TX1,2]]>????式（3）

其中，表示的轉(zhuǎn)置，表示矩陣的逆陣；

根據(jù)式（3）得到的發(fā)射信號譜矩陣依據(jù)式（4）確定頻域拷貝信號的譜矩陣

X^1,2=H~1,2S^]]>????式（4）

步驟206）建立如式（5）所示的誤差代價(jià)函數(shù)L(R,Z)，產(chǎn)生相應(yīng)的定位模糊表面：

L(R,Z)=1/||X1,2-X^1,2||2]]>????式（5）

其中，表示接收信號的譜矩陣X_1,2與拷貝信號的譜矩陣之間誤差的范數(shù)平方和，R表示搜索網(wǎng)格區(qū)域上的距離范圍，Z表示搜索網(wǎng)格區(qū)域上的深度范圍；

在所劃分的網(wǎng)格區(qū)域上，對模糊表面進(jìn)行匹配場搜索，根據(jù)式（6）確定出目標(biāo)所在的位置：

(R^0,Z^0)=arg maxR,ZL(R,Z)]]>????式（6）

其中：表示定位所得到的距離估計(jì)值，表示定位所得到的深度估計(jì)值，表示L(R,Z)在峰值位置處所對應(yīng)的距離R和深度Z。

2.按照權(quán)利要求1所述的一種基于頻域最小二乘法的水聲脈沖信號匹配場的定位方法，其特征在于，所述的步驟102）中，海洋環(huán)境參數(shù)包括聲速梯度分布、海水深度、海水密度、海底密度、海底的衰減系數(shù)。