[發明專利]一種低頻雙矢量水聽器陣列的測距方法及系統

在審

• 申請號: 201310689350.9
• 申請日: 2013-12-16
• 公開（公告）號: CN104714235A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: 王文博;于倍;王贊;王鵬;張春華;黃勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G01S15/08
• 分類號: G01S15/08
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊林

技術領域

本發明屬于矢量陣列信號處理領域，提出了一種基于寬頻帶波導不變量的分布式測距方法，該方法彌補了傳統單頻、標量方法在單條水平陣測距方面的不足，能夠高質量的判定出目標與接收水聽器幾何中心的距離。

背景技術

當前成熟的常規被動測距手段多適用于深海穩定環境，而對于較為復雜的淺海環境，還面臨著許多問題。淺海波導作為聲信號傳播的環境載體，是一個極其復雜多變的聲信道，信道的多途效應、頻散效應、水體的不均勻性、海底參數的不確定性、海底海面的不平整等因素均會引起聲信號的畸變，從根源上導致傳統聲納探測技術在實際使用時性能不佳。因此發展無需精確海洋環境的先驗知識，也不嚴格要求陣型不變的穩健被動測距算法意義重大。

淺海低頻水聲信道的不確定中也蘊含有相對的統計不變性，如果能利用水聲信道的這種統計不變特征（如波導不變量β）來實現被動測距，可以基本不受環境不確定因素的影響。

在目標距離隨時間變化的情況下，對接收器接收的目標寬帶噪聲信號進行LOFAR分析，接收到的LOFAR圖上會出現有規律的條紋，這是由于構成聲場的各個簡正波之間的互相干涉隨距離變化而導致的，這種現象稱為波導不變性，可以用波導不變量（記為β）來表征。基于波導不變量的目標測距方法是一種寬容的水下目標測距方法。

發明內容

本發明的目的在于，為克服上述問題，本發明提供了一種低頻雙矢量水聽器陣列的測距方法及系統。

本發明提出的分布式低頻矢量水聽器陣列的測距方法，根據矢量陣列的輸出信號特性，給出了矢量陣的快速寬帶頻域波束形成方法，并分別對海洋環境信息了解程度的低和高，有兩類基于波導不變量的測距方法：一種是不需要精確環境信息的基于提取波導不變量的測距方法；一種是依據環境信息，進行理論計算得到波導不變量的目標測距方法。

為了實現上述目的，本發明提供了一種低頻雙矢量水聽器陣列的測距方法，該方法基于被動測距，所述方法包含：

步驟101）利用兩個矢量水聽器水平線陣列接收目標發射的來自θ方向的信號，然后對接收的信號進行波束形成；

步驟102）基于形成的波束信號得到各波束的LOFAR圖，然后基于LOFAR圖提取波導不變量；

步驟103）根據提取的波導不變量，利用分布式的兩個矢量水聽器水平線陣對探測目標聲強的干涉圖進行目標距離估計。

可選的，矢量水聽器水平線陣采用聲能流信號進行波束形成，公式為：

D_I＝e^H·Re(R_pv)·g_v

其中，所述矢量陣列包含聲壓傳感器和質點振速傳感器，從而能夠共點同步測量空間某點處的聲壓和三個質點振速正交分量：P,V_x,V_y,V_z；R_pv表示聲能流；g_v表示方向掃描向量；Re（）表示取信號實部；D_I表示基于聲能流的波束形成輸出。

上述步驟102）進一步包含：

步驟201）對聲能流信號進行采樣，然后將聲能流信號的采樣序列分成連續的若干幀，且每幀包含N個采樣點；

步驟202）對每幀信號的采樣樣本L(n)作歸一化和中心處理；

步驟203）對矢量傳感器接收到的信號x(n)作短時傅立葉變換得到LOFAR譜圖；

步驟204）基于LOFAR譜圖的干涉條紋的斜率值，估計波導不變量的值

上述步驟103）依據波導不變量的值和信號方位角θ的值，采用如下公式估計矢量水聽器水平線陣列中心與目標的距離r：

r^=maxrρ(β^,r,θ^)]]>

其中，為估計得到的波導不變量的值，表示某個具體的方位，ρ表示兩個矢量水聽器水平線陣列輸出的頻域波束形成信號的相關系數。

上述相關系數ρ的計算公式為：