[發明專利]基于可靠聲路徑下目標回波到達時延和到達角度的主動定位方法

有效

• 申請號: 201710387446.8
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107272005B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 劉雄厚;劉國鵬;孫超;蔣光禹
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01S15/10
• 分類號: G01S15/10;G01S7/527;G01S7/539
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 華金

1.基于可靠聲路徑下目標回波到達時延和到達角度的主動定位方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：利用聲場軟件進行離線仿真計算，包括以下步驟；

子步驟一：由單個發射換能器和N個水聽器組成單基地主動聲納系統，該系統位于深海臨界深度下；發射換能器發射線性調頻信號，表達式為

其中，f為中心頻率，k為調頻斜率，τ₀為脈寬，T為發射周期；

子步驟二：將需要觀測的距離-深度空間劃分網格，目標位于某一網格點，利用射線模型離線計算從該網格點到達接收陣幾何中心點處的直達波雙程時延以及到達角度；設沿著距離方向網格點數為I，沿著深度方向網格點數為J；第i個水平距離第j個深度處的對應網格點，從該網格點到達接收陣幾何中心處的直達波雙程到達時延為τ_i,j，從該網格點到達接收陣幾何中心處的直達波到達角度為θ_i,j，其中i＝1,2,…,I，j＝1,2,…,J；對所有網格點計算從該網格點到達接收陣幾何中心點處的直達波雙程時延以及到達角度，并對到達時延和到達角度的信息進行存儲；

步驟二：對多元水聽器陣實際采集到的目標回波信號進行處理，提取回波到達時延和到達角度信息；其中實際進行采集時，所使用的單基地聲納系統構成以及發射換能器發出的線性調頻脈沖信號表達公式與仿真中的單基地聲納系統構成以及發射換能器發出的線性調頻脈沖信號表達公式相同；發射換能器發射線性調頻信號，對多元水聽器陣接收到的回波信號進行提取處理，獲得直達波的到達時延信息和直達波到達角度信息，包括以下子步驟：

子步驟一：對水聽器陣采集到的目標回波信號進行帶通濾波，對每個水聽器用公式(1)對應的匹配濾波器對帶通濾波輸出信號進行匹配濾波，得到匹配濾波輸出

其中，r_n(t)為第n個水聽器接收到的回波的帶通濾波輸出信號，s(t)為(1)式的發射線性調頻信號；

對得到的R_n(τ)求取包絡，包絡中第一個尖峰是直達波部分處理后得到的波形，尖峰的極大值對應的時間為直達波到達該水聽器的時延值；

對所有水聽器的直達波到達時延求平均值

其中，τ_n為第n號水聽器的直達波到達時延，N為總水聽器數；τ_D即為所需要的直達波到達時延信息；

子步驟二：通過矩形時間窗函數對接收陣得到的匹配濾波輸出直達波部分進行提取，提取公式為：

其中，矩形時間窗函數為

B為發射信號帶寬；由式(5)可知，矩形時間窗函數W(τ)的中心時刻為直達波平均到達時刻τ_D，寬度為0.88/B；

子步驟三：對進行目標方位估計，得到所需要的直達波到達角度θ_D，其中n＝1,2,…,N；

步驟三：將仿真得到的各個網格點對應的直達波到達時延和到達角度分別與實際接收信號的直達波平均到達時延和到達角度相匹配，即

其中，P_i,j為第i個水平距離第j個深度處的對應網格點的匹配處理輸出；沿著距離和深度對匹配處理輸出進行搜索，在峰值處獲得目標定位結果，通過時延和角度匹配，從峰值處獲得目標位置。

2.如權利要求1所述的基于可靠聲路徑下目標回波到達時延和到達角度的主動定位方法，其特征在于，所述單基地主動聲納系統包括單個發射換能器和N個水聽器，6≤N≤64；N個水聽器構成均勻直線陣，陣元間距為發射信號中心頻率所對應的半波長。

3.如權利要求1所述的基于可靠聲路徑下目標回波到達時延和到達角度的主動定位方法，其特征在于，所述N元水聽器陣布放方式為水平布放或垂直布放。

4.如權利要求1或3所述的基于可靠聲路徑下目標回波到達時延和到達角度的主動定位方法，其特征在于，單個發射換能器和N元水聽器陣的排列方式為：以單個發射換能器為球心，N元水聽器陣的幾何中心位于半徑為200米的球體包括球面內某一點。

5.如權利要求1所述的基于可靠聲路徑下目標回波到達時延和到達角度的主動定位方法，其特征在于，采用適用于直線陣的目標方位估計方法處理其中n＝1,2,…,N。

6.如權利要求1所述的基于可靠聲路徑下目標回波到達時延和到達角度的主動定位方法，其特征在于，所述網格點距離間隔在5-100米之間，深度間隔在1-50米之間。