[發明專利]基于蝙蝠雙耳定位模型的水下目標方位估計方法

有效

• 申請號: 201611174414.1
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106526578B
• 公開（公告）日: 2018-10-23
• 發明（設計）人: 劉華鋒
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第二十研究所
• 主分類號: G01S7/539
• 分類號: G01S7/539
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

本發明提供了一種基于蝙蝠雙耳定位模型的水下目標方位估計方法，根據發射信號的頻段，計算出適用于處理雙曲調頻信號的雙耳定位模型參數，并結合回波信號中干涉峰谷值點的理論位置來確定外耳谷值頻率區間和水聲換能器的頻率響應，最后根據模型所估計出的外耳谷值頻率來計算目標的方位。本發明提升了雙耳定位模型的方位分辨力，使得主動聲吶能夠在雙陣元的情況下達到良好的方位分辨力，且性能遠遠優于常規波束形成法。

技術領域

本發明屬于水下目標探測技術領域，具體涉及在平臺條件受限的情況下應用蝙蝠雙耳定位模型提升水下目標方位分辨力的方法。

背景技術

對于主動聲吶來說，往往需要很高的方位分辨力來精確探測目標。傳統方法經常借助水聲換能器陣列，并通過波束形成來獲取空間增益、估計目標方位。但換能器陣列一般是以半波長為間距布置的，若要獲得高的方位估計精度，則需增加陣元個數或增大發射聲波的頻率。然而由于平臺尺寸的限定，所能布置陣元的個數往往不能滿足要求，且增大聲波的頻率會增大傳播衰減，縮短探測距離。

蝙蝠可以利用自身的精簡“陣列”(雙耳)及特有的神經信號處理方法估計獵物的方位，且能達到良好的方位分辨力，這一特性為主動聲吶在平臺條件受限的情況下提升方位分辨力提供了可能性。對此，日本東北大學的Ikuo Matsuo于2002年提出了蝙蝠在三維空間中利用雙耳進行多目標定位的模型，本發明中稱該模型為雙耳定位模型。雙耳定位模型模擬了蝙蝠的信號處理方法，提升了精簡陣列下目標的方位分辨力，但蝙蝠的發聲信號以雙曲調頻信號為主，而模型是以大帶寬線性調頻信號為基準建立的，這導致該模型不適用于處理雙曲調頻信號，無法利用雙曲調頻信號的非線性特性進一步提升方位分辨力。此外，大帶寬信號對水聲換能器的制作也提出了巨大的挑戰。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于蝙蝠雙耳定位模型的水下目標方位估計方法，根據主動聲吶的工作頻段及雙曲調頻信號的非線性特點對雙耳定位模型進行改進，提升了雙耳定位模型的方位分辨力，并利用改進的雙耳定位模型提升主動聲吶的方位分辨力，使得主動聲吶能夠在雙陣元的情況下達到良好的方位分辨力，且性能遠遠優于常規波束形成法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：根據發射信號的頻段，計算出適用于處理雙曲調頻信號的雙耳定位模型參數，并結合回波信號中干涉峰谷值點的理論位置來確定外耳谷值頻率區間和水聲換能器的頻率響應，最后根據模型所估計出的外耳谷值頻率來計算目標的方位，具體包括以下步驟：

1)根據聲吶系統所要求的發射信號頻段，計算發射信號的雙曲調頻參數K＝Tf_maxf_min/B，T為發射信號持續時間，f_max、f_min為發射信號的頻率最大值和最小值，B為發射信號帶寬；

2)根據處理頻段設置改進的雙耳定位模型的通道數目，平均每1KHz設置一個通道，并將通道中心頻率設置為雙曲變化；根據各通道中心頻率f_i(t)計算各通道間的中心時間差δp＝1/f_i+1(t)-1/f_i(t)，f_i+1為相鄰通道的中心頻率；結合δp求解提升外耳谷值頻率區間頻率分辨力的頻率要求，式中p_i為各通道的中心時間；

根據頻段內干涉峰值點理論位置和谷值點理論位置結合頻率要求確定外耳谷值頻率區間的頻率最大值，保證每個回波時延差至少對應外耳谷值頻率區間外的一個峰值點或者谷值點；式中，m、n為正整數，Δτ為回波間的時延差；

根據方位估計范圍和外耳傳輸函數計算外耳谷值頻率區間的頻率跨度，并結合頻率最大值計算外耳谷值頻率區間；EEDNF_L、EEDNF_R分別為左耳、右耳的外耳谷值頻率，A為方位角，E為俯仰角，F為頻率常數，等于外耳谷值頻率區間的中心頻率；