[發明專利]一種低信噪比下新型匹配場被動定位方法

有效

• 申請號: 202110337727.9
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113064147B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發明（設計）人: 曹然;郭龍祥;張亮;生雪莉;韓笑
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01S7/539
• 分類號: G01S7/539
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種低信噪比下新型匹配場被動定位方法，本發明具體實現步驟如下：(1)選擇距離和深度網格，通過聲場模型計算拷貝場向量，進而計算拷貝場矩陣；(2)時頻分析接收數據獲得聲源頻率，并計算對應頻率的協方差矩陣；(3)基于黎曼流形中的測地線距離，構造出兩種黎曼匹配場處理器(4)分析不同信噪比下協方差矩陣的跡，改進黎曼匹配場處理器；本發明優點在于：(1)提高了黎曼匹配場處理器在低信噪比環境下的性能；(2)小孔徑陣列條件下，算法可以有效降低旁瓣級，提高主瓣分辨率；(3)陣元間距大于半波長條件下，算法可以有效降低旁瓣級，提高主瓣分辨率。

技術領域

本發明涉及一種水下聲納陣列信號處理算法，具體實施涉及一種低信噪比環境下的新型匹配場被動定位方法，可應用于無人平臺的小孔徑拖線陣或分布式短陣的聯合定位，屬于水聲陣列信號處理領域。

背景技術

常規匹配場定位方法了利用聲場的全部信息，需要充分地采樣聲場才能在模糊平面上獲得尖銳的峰值(代表聲源位置)。這需要使用與海深可比擬的大孔徑陣列，這種陣列的工程實現較為困難，耗資巨大且易于暴露。由于小孔徑陣列用常規匹配場算法時，存在模糊度較高的問題，很難利用小孔徑陣列直接估計出聲源位置。如何用更少的陣元在低信噪比環境下，實現對目標的被動定位，是需要解決的技術問題。

常規匹配場處理中的Bartlett處理器，原理為功率譜密度矩陣與拷貝場向量矩陣分別變換為列向量之間的直線距離線性相關。從數學關系上來看，Bartlett處理器在數學上是來測量功率譜密度矩陣與拷貝場向量矩陣的相似性。考慮到功率譜密度矩陣具有兩個特點，一是埃爾米特共軛性和半正定性，可以根據非歐幾里得幾何的度量(如黎曼度量)測量兩個矩陣的相似性。分析低信噪比條件下協方差矩陣跡的變化，構造出改進的黎曼匹配場處理器。

發明內容

針對上述現有技術，本發明要解決的技術問題是提供一種能夠在低信噪比和小孔徑陣列的條件下實現對聲源被動定位的低信噪比下新型匹配場被動定位方法。

為解決上述技術問題，本發明的一種低信噪比下新型匹配場被動定位方法，包括以下步驟：

步驟1：根據陣列實測數據，通過時頻分析獲得聲源信號的頻率信息，計算對應頻點的協方差矩陣；

步驟2：根據陣列各個陣元布放深度，建立相應的拷貝場距離和深度網格，根據頻率和海深選擇聲場模型，計算拷貝場向量和相應的拷貝場向量矩陣；

步驟3：根據黎曼幾何中測地線理論，選擇黎曼距離用以度量協方差矩陣和拷貝場向量矩陣之間的相似性，進而構造出黎曼匹配場處理器；

步驟4：根據不同信噪比對協方差矩陣的影響，優化改進黎曼匹配場處理器，得到改進后的黎曼匹配場處理器；

步驟5：對所有距離和深度網格進行遍歷，尋找功率最小的網格位置，即矩陣間距離最短位置，該網格位置即為被動聲源的定位位置。

本發明還包括：

1.步驟3中黎曼匹配場處理器輸出功率滿足：

其中，r_i為第i個拷貝場距離和深度網格，i＝1～M，M為全部網格個數，W和K分別為范數歸一化后的拷貝場向量矩陣和協方差矩陣。

2.步驟4中改進后的黎曼匹配場處理器輸出功率滿足：

其中，W和K分別為范數歸一化后的拷貝場向量矩陣和協方差矩陣。