基于蝙蝠双耳定位模型的水下目标方位估计方法

摘要

本发明提供了一种基于蝙蝠双耳定位模型的水下目标方位估计方法，根据发射信号的频段，计算出适用于处理双曲调频信号的双耳定位模型参数，并结合回波信号中干涉峰谷值点的理论位置来确定外耳谷值频率区间和水声换能器的频率响应，最后根据模型所估计出的外耳谷值频率来计算目标的方位。本发明提升了双耳定位模型的方位分辨力，使得主动声呐能够在双阵元的情况下达到良好的方位分辨力，且性能远远优于常规波束形成法。

说明书

技术领域

本发明属于水下目标探测技术领域，具体涉及在平台条件受限的情况下应用蝙蝠双耳定位模型提升水下目标方位分辨力的方法。

背景技术

对于主动声呐来说，往往需要很高的方位分辨力来精确探测目标。传统方法经常借助水声换能器阵列，并通过波束形成来获取空间增益、估计目标方位。但换能器阵列一般是以半波长为间距布置的，若要获得高的方位估计精度，则需增加阵元个数或增大发射声波的频率。然而由于平台尺寸的限定，所能布置阵元的个数往往不能满足要求，且增大声波的频率会增大传播衰减，缩短探测距离。

蝙蝠可以利用自身的精简“阵列”(双耳)及特有的神经信号处理方法估计猎物的方位，且能达到良好的方位分辨力，这一特性为主动声呐在平台条件受限的情况下提升方位分辨力提供了可能性。对此，日本东北大学的Ikuo Matsuo于2002年提出了蝙蝠在三维空间中利用双耳进行多目标定位的模型，本发明中称该模型为双耳定位模型。双耳定位模型模拟了蝙蝠的信号处理方法，提升了精简阵列下目标的方位分辨力，但蝙蝠的发声信号以双曲调频信号为主，而模型是以大带宽线性调频信号为基准建立的，这导致该模型不适用于处理双曲调频信号，无法利用双曲调频信号的非线性特性进一步提升方位分辨力。此外，大带宽信号对水声换能器的制作也提出了巨大的挑战。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于蝙蝠双耳定位模型的水下目标方位估计方法，根据主动声呐的工作频段及双曲调频信号的非线性特点对双耳定位模型进行改进，提升了双耳定位模型的方位分辨力，并利用改进的双耳定位模型提升主动声呐的方位分辨力，使得主动声呐能够在双阵元的情况下达到良好的方位分辨力，且性能远远优于常规波束形成法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：根据发射信号的频段，计算出适用于处理双曲调频信号的双耳定位模型参数，并结合回波信号中干涉峰谷值点的理论位置来确定外耳谷值频率区间和水声换能器的频率响应，最后根据模型所估计出的外耳谷值频率来计算目标的方位，具体包括以下步骤：

1)根据声呐系统所要求的发射信号频段，计算发射信号的双曲调频参数K＝Tf_maxf_min/B，T为发射信号持续时间，f_max、f_min为发射信号的频率最大值和最小值，B为发射信号带宽；

2)根据处理频段设置改进的双耳定位模型的通道数目，平均每1KHz设置一个通道，并将通道中心频率设置为双曲变化；根据各通道中心频率f_i(t)计算各通道间的中心时间差δp＝1/f_i+1(t)-1/f_i(t)，f_i+1为相邻通道的中心频率；结合δp求解提升外耳谷值频率区间频率分辨力的频率要求，式中p_i为各通道的中心时间；

根据频段内干涉峰值点理论位置和谷值点理论位置结合频率要求确定外耳谷值频率区间的频率最大值，保证每个回波时延差至少对应外耳谷值频率区间外的一个峰值点或者谷值点；式中，m、n为正整数，Δτ为回波间的时延差；

根据方位估计范围和外耳传输函数计算外耳谷值频率区间的频率跨度，并结合频率最大值计算外耳谷值频率区间；EEDNF_L、EEDNF_R分别为左耳、右耳的外耳谷值频率，A为方位角，E为俯仰角，F为频率常数，等于外耳谷值频率区间的中心频率；

设置改进的双耳定位模型的带通滤波器组的阶数、低通滤波器组阶数及截止频率，使得带通滤波器输出波形平滑、无极值点；带通滤波器组阶数不超过8阶，低通滤波器组阶数不超过2阶，低通滤波器组截止频率不超过3KHz；

设置滤波器组中各带通滤波器的中心时间带宽为各通道中心时间差δp的4到5倍；

3)仿真确定滤波器组积分时间变化范围，取各通道积分时间的平均值作为积分时间；

4)计算改进的双耳定位模型在通道融合时使用的参数PSR＝δp×K，通道间的融合初始模式通道间的融合偏移模式式中，p_n为各通道的中心时间，PD为相邻通道间的中心时间，B_on、B_off分别为各通道的初始模式和偏移模式；

5)根据双曲调频信号参数设置全通基向量W_all(p_n,d)及选通基向量W_sel(p_n,d)，

式中A(p_n)为通道选择函数，N为通道数目；

6)利用改进的双耳定位模型处理回波信号，获得左右耳估计出的目标回波的外耳谷值频率，并计算出目标方位角的估计值A＝EEDNF_L-EEDNF_R和俯仰角的估计值

本发明的有益效果是：

第一，本发明改进了现有的双耳定位模型，充分利用了双曲调频信号的非线性特性，在通道密度不变的情况下增加了模型外耳谷值频率区间内的通道数，提升了双耳定位模型的方位分辨力；

第二，本发明应用改进的双耳定位模型估计目标方位，大大提升了精简阵列下主动声呐的方位分辨力；

第三，本发明对主动声呐发射信号的带宽要求不高，降低了水声换能器的研制成本；

第四，本发明采用改进的双耳定位模型估计目标参数，只需要两个阵元，且工作在低频段，因此大大降低了阵列复杂度。

附图说明

图1是本发明的双耳定位模型结构图和子模块结构图，其中，(a)是双耳定位模型结构图，(b)是耳蜗单元结构图，(c)是谱相关单元结构图，(d)是谱变换单元结构图。

图2是本发明的20KHz～60KHz频段内峰谷值点位置图。

图3是本发明的20KHz～60KHz频段内各通道积分时间示意图。

图4是环境中存在两个目标时本发明外耳谷值频率估计值曲线。

图5是双阵元下标准线列阵的波束图。

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。

本发明的实现步骤如下：

1)根据声呐系统所要求的发射信号频段，计算发射信号的双曲调频参数K的值，运算公式如下：

K＝Tf_maxf_min/B(1)

式中T为信号持续时间，f_max，f_min为发射信号的频率最大值和最小值，B为信号带宽。改进的双耳定位模型的处理频段与发射信号频段一致。

2)改进模型的基本参数：

2.1)根据处理频段设置改进的双耳定位模型的通道数目，通常情况下，平均每1KHz设置一个通道，并将通道中心频率设置为双曲变化。通道数目确定后，根据各通道中心频率f_i(t)计算各通道间的中心时间差δp＝1/f_i+1(t)-1/f_i(t)，f_i+1为相邻通道的中心频率；随后结合δp求解提升外耳谷值频率区间频率分辨力的频率要求，运算公式如下：

式中p_i为各通道的中心时间。

2.2)根据频段内干涉峰谷值点的理论位置，计算外耳谷值频率区间的频率最大值，需保证每个回波时延差至少对应外耳谷值频率区间外的一个峰值点或者谷值点；频段内干涉峰值点理论位置f_p、谷值点理论位置f_n可表示为

式中，m、n为正整数，Δτ为回波间的时延差。结合式(2)中求解出的频率范围要求，可确定外耳谷值频率区间的频率最大值。

2.3)根据方位估计范围和外耳传输函数计算外耳谷值频率区间的频率跨度，并结合2.2)中计算出的频率最大值计算外耳谷值频率区间，外耳传输函数可表示为

式中EEDNF_L、EEDNF_R分别为左耳、右耳的外耳谷值频率，A为方位角，E为俯仰角，F为频率常数，一般等于外耳谷值频率区间的中心频率。

2.4)设置改进的双耳定位模型的带通滤波器组的阶数、低通滤波器组阶数及截止频率，使得带通滤波器输出波形平滑、无极值点；一般来说，带通滤波器组阶数不超过8阶，低通滤波器组阶数不超过2阶，低通滤波器组截止频率不超过3KHz。

2.5)设置滤波器组中各带通滤波器的中心时间“带宽”，一般为各通道中心时间差δp的4到5倍。

3)模型基本参数改进后，通过计算机仿真确定滤波器组积分时间变化范围，取各通道积分时间的平均值作为积分时间。

4)结合参数K及δp，计算改进的双耳定位模型在通道融合时使用的参数PSR＝δp×K，通道融合可表示为

式中，p_n为各通道的中心时间，PD为相邻通道间的中心时间，B_on、B_off分别为各通道的初始模式和偏移模式；INT_on、INT_off分别为通道间的融合初始模式和融合偏移模式。

5)根据双曲调频信号参数设置全通基向量W_all(p_n,d)及选通基向量W_sel(p_n,d)，运算公式如下：

式中A(p_n)为通道选择函数，N为通道数目。

6)利用改进的双耳定位模型处理回波信号，获得左右耳估计出的目标回波的外耳谷值频率，并计算出目标方位角和俯仰角的估计值，运算公式如下：

为了提升主动声呐平台在低频段(频率小于60KHz)、低带宽信号(带宽小于50KHz)、精简阵列下的方位分辨力，本发明结合主动声呐特点对蝙蝠双耳定位模型进行改进，并应用改进的双耳定位模型估计目标方位，有效提升了主动声呐在平台条件受限时的方位分辨力。该方法的实施主要通过改进双耳定位模型来实现，双耳定位模型的结构图及子模块结构图如图1所示。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

1)某主动声呐系统要求的发射信号频段为20KHz～60KHz，信号持续时间T＝2ms；计算可得双曲调频参数K＝60；改进的双耳定位模型的处理频段与发射信号频段一致，为20KHz～60KHz。

2)改进模型的基本参数：

2.1)改进的双耳定位模型处理频段为20KHz～60KHz，平均每1KHz设置一个通道，共41个通道，将通道中心频率设置为双曲变化，根据通道中心频率计算各通道间的中心时间差δp≈0.83μs，结合δp求解提升外耳谷值频率区间频率分辨力的频率范围要求可得p_i＞28.5μs，对应到中心频率有f_i＜35KHz。

2.2)20KHz～60KHz频段内干涉峰谷值点的理论位置如图2所示，从图中可以看出，为保证20KHz到60KHz内每个时延差上都存在至少一个峰值点或谷值点，外耳谷值频率需小于29KHz。结合2.1)中的频率要求，可知外耳谷值频率的最大值为29KHz。

2.3)考虑方位估计范围为方位角[-6°6°]、俯仰角[0°10°]，带入到式(4)中可得外耳谷值频率的变化范围为[-5KHz 3KHz]，频率变化跨度为8KHz，故设置外耳谷值频率区间为[21KHz 29KHz]，其中心频率为25KHz，则外耳传输函数中的频率常数F＝25KHz，外耳传输函数可表示为

2.4)设置带通滤波器组为8阶，低通滤波器为2阶，低通滤波器截止频率为3KHz。

2.5)各通道中心时间差δp≈0.83μs，设置带通滤波器的中心时间“带宽”为3.5μs。

3)通过计算机仿真滤波器组积分时间变化范围，如图3所示，从图中可以看出积分时间的变化范围为230μs～510μs，取平均值可得滤波器组的积分时间为370μs。

4)结合参数K及δp，计算模型在通道融合时使用的参数PSR＝49.8μs；通道融合可表示为

5)根据双曲调频信号参数设置全通基向量W_all(p_n,d)及选通基向量W_sel(p_n,d)，运算公式如下：

6)利用改进的双耳定位模型处理回波信号，获得左右耳估计的目标回波的外耳谷值频率，并计算出目标方位角和俯仰角的估计值，运算公式如下：

本发明的有益效果可通过以下仿真进一步说明：

1、仿真条件

a)发射信号频段为20KHz～60KHz，信号持续时间为2ms；b)环境中存在两个目标，相对换能器的方位角分别为0°、1°，俯仰角均为0°，对应到左耳的外耳谷值频率理论值分别为25KHz、25.5KHz。

2、仿真内容和结果

为了验证本发明应用改进的双耳定位模型估计目标方位的性能优越性，在上述仿真条件下，对环境中两个目标的方位进行估计。图4给出了双耳定位模型和改进的双耳定位模型估计出的外耳谷值频率曲线。

从图4可以看出，双耳定位模型估计出的外耳谷值频率分别为25KHz、26KHz，改进的双耳定位模型估计出的外耳谷值频率分别为25KHz、25.5KHz；改进的双耳定位模型准确的估计出了两个目标回波对应的外耳谷值频率，而双耳定位模型将25.5KHz的理论值估计为26KHz，说明本发明改进的双耳定位模型的外耳谷值频率分辨力更高，对应的，本发明的方位分辨力也优于双耳定位模型。

为了进一步说明本发明改进的双耳定位模型的方位分辨力，图5给出了双阵元下标准线列阵的波束图。从图中可以看出，两个阵元下，波束主瓣宽度大约为50°，说明传统方法在两个阵元下的方位分辨力约为50°；而从图4的结果可知，本发明的外耳谷值频率分辨力为0.5KHz，对应的本发明的方位分辨力为1°～2°。说明本发明与传统方法相比大大提升了精简阵列下目标的方位分辨力。