[發明專利]一種基于近場源定位算法的多目標水聲定位方法和系統

在審

• 申請號: 201410406943.4
• 申請日: 2014-08-18
• 公開（公告）號: CN104181505A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發明（設計）人: 孫曉穎;趙一航;陳磊;劉妍妍;劉壯;封家鵬
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01S5/18
• 分類號: G01S5/18;G01S5/28
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

技術領域

本發明涉及一種多目標水聲定位系統，具體涉及一種基于陣列信號處理領域的近場源定位算法并結合過零檢測的方法來實現多目標水聲定位方法和系統。

背景技術

隨著人類不斷的開發海洋資源和軍事發展方面的需要，人們對水下載體定位技術的要求也越來越高，各個國家對水下定位技術的發展也越來越重視。當前在海洋開發、海洋工程及海防技術領域廣泛使用多種定位技術來對水下目標進行定位。水下聲學定位(underwater?acoustic?positioning)是用水聲設備確定水下載體或目標方位和距離的技術，利用三個以上傳聲器構成的基陣接收聲脈沖信號，測量到達時間或相位等信息實現定位。但由于水下環境復雜，噪聲干擾大，定位的精度和實時性一直是通信和信號處理界人士研究的重要課題。

目前水聲定位系統主要有長基線(LongBase-Line?Positioning?System)、短基線(Short?Base-Line?Positioning?System)、超短基線(Ultra?Short?Base-Line?Positioning?System)定位系統等。

長基線定位系統在海底較遠距離按照一定的幾何形狀放置應答器陣，相鄰的三個或者四個應答器構成一個基陣。利用聲學原理解算迭代方程和解析解法得出目標的位置。該定位系統定位范圍廣，但近距離探測時只能估計角度信息，同時定位精度不高。短基線定位系統基線長度較短，相對位置固定，它的水聽器基陣由四個成直角坐標配置的水聽器組成，工作原理跟長基線定位系統相同。短基線定位系統優點是設備相對簡單，但近距離探測時也只能估計角度信息，定位精度有限。超短基線定位系統的工作方式是母船的應答器發射詢問信號，根據目標的應答時間測出水下目標的距離，同時利用到達各個陣元的應答信號相位差測出目標的方位，從而獲得目標的位置。超短基線定位系統的設備更為簡單，在其適用的場合具有很好的靈活性。主要缺點是其定位精度較低。

近場源定位算法作為陣列信號處理領域的經典算法，定位原理是由已知數目傳感器構成特定陣列，接收陣列菲涅爾區范圍內的信源入射信號，并利用信號處理方法估計空間入射信源的角度和距離參數，具有很高的分辨率、估計精度及穩定性。從上世紀九十年代起，國內外學者對近場源定位進行了深入研究并取得了豐碩的成果，將二階統計量、高階統計量、循環統計量等數學工具廣泛地應用到近場源定位算法中，在經典遠場定位方法基礎上，提出許多有效算法。如Huang等人提出的2-D?MUSIC方法通過二維譜峰搜索同時估計角度和距離信息，具有很高的估計精度。但近場源定位算法估計過程是非線性的，計算復雜度大，在估計方位角的同時，還需估計信源距離，計算量大，同時實際系統應用中角度信息容易提取，距離信息很難提取，對各路接收信號有很嚴格的限制，這些局限性阻礙了近場源定位算法在實際系統中的應用?，F有技術并沒有將近場源定位算法應用到水下多目標跟蹤定位領域中，本發明具有前瞻性的填補了應用近場源定位算法進行水下多目標定位和跟蹤這一技術領域的空白，為高精度的水下定位提供一種新的思路。

如今，各種定位技術飛速發展，現有的單目標定位技術已經不能滿足社會的需要，可以同時實現多目標定位更能滿足軍事和民用領域的需求。目前多目標多是通過硬件或軟件來實現的，加大的系統設計的難度。

水聲定位技術作為一種實用性很強的定位技術，一直受到廣泛關注。Jonathan?C.Crowell在題為“水聲定位系統和方法”的美國專利No.US?12/372,065中提到了給定位和保持裝置設置了一個同步的時基和一個共同的聲脈沖時間安排，每個站保持裝置根據共同的聲學脈沖調度發送的聲脈沖的時間，定位裝置接收由保持裝置發出的脈沖，并計算本身和基于時間的聲脈沖被發送的每個站保持裝置和所接收到的脈沖的時間差，計算出位置信息。該方法容易受多徑的影響。

曹利等人在題為“一種基于水聲傳感器網絡的多目標數據融合方法及系統”的中國專利No.CN102833882A中提到在觀測區域布放采集節點，各個采集節點觀測到方位信息，通過水下網傳輸給主節點；主節點對方位信息進行數據融合，通過數據關聯對多目標進行跟蹤和定位。該方法可以實時跟蹤定位目標，但存在復雜度和精度的問題。

張亮等人在題為“水下遠場目標被動定位過程中的近場強干擾源抑制方法”的中國專利No.CN102809744A，這個專利中提到了近場，但只是近場提供強的干擾源，仍是遠場定位，定位精度有限。

發明內容