[發(fā)明專利]基于稀疏建模的水聲多徑信號到達時間差的估計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010816503.1
• 申請日: 2020-08-14
• 公開（公告）號: CN111948608B
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張貞凱;江峰;林云航
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué)
• 主分類號: G01S5/22
• 分類號: G01S5/22
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明公開了一種基于稀疏建模的水聲多徑信號到達時間差的估計方法，包括如下步驟：(1)水下目標(biāo)通過發(fā)送聲波信號傳遞至參考傳感器和其他傳感器，其中傳感器接收的聲波信號中含有海面反射和曲線傳播等的非視距時延信息；(2)對參考傳感器接收的信號進行時間反轉(zhuǎn)處理，將時間反轉(zhuǎn)后的信號與其余傳感器接收的信號分別做卷積運算，再對卷積后的所有信號做離散傅里葉變換；(3)采樣時間對稱擴展到負(fù)半軸并將其細(xì)化，使得零時刻到最大采樣時間這段時間區(qū)間擴展到負(fù)半軸。利用細(xì)化的采樣時間對所得信號進行稀疏重構(gòu)，并用正交匹配追蹤方法提取出稀疏信號的所有時間差參數(shù)，提取的時間差參數(shù)應(yīng)用于TDOA定位。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水下聲源定位領(lǐng)域，特別涉及一種基于稀疏建模的水聲多徑信號到達時間差的估計方法。

背景技術(shù)

水下聲源定位是水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，是自主式水下潛航器和無人潛航器等在水下長時間作業(yè)的保障。

在復(fù)雜的海洋環(huán)境下，水聲信號通常伴隨著嚴(yán)重的噪聲干擾和多徑效應(yīng)，對水下聲源定位造成了很大困難。到達時間差定位具有高復(fù)雜度和低定位要求等優(yōu)勢，從而成為水下聲源定位的主要方法。從水聲信號中提取出到達時間差參數(shù)成為了定位的首要問題，最常用的到達時間差估計方法是互模糊函數(shù)。互模糊函數(shù)能快速求解信號的到達時間差參數(shù)，但在高噪聲情況下精度會下降很多。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種基于稀疏建模的水聲多徑信號到達時間差的估計方法，用于解決上述問題。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種基于稀疏建模的水聲多徑信號到達時間差的估計方法，包括以下步驟：

(1)水下目標(biāo)通過發(fā)送聲波信號傳遞至參考傳感器和其他傳感器；

(2)對參考傳感器接收的信號進行時間反轉(zhuǎn)處理，將時間反轉(zhuǎn)后的信號與其余傳感器接收的信號分別做卷積運算，再對卷積后的所有信號做離散傅里葉變換；

(3)采樣時間先對稱擴展到負(fù)半軸然后進行細(xì)化處理，利用細(xì)化的采樣時間對所得信號進行稀疏重構(gòu)，并用正交匹配追蹤方法提取出稀疏信號的所有時間差參數(shù)，提取的時間差參數(shù)應(yīng)用于TDOA定位。

進一步的，步驟(1)中，所述傳感器接收信號如下

當(dāng)水下目標(biāo)發(fā)射的載波為s(t)時，傳感器i(i＝1,2,…,N)接收的水聲信號如下

式中β_i,k為第k條徑的增益，τ_i,k為第k條徑的時延，K為多徑數(shù)，w_i(t)是噪聲函數(shù)；

傳感器的個數(shù)為N+1，傳感器0是參考傳感器，參考傳感器接收的聲波信號表示為

式中β_0,d是第d條徑的增益，τ_0,d為第d條徑的時延，D為多徑數(shù)，w₀(t)是噪聲函數(shù)。

進一步的，步驟(2)中，對水聲信號的時間反轉(zhuǎn)如下

對y₀進行時間反轉(zhuǎn)處理得到

式中*代表卷積操作，δ(t)為單位沖激函數(shù)，

對聲波信號y_i和y′₀做卷積運算得到

式中w(t)是噪聲函數(shù)，對方程(4)做離散傅里葉變換得到