[發(fā)明專利]一種基于互質(zhì)陣的匹配場被動定位方法

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• 申請日: 2021-10-09
• 公開（公告）號: CN113866718A
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊益新;黎佳藝;周建波;汪勇;姚琦海
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01S5/20
• 分類號: G01S5/20
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 金鳳

本發(fā)明公開了一種基于互質(zhì)陣的匹配場被動定位方法，本發(fā)明首先利用實(shí)測聲速剖面，采用簡正波模型模擬該海洋環(huán)境下聲源信號到達(dá)互質(zhì)陣的頻域復(fù)聲壓作為陣列接收數(shù)據(jù)。對聲源可能存在的海域劃分深度距離網(wǎng)格，利用已知的環(huán)境參數(shù)、陣列參數(shù)結(jié)合簡正波模型生成處聲源位于不同位置處的拷貝向量。對陣列接收數(shù)據(jù)和拷貝向量進(jìn)行陣列擴(kuò)展處理后將二者匹配，得到表征二者相關(guān)程度的模糊函數(shù)，獲取模糊函數(shù)矩陣的最大值點(diǎn)即為估計(jì)出的聲源位置。本發(fā)明將子陣間距壓縮互質(zhì)陣應(yīng)用于匹配場處理中，擴(kuò)大了稀疏陣技術(shù)的適用面，有效的改善了上述匹配場處理由于模糊函數(shù)旁瓣較高導(dǎo)致的定位模糊，提升了傳統(tǒng)均勻線列陣在噪聲干擾下定位的有效性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航海技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種匹配場被動定位方法。

背景技術(shù)

匹配場處理為水聲物理與陣列信號處理交叉的一個熱門領(lǐng)域，它充分利用了海洋信道信息對陣列接收信號進(jìn)行處理分析。匹配場技術(shù)首先被Bucker于1976年提出并引入模糊表面這一重要概念，F(xiàn)izell等在匹配場定位的基礎(chǔ)上，結(jié)合了高分辨率波束形成方法，完成了匹配場被動定位實(shí)驗(yàn)。自此，國內(nèi)外學(xué)者開始使用匹配場處理進(jìn)行聲源定位、目標(biāo)跟蹤、海洋參數(shù)反演等。文獻(xiàn)“匹配場處理——水聲物理學(xué)與信號處理的結(jié)合，電子科技導(dǎo)報(bào),1996(04):9-12.”指出匹配場處理通常存在由于模糊函數(shù)旁瓣較高導(dǎo)致定位模糊的問題，影響著定位的穩(wěn)定性。匹配場定位還容易受到環(huán)境噪聲的影響，導(dǎo)致定位結(jié)果誤差很大而失效。

近些年來，稀疏陣技術(shù)逐步發(fā)展成熟，在空間譜估計(jì)中應(yīng)用廣泛，它突破了傳統(tǒng)陣列陣元間距半波長的限制，獲得更高的定位精度和分辨率。目前最常見的稀疏陣列結(jié)構(gòu)一類是嵌套陣，另一類是互質(zhì)陣。相比于均勻線陣，稀疏陣具有以下優(yōu)勢：1)陣元數(shù)相同時，稀疏陣對應(yīng)的虛擬陣擁有更大的陣列孔徑，更多的自由度，在測向精度、分辨率等方面具有更好的性能。2)陣元間距的擴(kuò)大，使得互耦效應(yīng)大大降低，提高了測向性能。在隨后的眾多學(xué)者的研究中，一些新的互質(zhì)陣結(jié)構(gòu)被提出。在文獻(xiàn)“基于互質(zhì)陣的波達(dá)方向估計(jì)研究，信號處理在地球物理——浙江省信號處理學(xué)會2018年學(xué)術(shù)年會論文集，2018,12-16.”中，一種子陣間距壓縮的互質(zhì)陣被提出，通過壓縮其中一個子陣的陣元間距來增大連續(xù)虛擬陣元數(shù)，它的分辨能力相比較于傳統(tǒng)互質(zhì)陣會更強(qiáng)。目前對稀疏陣的研究較為豐富，但大部分應(yīng)用于雷達(dá)、通信等方面，與水聲信號處理結(jié)合的較少。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于互質(zhì)陣的匹配場被動定位方法，本發(fā)明首先利用實(shí)測聲速剖面，采用簡正波模型模擬該海洋環(huán)境下聲源信號到達(dá)互質(zhì)陣的頻域復(fù)聲壓作為陣列接收數(shù)據(jù)。對聲源可能存在的海域劃分深度距離網(wǎng)格，利用已知的環(huán)境參數(shù)、陣列參數(shù)結(jié)合簡正波模型生成處聲源位于不同位置處的拷貝向量。對陣列接收數(shù)據(jù)和拷貝向量進(jìn)行陣列擴(kuò)展處理后將二者匹配，得到表征二者相關(guān)程度的模糊函數(shù)，獲取模糊函數(shù)矩陣的最大值點(diǎn)即為估計(jì)出的聲源位置。本發(fā)明將子陣間距壓縮互質(zhì)陣應(yīng)用于匹配場處理中，擴(kuò)大了稀疏陣技術(shù)的適用面，有效的改善了上述匹配場處理由于模糊函數(shù)旁瓣較高導(dǎo)致的定位模糊，提升了傳統(tǒng)均勻線列陣在噪聲干擾下定位的有效性。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括如下步驟：

步驟1：使用子陣間距壓縮的互質(zhì)陣結(jié)構(gòu)作為水聽器接收陣列；

取兩個互為質(zhì)數(shù)的數(shù)M、N，設(shè)單位陣元間距為d＝λ/2，λ為信號的波長；設(shè)第一個子陣的陣元間距為Md，陣元個數(shù)為N；第二個子陣的陣元間距為Nd，陣元個數(shù)為M；采用壓縮因子p將第二個子陣的陣元間距壓縮至將兩個子陣組合即為互質(zhì)陣結(jié)構(gòu)的水聽器陣列；

步驟2：水聽器陣列接收數(shù)據(jù)表示為：

x(t)＝AS(t)+n(t) (1)

其中，x(t)是水聽器陣列接收到的聲壓，A表示聲源在水聽器陣列不同陣元上的導(dǎo)向矢量，S(t)是聲源信號，n(t)表示水聽器上的加性噪聲；

采用式(2)得到水聽器陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣：