[發明專利]一種近場分布式聲源定位方法

有效

• 申請號: 202010219545.7
• 申請日: 2020-03-25
• 公開（公告）號: CN111323784B
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發明（設計）人: 李秀坤;王集;于歌;鄒怡飛
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01S15/06
• 分類號: G01S15/06;G01S7/539
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種近場分布式聲源定位方法，解決近場情況下分布式聲源的定位問題。本發明提出，在近場情況下利用亮點模型，將分布式聲源看作一系列空間中分布散射聲源的線性疊加。在發射信號為線性調頻信號的條件下，本發明利用鏡反射回波和棱角反射回波在分數階傅里葉變換域中峰值處幅度不同，但相位表達式一致的特點，設計了一種空間譜估計器，使得該估計器能夠以相同的空間譜估計器得到不同類型幾何亮點的位置。

技術領域

本發明涉及一種近場分布式聲源定位方法，屬于水下目標聲散射信號處理領域。

背景技術

水下目標聲散射問題是主動聲吶系統進行目標探測與識別的重要技術基礎。幾乎目標的每一部分都參與了散射聲場的形成，因而在實際水聲環境中任何具有一定體積的目標都可以看作一個分布式散射源，所有的散射源都為水聽器接收到的聲場產生了貢獻。這給聲場計算和工程處理上帶來了困難，尤其是不規則形狀的目標。因此，對于水下目標的定位和定向問題往往需要依賴合理的聲場模型。

目前，簡單形狀目標的聲散射問題的理論研究已經完成。對于球、無限長圓柱和有限長圓柱等簡單目標，理論計算已經能夠對實際環境中的散射場進行精確的預報。但是，對于圓柱球殼等復雜形狀的目標，往往難以得到解析解，只能通過數值解和實驗對其進行建模。

對于水下復雜形狀散射源的聲場建模，有限元方法是一種行之有效的方法。有限元方法能夠計算復雜形狀的聲散射場，但是，眾所周知，有限元方法需要巨大的計算量，這就降低了有限元方法的工程實用性。

水下目標的亮點模型是一種簡化的散射模型。在高頻近似情況下，利用該模型可以輕易地將目標回波與目標形狀、材料等信息通過一系列參數聯系起來。該模型將復雜形狀目標看作多個簡單形狀目標的組合，簡單形狀目標產生的回波共同組成了接收處的回波信號。這給復雜形狀目標的聲散射回波的分析和處理帶來了較大的便利，具有較高的實用性。利用亮點模型，已經有眾多文章對復雜形狀目標進行了分析，并從實驗的角度驗證了該近似模型的可行性。

在亮點模型假設下，共振隔離技術是研究散射回波的一種常用方法。該方法發射極短時間寬度的脈沖，激勵目標產生回波。由于脈沖具有極短的時間長度，所以回波中各種類型的回波在時間域上是分離的，可以簡單地通過時間上的截斷操作得到各個回波并進行分析。但是，(i)極短的脈沖對電路系統、發射和接收換能器提出了較高的要求；(ii)由于信號能量弱，所以該方法往往只能用于實驗室中的理論研究。

除了共振隔離技術，信號處理技術也被應用到了聲散射信號處理中。傳統的基于時間序列和功率譜的信號分析簡單而有效。利用聲散射信號在不同變換域中的特性，多種變換也在發揮著重要作用。時頻分析方法能夠同時分析信號的時間和頻率信息，所以當激勵信號線性調頻信號時，即使信號在時域和頻域產生了混疊，也能夠對接收信號進行分析，因而受到了廣泛的關注。

分數階傅里葉變換是一種時頻分析方法，而且是一種可逆變換。分數階傅里葉變換特別適合處理線性調頻信號，頻域具有時間寬度和頻帶寬度的LFM信號，在FrFT中能量被集中到了一個峰值處。通過峰值搜索，即可以計算LFM的調頻斜率、中心頻率等信息。此外，由于FrFT為線性變換，而且是可逆變換，所以在傅里葉域中難以區分的LFM信號，可以變換到FrFT中進行降噪、分離等操作，然后利用反變換即可得到輸出信號。鑒于此特征，FrFT已經被廣泛用于聲吶、雷達、無線通信和圖像處理等領域。