[發明專利]一種基于水下傳感器網絡的多目標被動定位方法

有效

• 申請號: 201911007165.0
• 申請日: 2019-10-22
• 公開（公告）號: CN110764053B
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發明（設計）人: 劉妹琴;田一瑋;鄭榮濠;張森林;樊臻
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01S5/20
• 分類號: G01S5/20;H04B13/02;H04W64/00;H04W84/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明屬于多傳感器融合估計領域，提出了一種基于水下傳感器網絡的多目標被動定位方法，采用了特征級和決策級信息融合相結合的策略。基于水聲傳感器網絡的多目標探測存在能耗高、定位精度低、時延大等問題，針對這些缺陷，本發明所提出的算法在單節點陣列進行多目標方位估計，并提取多種目標信號的特征，傳輸至融合中心進行處理，實時對多目標進行方位估計，并進一步得到位置信息。算法提高多目標位置估計的準確性的同時降低了節點間通訊信息量。因此，本發明對于解決實際的水下多目標被動定位問題具有重要的現實意義。

技術領域

本發明屬于多傳感器融合估計領域，尤其涉及一種基于水下傳感器網絡的多目標被動定位方法。

背景技術

水下目標探測是海洋監測網和海洋預警系統必不可少的組成部分。在軍事上，潛艇等非合作目標嚴重威脅了我國海洋安全，為了長期持續監測海洋環境，水下傳感器網絡將成為重要的技術依托。在民用領域，水下傳感器網絡也可用于水下目標的搜救、智能運輸監測、海洋生物探測等。但傳統的主動探測方式將消耗較大的能量，不利于水下傳感器網的維護，且容易暴露己方位置。而普通的被動探測方案對威脅目標的定位效果較差，且近年來隨著消噪技術的發展，潛艇、航行器等非合作目標的噪聲級越來越低，出現許多無聲潛艇等，增加了被動監聽的難度。因此，將水下傳感器網絡與被動探測方案結合，將能夠實時監測較大水域范圍，水下無線傳感器網絡(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSNs)主要由多個水下傳感器節點組成，節點搭載水聽器陣列，同時可與水下航行器和水面基站等進行通信。水下節點監聽海洋目標水下聲學信息，經一定的本地處理后傳到融合中心進行融合，獲得目標位置、速度與加速度等狀態信息。

當威脅目標處于水下無線傳感器網絡探測范圍內時，會由于螺旋槳等產生窄帶低頻噪聲和寬帶高頻噪聲。但受到水下多種復雜噪聲的影響，目前基于單矢量水聽器陣列的被動探測精度低、效果差，難以得到低信噪比情況下多目標準確的方位信息，而主動探測將消耗巨大的能量。水下環境的復雜性會導致水聲通信時延大、誤碼率高，因此不同水聽器陣列之間的量測信息難以直接融合，且無法進行數據同步。為了在提高估計準確度的同時降低通訊量、減少能耗，本發明提出了一種基于水下傳感器網絡的多目標被動定位方法。算法應用于水聲傳感器網絡，通過多節點信號特征和DOA估計結果融合，提高了量測的準確性，并減少了通訊信息量，避免了虛假目標的產生。

發明內容

本發明提出了一種基于水下傳感器網絡的多目標被動定位方法。算法應用于水聲傳感器網絡，節點搭載矢量傳感器陣列，在單節點被動DOA估計的基礎上，引入信源寬帶噪聲特征提取，并將多節點提取的信源特征和DOA估計結果進行融合，提高了量測的準確性的同時，減少數據通訊量，降低了量測和通訊的能耗。

為達到上述效果，本發明的技術方案為：

一種基于水下傳感器網絡的多目標被動定位方法，該方法應用于包含多個被動監聽節點的水下傳感器網絡中，每個節點搭載矢量水聽器陣列，針對靜止目標，將多個單節點的多目標方位估計結果和量測信號特征信息提交中心節點進行多節點信息融合，得到多目標位置估計，從而對水下多目標進行實時定位。

進一步地，對單水聽器的量測信號進行傅里葉變換，提取窄帶信號并進行信源方位估計作為多目標方位估計結果；在時域上進行能量監測，根據能量比標出能量大于背景噪聲平均能量的時間幀，計算該幀內信號過零率作為特征信息，并計算該高頻寬帶噪聲的信源方位估計作為特征信號方位估計；將目標信源及方位估計結果、特征及方位估計結果傳入中心節點，在中心節點處，將目標與特征進行關聯，對信源方位估計與特征方位估計結果進行融合，得到多目標位置估計結果。

進一步地，窄帶的信號信源方位(Direction of arrival,DOA)估計采用蓋爾圓算法結合ESPRIT算法；高頻寬帶噪聲DOA估計采用ISM算法估計特征數目及方位角，融合時將目標和特征進行數據關聯，得到多目標位置估計結果。

進一步地，具體包含以下幾個步驟：