一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法技术

本发明专利技术属于水面舰船定位技术领域，具体涉及一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法。本发明专利技术通过构建“相切双弧线”传感器阵列和传感器之间的位置关系，将舰船目标的地震波信息转化到对应的地震场信息中，利用构造的噪声环境下Scholte波特征方程和噪声环境Scholte波模型为依据，对Scholte地震波信号进行处理，得到经处理的Scholte波后，利用改进的TDOA定位方法对舰船目标进行定位，得到最优解

【技术实现步骤摘要】
一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法
本专利技术属于水面舰船定位
，具体涉及一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法。
技术介绍
水声定位一直以来都被视作为水面舰船定位的最有效的方法，但是近些年来随着科技的发展，水面舰船噪声的大大降低，隐身性能的提高，利用水声定位技术面临巨大的挑战，相比之下利用水面舰船在水面行驶过程中所激发的水下地震波定位具有很大的优势，舰船的低频噪声会在水下固—液分界介质表面激发水下地震波，利用激发的地震波中的一种沿分界介质表面传播的波—Scholte波，Scholte波能量主要集中在固—液分界面上，是一种存在于水下固—液分界面上的一种波，波前是柱面沿着固液分界表面传播。在垂直于分界面上振幅呈指数衰减，该波占舰船所激发地震波能量的大部分，且频率低，传播速度慢等优点，能量主要集中于分界介质表面，在分界介质表面传播的振幅衰减较小，传播距离远。由舰船所激发的海底地震波可以作为远场定位的一种波，舰船地震波在远场定位，海洋资源勘探，目标识别获取，海洋安全等有重大的研究意义。相对于单一传感器而言，阵列定位精度更高，具有灵活的方位估计能力，较强的空间分辨能力，抗干扰能力强等优点。阵列信号在水下目标探测，干扰信号的检测和相关参数的估计有重大作用。因此研究阵列探测用重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法，这种方法定位精度更高，抗干扰能力强，具有灵活的方位估计能力，较强的空间分辨能力。一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法，包括如下步骤：1、构建二元阵列的灵敏方程，计算二元阵列的灵敏度；2、根据计算结果在水下用九台传感器构建相切双弧线型地声传感器阵列；3、构建Scholte波特征方程和噪声环境Scholte波模型；4、以构造的噪声环境下Scholte波特征方程和噪声环境Scholte波模型为依据，对Scholte地震波信号进行处理；5、得到经处理的Scholte波后，利用改进的TDOA定位方法对舰船目标进行定位，得到最优解所述的步骤1中计算灵敏度具体包括以下步骤：1、构建灵敏度方程Ri0＝Ri-R0，x*＝R0cos(α-A)＝R0cos(B-β),y*＝R0sin(α-A)＝R0sin(B-β)其中X表示震源位置，x*为R0在di方向上的投影距离，y*为R0在di垂直方向上的投影距离；2、定义Ri0对x*、y*灵敏度：3、根据公式计算灵敏度，发现∠XS0Si＝α-A＝B-β越大，灵敏度越高，但是考虑南北方向的灵敏度，所以将对应的阵列对应的弧线角设计为120°。所述的步骤2中，传感器的放置要依据实际的海洋环境，但是传感器在水底必须与水底土壤完全接触，且水平放置。所述的步骤2中Scholte波特征方程表示为：噪声环境Scholte波模型为：X(t)＝AS(t)+N(t)(4)所述的步骤4中对Scholte地震波信号进行处理包括用最小二乘法对阵列信号处理和归一化处理小波降噪。所述的步骤5中改进的TDOA定位方法包括以下步骤：1、选择一个基阵元，建立其他阵元与基阵元之间的双曲线方程；2、根据方程，计算X(x,y)源点到基阵元与其他阵元的时间延迟Δt0i；3、根据时间延迟Δt0i计算出阵元到两个震源的距离差，R0i＝VΔt0i，得到如下方程，其中V是scholte波波速，X表示震源位置。3、根据方程得出一系列模糊解解X＝[X1,X2,X3,···XN]，利用这一系列的模糊解得到模糊坐标，构造一个评价函数F(X)＝εTf(X)，εT是这个模糊解对应方程个数向量，f(X)表示这些模糊解的概率向量，根据评价函数F(X)，利用MATLAB进行拟合，最终得出评价函数F(X)最大的那个坐标，即是最优解本专利技术的有益效果在于：本专利技术通过构建相切双弧线传感器阵列和传感器之间的位置关系，将舰船目标的地震波信息转化到对应的地震场信息中，利用算法获得舰船目标的三维位置信息。本专利技术所提出的船舰目标的追踪定位方法可实现实时对舰船目标进行追踪定位，通过对TDOA方法的改进实现船舰目标定位和追踪，该方法定位精度更高，抗干扰能力强，具有灵活的方位估计能力，较强的空间分辨能力。附图说明图1为相切双弧线型九元地声传感器阵列示意图；图2为二元阵列图；图3为信号处理流程图；图4为TDOA定位方法示意图；图5为TDOA方法改进流程图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。如附图1所示，为“相切双弧线”型九元地声传感器阵列示意图。各阵元的坐标分别为s0(0,0)，s1(x1,y1)，s2(x2,y2)，s3(x3,y3)，s4(x4,y4)，s5(x5,y5)，s6(x6,y6)，s7(x7,y7)，s8(x8,y8)，s9(x9,y9)。其中传感器s0位于原点，s1(x1,y1)，s2(x2,y2)，s3(x3,y3)，s4(x4,y4)，等间距的布置在上半轴的弧线上，圆心为A，对应的半径为RA,弧线对应的角∠S1AS4＝120°。s5(x5,y5)，s6(x6,y6)，s7(x7,y7)，s8(x8,y8)，s9(x9,y9)等间距分布在下半轴的弧线上，对应的圆心为B，半径为RB弧线对应的角∠S5BS8＝120°，且RA＝RB。E表示正东方向，W、S、N表示正西正南正北方向。A、B表示di与S、E之间的夹角，α、β表示R0与S、E之间的夹角。计算二元阵列灵敏度，建立的二元阵列图如附图2所示，计算灵敏度如下Ri0＝Ri-R0，x*＝R0cos(α-A)＝R0cos(B-β),y*＝R0sin(α-A)＝R0sin(B-β)其中X表示震源位置，x*为R0在di方向上的投影距离，y*为R0在di垂直方向上的投影距离，定义Ri0对x*、y*灵敏度：通过灵敏度的公式发现只有当∠XS0Si＝α-A＝B-β越大灵敏度越高，但是考虑南北方向的灵敏度，所以将对应的阵列对应的弧线角设计为120°。确定阵列半径的原则如下：首先在各种客观条件允许的情况下，目标位于传感器阵列内部时，即对应的阵列的弧线半径越大，阵列的定位精度越高。但是阵列弧线半径应该考虑传感器的有效测量范围。和实际的海洋环境和地质条件。利用舰船低频噪声所激发的位于固—液分界介质表面的scholte波，scholte波是一种存在于固体—流体分界面上的一种面波，其波前为柱面，能量占船舰所激发的地震波的70％，沿着垂直于分界介质表面振幅呈指数衰减。频率低,无低频截止频率，沿分界介质表面传播时振幅几乎不变，相较于其他地震波传播距离远，传播速度低，最大波速为1400m/s，其特征方程。可以知道scholte波的质点运动轨迹是椭圆，ux、uz分别是传播方向上的振幅，和垂直于分界面上的振幅。在传播方向和垂直于分界面方向的半长轴分别是f(x)、f(z)。对地震波信号进行处理通过阵列所接收到信号并不是理想的需要进一步对阵列信号进行处理，阵列信号所探测到的信号可以用下式表示。X(t)＝AS(t)+N(t)(4)其中X(t)＝[x1(t),x2(t),x3(t),x4(t),···,xM(t)]T，t时刻第m个阵元的输出信号dm为第m个阵元的位置。A＝[a(θ1),a(θ2),···,a(θK)]示阵列流形矩阵，S(t)＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、构建二元阵列的灵敏方程，计算二元阵列的灵敏度；步骤2、根据计算结果在水下用九台传感器构建相切双弧线型地声传感器阵列；步骤3、构建Scholte波特征方程和噪声环境Scholte波模型；步骤4、以构造的噪声环境下Scholte波特征方程和Scholte波模型为依据，对Scholte地震波信号进行处理；步骤5、得到经处理的Scholte波后，利用改进的TDOA定位方法对舰船目标进行定位，得到最优解

【技术特征摘要】
1.一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、构建二元阵列的灵敏方程，计算二元阵列的灵敏度；步骤2、根据计算结果在水下用九台传感器构建相切双弧线型地声传感器阵列；步骤3、构建Scholte波特征方程和噪声环境Scholte波模型；步骤4、以构造的噪声环境下Scholte波特征方程和Scholte波模型为依据，对Scholte地震波信号进行处理；步骤5、得到经处理的Scholte波后，利用改进的TDOA定位方法对舰船目标进行定位，得到最优解2.根据权利要求1所述的一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法，其特征在于步骤1中所述计算灵敏度具体包括以下步骤：步骤1、构建灵敏度方程Ri0＝Ri-R0，x*＝R0cos(α-A)＝R0cos(B-β),y*＝R0sin(α-A)＝R0sin(B-β)其中X表示震源位置，x*为R0在di方向上的投影距离，y*为R0在di垂直方向上的投影距离；步骤2、定义Ri0对x*、y*灵敏度：步骤3、根据公式计算灵敏度，发现∠XS0Si＝α-A＝B-β越大，灵敏度越高，考虑南北方向的灵敏度，将阵列对应的弧线角设计为120°。3.根据权利要求1所述的一种相切双弧线型的九元地声传感器阵列定位方法，其特征在于：步骤2中所述传感器的放置要依据实际的海洋环境，但...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓峻，侯金弟，李俊东，姜富强，钟航，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23