[發(fā)明專利]基于單水聽器的勻速圓弧運(yùn)動(dòng)直升機(jī)三維參數(shù)估計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210863368.5
• 申請(qǐng)日: 2022-07-20
• 公開（公告）號(hào): CN115372900A
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許明海;肖磊;聶飛燕
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 溫州理工學(xué)院
• 主分類號(hào): G01S5/18
• 分類號(hào): G01S5/18;G06F17/15
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 賈玉霞

本發(fā)明公開一種基于單水聽器的勻速圓弧運(yùn)動(dòng)直升機(jī)三維參數(shù)估計(jì)方法，針對(duì)空中勻速圓弧運(yùn)動(dòng)目標(biāo)激發(fā)的水下聲信號(hào)，采用單水聽器解決該動(dòng)目標(biāo)三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)的估計(jì)問題。首先以直升機(jī)離散線譜為聲源特征，在空氣—水介質(zhì)中建立聲源線譜特征在勻速圓弧運(yùn)動(dòng)下三維多普勒傳播模型。然后根據(jù)多普勒頻移曲線、聲源運(yùn)動(dòng)模型以及聲線傳播幾何關(guān)系，選取三個(gè)時(shí)間觀測點(diǎn)計(jì)算目標(biāo)多普勒，推導(dǎo)了單水聽器估計(jì)空中勻速圓弧運(yùn)動(dòng)聲源的三維參數(shù)估計(jì)算法。最后，通過仿真單水聽器所接收的水聲信號(hào)。采用本發(fā)明的方法估計(jì)勻速圓弧運(yùn)動(dòng)聲源飛行參數(shù)精度更高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下探空領(lǐng)域，具體涉及一種基于單水聽器的勻速圓弧運(yùn)動(dòng)直升機(jī)三維參數(shù)估計(jì)方法。

背景技術(shù)

潛艇利用自身水聲接收設(shè)備來探測空中旋轉(zhuǎn)翼發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射噪聲，以實(shí)現(xiàn)反潛直升機(jī)的識(shí)別任務(wù)。Urick^[1]用射線法分析了空氣中聲源正下方附近的水下聲場，并指出空氣中聲波以四種途徑到達(dá)水聽器：直接折射波、海底海面反射波、漸逝波以及海水散射波。這說明了在水中可以有效接收到空氣中聲源產(chǎn)生的多普勒頻移信號(hào)，這滿足了水下探空的前提條件。目前現(xiàn)有理論模型僅能估計(jì)直升機(jī)沿直線航行的飛行參數(shù)。例如在二維域方面，即空中目標(biāo)過頂直線飛行模型，已有大量文獻(xiàn)分析了空氣—水兩種介質(zhì)的聲傳播模型，并推導(dǎo)出該場景聲源運(yùn)動(dòng)參數(shù)的方法。在三維域方面，一種方法是使用單矢量水聽器和恰當(dāng)數(shù)學(xué)模型來估計(jì)目標(biāo)方位和其他飛行參數(shù)；另一種方法是采用寬孔徑水聽器陣列獲取空中目標(biāo)的方位信息，對(duì)空氣中飛行的直升機(jī)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和定位。然而，相比直升機(jī)直線航行，沿圓弧航行時(shí)直升機(jī)與聲源之間距離函數(shù)更為復(fù)雜，導(dǎo)致以上算法在估計(jì)圓弧航行的飛行參數(shù)時(shí)會(huì)失效。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)空中勻速圓弧運(yùn)動(dòng)聲源所激發(fā)的水聲信號(hào)特征，本發(fā)明采用單水聽器解決了空中快速飛行目標(biāo)狀態(tài)三維參數(shù)估計(jì)問題。本發(fā)明首先以直升機(jī)離散線譜為聲源特征，在空氣—水介質(zhì)中建立聲源線譜特征在勻速圓弧運(yùn)動(dòng)下三維多普勒傳播模型。然后根據(jù)多普勒頻移曲線、聲源運(yùn)動(dòng)模型以及聲線傳播幾何關(guān)系，選取三個(gè)時(shí)間觀測點(diǎn)計(jì)算目標(biāo)多普勒頻移值，推導(dǎo)了單水聽器估計(jì)空中勻速圓弧運(yùn)動(dòng)聲源的三維參數(shù)估計(jì)算法。最后，利用提出的瞬時(shí)頻率估計(jì)算法獲取精確地多普勒頻移曲線以及勻速圓弧場景下的水下探空算法，即可獲取聲源飛行參數(shù)。

本發(fā)明的目的通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于單水聽器的勻速圓弧運(yùn)動(dòng)直升機(jī)三維參數(shù)估計(jì)方法，包括以下過程：

步驟一：建立水聽器接收勻速圓周運(yùn)動(dòng)聲源聲波的幾何模型；

直升機(jī)聲源在水聽器節(jié)點(diǎn)上空以⊙O為圓心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，靜止的水聽器節(jié)點(diǎn)記為點(diǎn) H，位于水下深度d處；恒定頻率為f₀的直升機(jī)輻射聲源記為點(diǎn)S，它以恒定亞音速v、恒定高度飛過點(diǎn)H上方附近，其中，v＜c_a＜c_w，c_a和c_w分別是聲波在空氣和水介質(zhì)中的傳播速度；投射到靜止節(jié)點(diǎn)H所在的水平面上的動(dòng)聲源記為S′，該投影動(dòng)點(diǎn)S′形成的直線軌跡記為⊙O'；動(dòng)點(diǎn)S'和節(jié)點(diǎn)H之間距離記為ρ(t)，即點(diǎn)聲源S和節(jié)點(diǎn)H直線距離r(t)的水平投影，ρ(t)隨動(dòng)點(diǎn)S'的位置改變而變化；是水下視線角；從空氣介質(zhì)到水介質(zhì)中的折射h角分別為θ_I(t)、θ_T(t)，折射率為點(diǎn)聲源S的速度v在飛行水平面上分解為兩個(gè)相互垂直的分量，一個(gè)分量v₁(t)指向水聽器方向，其大小為

v₁(t)＝vcosα(t)

其中，α(t)為偏向角，是軌跡在當(dāng)前位置處切線與直線S'H的夾角；

v₁(t)在垂面上分解為兩個(gè)相互垂直的分量，一個(gè)分量v₁₁(t)與入射聲射線方向一致，其大小為

v₁₁(t)＝v₁(t)cosβ(t)