单水听器自由场被动测距方法

摘要

本发明提供了一种单水听器自由场被动测距方法，利用单水听器被动接收目标信号，提取目标信号中的N组离散频率分量，每组离散频率分量覆盖的频率范围相等，每组内的频率值形成等差数列，且各组的频率公差不相等；对N组离散频率分量进行距离维波束形成，针对每组离散频率分量设计加权向量并进行加权求和，达到距离维波束形成的效果，获得不同距离上的波束输出，将N组波束输出进行求和，获得最终的距离维波束形成输出，通过寻找主瓣峰值位置来被动估计目标距离。本发明能够使用单水听器在自由场进行被动测距。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测距方法。

背景技术

对水下目标进行被动测距是水声信号处理领域的热点问题之一。经典的水下被动 测距方法主要包括方位法和时差法(田坦.声纳技术(第二版).哈尔滨工程大学出版社, 2010.毛卫宁.水下被动定位方法回顾与展望.东南大学学报,2001；31(6):129-132.)。 方位法使用二个或二个以上的水听器子阵，每个水听器子阵对目标进行测角，利用各 自所测角度计算出目标所在距离。但是，方位法要求水听器子阵之间的间距较大，且 测距误差也较大。时差法的基本原理即三元定位法，使用三个水听器或三个水听器子 阵采集目标辐射信号，通过估计水听器或子阵之间的两两时延差来被动估计目标距离 (田坦.声纳技术(第二版).哈尔滨工程大学出版社,2010.)。为了获得较高的测距精 度，时差法要求水听器或子阵之间的间距足够大，这容易受到水下平台有限表面空间 的限制而难以布阵。即便可以进行大间距布阵，也面临着声场相关性变差而导致精确 时延估计难以实现的问题。

此外，在波导环境中，单水听器可以结合水下声场传播特性进行被动测距(毛卫 宁.水下被动定位方法回顾与展望.东南大学学报,2001；31(6):129-132.李焜,方世良, 安良.非合作水声脉冲信号的单水听器匹配场定位研究.电子与信息学报,2012； 34(11):2541-2547.李焜,方世良,安良.基于频散特征的单水听器模式特征提取及距 离深度估计研究.物理学报,2013；62(9):094303-1-094303-10.)。然而，这些方法仅能 够在水下波导环境中使用，并且需要结合波导环境下声场的特殊结构，在自由场环境 中几乎不可用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种单水听器在自由场中进行被动测距的 方法，利用目标信号中的不同离散频率分量具有不同相移这一特点，沿着距离为进行 波束形成，通过搜索距离维波束形成的主瓣峰值位置来被动估计目标距离。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)以单个水听器为坐标原点，使用该水听器采集目标信号，从采集的目标信号中 提取N组离散频率分量，第n组离散频率分量$X_n=\left(\begin{array}{c}{x}_1^n\\ x_2^n\\ .\\ .\\ .\\ x_{L_n}^n\end{array}\right)$共包含L_n个分量，其中，代 表第n组中第l_n个离散频率分量；

N组离散频率分量覆盖的频段范围均相同，其组内L_n个分量上对应的频率值形成 等差数列，L_n个频率值表示为L_n×1维列向量f_n，$f_n=\left(\begin{array}{c}{f}_1^n\\ f_2^n\\ .\\ .\\ .\\ f_{L_n}^n\end{array}\right),$对应的频率公差为Δf_n， $f_2^n-{f_1}^n=...=f_L^n-f_{L-1}^n={\mathrm{\Delta f}}_n,$各组的频率公差不相等，即Δf_n≠Δf_m，m＝1,2,…,N，m≠n；

2)对N组离散频率分量进行处理，获得距离维波束形成输出，包括以下内容：

首先，利用离散频率分量X_n来构建协方差矩阵R_n，

其次，针对第n组离散频率分量，构建距离维扫描向量其 中，r为变化的距离值；设计L_n×1维的加权向量w_n(r)＝A_n⊙a_n(r)，其中，A_n为幅 度加权向量，⊙为Hadamard积；

然后，采用距离维加权向量w_n(r)沿着距离维进行扫描，得到距离维波束形成输 出，其中，第n组离散频率分量所获得的距离维波束形成输出

最后，将N组距离维波束形成输出进行叠加，获得最终的距离维波束形成输出 $b\left(r\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{b}_n\left(r\right).$

本发明的有益效果是：利用单水听器采集目标信号，提取信号中的多组离散频率 分量，通过对多组离散频率分量进行距离维波束形成和进一步的波束输出结果叠加处 理，获得最终的距离维波束形成并通过搜索峰值获得测距结果。本发明突破了传统方 法中单水听器在自由场无法进行被动测距的难题，为被动测距提供了新的思路。

本发明的基本原理经过了理论推导，实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其 结果表明本发明提出的方法可以利用单水听器在自由场环境中进行被动测距。

附图说明

图1是单水听器自由场被动测距的坐标系统示意图，其中空心圆代表单水听器；

图2是本发明中所涉及步骤的主要流程图；

图3是处理第n组离散频率分量，获得对应的距离维波束形成输出的流程图；

图4是实施实例的输出结果示意图，其中，(a)是处理第1组离散频率分量所获 得的距离维波束形成输出结果示意图；(b)是处理第10组离散频率分量所获得的距离 维波束形成输出结果示意图；

图5是实施实例中最终的距离维波束形成输出结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的主要内容有：

1.利用单水听器采集目标信号，提取目标信号中的N组离散频率分量，每组离散 频率分量上的频率值形成等差数列，且各组的频率公差不相等。

2.对N组离散频率分量进行距离维波束形成，获得N组距离维波束形成输出。将 N组距离维波束形成输出进行求和，获得最终的距离维波束形成输出，通过寻找主瓣 峰值位置来被动估计目标距离。

3.通过计算机仿真，给出了本发明所提方法的被动测距结果，通过被动测距结果 检验了本发明中所提的单水听器自由场被动测距方法的有效性。

本发明解决现存问题所采用的技术方案可分为以下2个步骤：

1)利用单水听器被动接收目标信号，提取目标信号中的N组离散频率分量。每组 离散频率分量覆盖的频率范围相等，每组内的频率值形成等差数列。第n(n＝1,2,…,N) 组离散频率分量的频率公差设为Δf_n，且各组的频率公差不相等。

2)对N组离散频率分量进行距离维波束形成。以第n组离散频率分量为例，针对 其中离散频率分量设计加权向量并进行加权求和，达到距离维波束形成的效果，获得 不同距离上的波束输出。N组离散频率分量总共获得N组波束输出。将N组波束输出进 行求和，获得最终的距离维波束形成输出，通过寻找主瓣峰值位置来被动估计目标距 离。

步骤1)所涉及的具体内容如下：

设单个水听器位于坐标原点，其坐标示意图如图1所示。使用该水听器采集目标 信号，从采集的目标信号中提取N组离散频率分量。设第n(n＝1,2,…,N)组中有L_n个离散频率分量，可以表示为：

$X_n=\left(\begin{array}{c}{x}_1^n\\ x_2^n\\ .\\ .\\ .\\ x_{L_n}^n\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，X_n代表第n(n＝1,2,…,N)组离散频率分量，共包含L_n个分量，代表第n 组中第l_n(l_n＝1,2,…L_n)个离散频率分量。

N组离散频率分量覆盖的频段范围均相同，其组内L_n个分量上对应的频率值形成 等差数列。以第n组为例，其中L_n个频率值可表示为L_n×1维列向量f_n：

$f_n=\left(\begin{array}{c}{f}_1^n\\ f_2^n\\ .\\ .\\ .\\ f_{L_n}^n\end{array}\right)---\left(2\right)$

对应的频率公差为Δf_n，即满足：

$f_2^n-{f_1}^n=...=f_L^n-f_{L-1}^n={\mathrm{\Delta f}}_n---\left(3\right)$

此外，各组的频率公差不相等，即满足：

Δf_n≠Δf_m(4)

其中，m＝1,2,…,N，且满足m≠n。

步骤2)所涉及的具体内容如下：

对N组离散频率分量进行处理，获得距离维波束形成输出。以第n组离散频率分 量为例，给出处理过程。

首先，利用式(1)所提取出的离散频率分量X_n来构建协方差矩阵R_n，即：

$R_n=X_n{X}_n^H---\left(5\right)$

其次，针对第n组离散频率分量，构建距离维扫描向量a_n(r)：

$a\left(r\right)=\exp (-j2{\mathrm{\pi f}}_n\frac{r}{c})---\left(6\right)$

其中，r为变化的距离值。根据式(6)，设计L_n×1维的加权向量w_n(r)，即：

w_n(r)＝A_n⊙a_n(r)(7)

其中，A_n为幅度加权向量，⊙为Hadamard积。

然后，采用距离维加权向量w_n(r)沿着距离维进行扫描，得到距离维波束形成输 出：

$b_n\left(r\right)=w_n^H\left(r\right)R_n{w}_n\left(r\right)---\left(8\right)$

其中，b_n(r)代表处理第n组离散频率分量所获得的距离维波束形成输出。

最后，将N组距离维波束形成输出进行叠加，获得最终的距离维波束形成输出 b(r)，即：

$b\left(r\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{b}_n\left(r\right)---\left(9\right)$

本发明中被动测距的主要流程如图2所示，处理第n组离散频率分量获得距离维 波束形成输出的流程如图3所示。

以典型的水下被动测距为例，给出本发明的实施实例。实施实例利用计算机进行 数值仿真，来检验本发明所提方法的效果。

水下目标信号为声波，其在水下传播速度为1500米/秒。单水听器位于坐标原点， 目标距离坐标原点650米。

目标信号覆盖的频段为190Hz到810Hz(假设在该频段内个频点上的幅值保持 一致)。共提取61组离散频率分量，第n组(实施实例中n＝1,2,…,61)的频率公差可 表示为Δf＝20+(n-1)×3Hz。即：第1组提取的离散频率分量的频率值为190Hz:20 Hz:810Hz；第2组提取的离散频率分量的频率值为190Hz:23Hz:810Hz；…；第 61组提取的离散频率分量的频率值为190Hz:200Hz:810Hz。

接收端采样频率设为5kHz，功率信噪比设为20dB，所加噪声为高斯白噪声，采 用频带级定义噪声级。根据图2和图3的流程对61组离散频率分量进行处理。处理第 1组离散频率分量和第10组离散频率分量所获的距离维波束形成输出结果如图4所 示。最终的距离维波束形成输出结果如图5所示。

由图4(a)和图4(b)可知，处理一组离散频率分量时，其距离维波束形成输出 结果存在栅瓣干扰，即在其它距离上形成多个假目标，从而影响对目标的测距效果。 由图5可知，将61组距离维波束形成输出结果叠加后，所获得的最终的距离维波束形 成输出结果仅在目标处(即650米处)形成主瓣响应，符合目标位于650米处的事实。 根据实施实例，可以认为本发明中所提出的单水听器自由场被动测距方法是可行的。