基于环境约束和黎曼距离的联合匹配场定位方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于环境约束和黎曼距离的联合匹配场定位方法及系统。所述方法包括：获取水声信号集合和海洋环境参数向量；计算所述水声信号集合的协方差矩阵；对水下声场进行网格划分得到多个网格；根据所述海洋环境参数向量和声场模型得到各网格的联合矩阵；所述联合矩阵由网格在所有海洋环境参数下的拷贝场向量组成的；分别对各所述网格的联合矩阵进行重构得到各所述网格的重构约束矩阵；分别计算所述协方差矩阵与各网格的重构约束矩阵的黎曼距离，确定最短黎曼距离对应的网格为水下声源位置。本发明专利技术在复杂海洋环境失配的条件下也可对水下声源实现稳健被动定位。可对水下声源实现稳健被动定位。可对水下声源实现稳健被动定位。

【技术实现步骤摘要】
基于环境约束和黎曼距离的联合匹配场定位方法及系统


[0001]本专利技术涉及水下声纳阵列信号处理领域，特别是涉及一种基于环境约束和黎曼距离的联合匹配场定位方法及系统。

技术介绍

[0002]匹配场处理技术是水下声源被动探测定位的主要手段之一，该方法本质上是一种特殊的波束形成方法，其阵列加权向量与基于海洋环境特性的声场模型计算的拷贝场向量息息相关，通过对接收阵列实测的声压信号与水声传播模型计算的复声压进行相关匹配，即可实现水下声源位置的估计。但是，在环境参数失配/扰动时匹配场方法性能发生下降，甚至定位出现很大误差。也就是说，实际水体/海底环境参数和声传播模型使用的参数不一致会引起高分辨自适应算法的定位失效，因此需要进一步研究对环境失配较宽容的自适应匹配场处理算法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于环境约束和黎曼距离的联合匹配场定位方法及系统，在复杂海洋环境失配的条件下也可对水下声源实现稳健被动定位。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]一种基于环境约束和黎曼距离的联合匹配场定位方法，包括：
[0006]获取水声信号集合和海洋环境参数向量；所述海洋环境参数向量包括多个海洋环境参数；所述水声信号集合为水声接收阵列获取的多个水声信号；
[0007]计算所述水声信号集合的协方差矩阵；
[0008]对水下声场进行网格划分得到多个网格；
[0009]根据所述海洋环境参数向量和声场模型得到各网格的联合矩阵；所述联合矩阵由网格在所有海洋环境参数下的拷贝场向量组成；
[0010]分别对各所述网格的联合矩阵进行重构得到各所述网格的重构约束矩阵；
[0011]分别计算所述协方差矩阵与各网格的重构约束矩阵的黎曼距离，确定最短黎曼距离对应的网格为水下声源位置。
[0012]可选的，所述根据所述海洋环境参数向量和声场模型得到各网格的联合矩阵，具体包括：
[0013]将所述海洋环境参数向量中的各海洋环境参数分别输入声场模型得到各网格在所有海洋环境参数下的拷贝场向量；
[0014]对于任意一个网格，确定由所述网格在所有海洋环境参数下的拷贝场向量组成的一个矩阵为所述网格的联合矩阵。
[0015]可选的，所述分别对各所述网格的联合矩阵进行重构得到各所述网格的重构约束矩阵，具体包括：
[0016]对于任意一个网格，对所述网格的联合矩阵进行奇异值分解得到左奇异矩阵、右
奇异矩阵和对角线矩阵；
[0017]在所述对角线矩阵中选取设定个数的元素得到第一矩阵；所述第一矩阵中的每个元素均大于对角线剩余矩阵中的各元素；所述对角线剩余矩阵为所述对角线矩阵除去所述第一矩阵之后的元素组成的矩阵；
[0018]在所述左奇异矩阵中选取目标位置对应的列向量得到第二矩阵；所述目标位置为在所述对角线矩阵中选取的设定个数的元素的位置；
[0019]在所述右奇异矩阵中选取所述目标位置对应的列向量得到第三矩阵；
[0020]根据所述第一矩阵、所述第二矩阵和所述第三矩阵得到所述网格的重构约束矩阵。
[0021]可选的，在所述对所述网格的联合矩阵进行奇异值分解得到左奇异矩阵、右奇异矩阵和对角线矩阵之前还包括：
[0022]对所述网格的联合矩阵进行共轭相乘得到所述网格的约束矩阵。
[0023]一种基于环境约束和黎曼距离的联合匹配场定位系统，包括：
[0024]获取模块，用于获取水声信号集合和海洋环境参数向量；所述海洋环境参数向量包括多个海洋环境参数；所述水声信号集合为水声接收阵列获取的多个水声信号；
[0025]协方差矩阵确定模块，用于计算所述水声信号集合的协方差矩阵；
[0026]网格化分模块，用于对水下声场进行网格划分得到多个网格；
[0027]联合矩阵确定模块，用于根据所述海洋环境参数向量和声场模型得到各网格的联合矩阵；所述联合矩阵由网格在所有海洋环境参数下的拷贝场向量组成；
[0028]重构约束矩阵确定模块，用于分别对各所述网格的联合矩阵进行重构得到各所述网格的重构约束矩阵；
[0029]定位模块，用于分别计算所述协方差矩阵与各网格的重构约束矩阵的黎曼距离，确定最短黎曼距离对应的网格为水下声源位置。
[0030]可选的，所述联合矩阵确定模块，具体包括：
[0031]拷贝场向量计算单元，用于将所述海洋环境参数向量中的各海洋环境参数分别输入声场模型得到各网格在所有海洋环境参数下的拷贝场向量；
[0032]联合矩阵确定单元，用于对于任意一个网格，确定由所述网格在所有海洋环境参数下的拷贝场向量组成的一个矩阵为所述网格的联合矩阵。
[0033]可选的，所述重构约束矩阵确定模块，具体包括：
[0034]奇异分解单元，用于对于任意一个网格，对所述网格的联合矩阵进行奇异值分解得到左奇异矩阵、右奇异矩阵和对角线矩阵；
[0035]第一矩阵确定单元，用于在所述对角线矩阵中选取设定个数的元素得到第一矩阵；所述第一矩阵中的每个元素均大于对角线剩余矩阵中的各元素；所述对角线剩余矩阵为所述对角线矩阵除去所述第一矩阵之后的元素组成的矩阵；
[0036]第二矩阵确定单元，用于在所述左奇异矩阵中选取目标位置对应的列向量得到第二矩阵；所述目标位置为在所述对角线矩阵中选取的设定个数的元素的位置；
[0037]第三矩阵确定单元，用于在所述右奇异矩阵中选取所述目标位置对应的列向量得到第三矩阵；
[0038]重构约束矩阵确定单元，用于根据所述第一矩阵、所述第二矩阵和所述第三矩阵
得到所述网格的重构约束矩阵。
[0039]可选的，所述重构约束矩阵确定模块还包括：
[0040]约束矩阵确定单元，用于对所述网格的联合矩阵进行共轭相乘得到所述网格的约束矩阵。
[0041]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术获取水声信号集合和海洋环境参数向量；计算水声信号集合的协方差矩阵；对水下声场进行网格划分得到多个网格；根据海洋环境参数向量和声场模型得到各网格的联合矩阵；分别对各网格的联合矩阵进行重构得到各网格的重构约束矩阵；分别计算协方差矩阵与各网格的重构约束矩阵的黎曼距离，确定最短黎曼距离对应的网格为水下声源位置，将基于黎曼距离的匹配场处理器与环境扰动约束的匹配场处理器的思想相结合，使得在复杂海洋环境失配的条件下也可对水下声源实现稳健被动定位。
附图说明
[0042]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]图1为本专利技术实施例提供的一种基于环境约束和黎曼距离的联合匹配场定位方法的流程图；
[0044]图2为本专利技术实施例提供的基于环境约束和黎本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于环境约束和黎曼距离的联合匹配场定位方法，其特征在于，包括：获取水声信号集合和海洋环境参数向量；所述海洋环境参数向量包括多个海洋环境参数；所述水声信号集合为水声接收阵列获取的多个水声信号；计算所述水声信号集合的协方差矩阵；对水下声场进行网格划分得到多个网格；根据所述海洋环境参数向量和声场模型得到各网格的联合矩阵；所述联合矩阵由网格在所有海洋环境参数下的拷贝场向量组成；分别对各所述网格的联合矩阵进行重构得到各所述网格的重构约束矩阵；分别计算所述协方差矩阵与各网格的重构约束矩阵的黎曼距离，确定最短黎曼距离对应的网格为水下声源位置。2.根据权利要求1所述的一种基于环境约束和黎曼距离的联合匹配场定位方法，其特征在于，所述根据所述海洋环境参数向量和声场模型得到各网格的联合矩阵，具体包括：将所述海洋环境参数向量中的各海洋环境参数分别输入声场模型得到各网格在所有海洋环境参数下的拷贝场向量；对于任意一个网格，确定由所述网格在所有海洋环境参数下的拷贝场向量组成的一个矩阵为所述网格的联合矩阵。3.根据权利要求1所述的一种基于环境约束和黎曼距离的联合匹配场定位方法，其特征在于，所述分别对各所述网格的联合矩阵进行重构得到各所述网格的重构约束矩阵，具体包括：对于任意一个网格，对所述网格的联合矩阵进行奇异值分解得到左奇异矩阵、右奇异矩阵和对角线矩阵；在所述对角线矩阵中选取设定个数的元素得到第一矩阵；所述第一矩阵中的每个元素均大于对角线剩余矩阵中的各元素；所述对角线剩余矩阵为所述对角线矩阵除去所述第一矩阵之后的元素组成的矩阵；在所述左奇异矩阵中选取目标位置对应的列向量得到第二矩阵；所述目标位置为在所述对角线矩阵中选取的设定个数的元素的位置；在所述右奇异矩阵中选取所述目标位置对应的列向量得到第三矩阵；根据所述第一矩阵、所述第二矩阵和所述第三矩阵得到所述网格的重构约束矩阵。4.根据权利要求3所述的一种基于环境约束和黎曼距离的联合匹配场定位方法，其特征在于，在所述对所述网格的联合矩阵进行奇异值分解得到左奇异矩阵、右奇异矩阵和对角线矩阵之前还包括：对所述网格的联合矩阵进行共轭相乘得到所述网格的约束矩阵。5.一种基于环境约束和黎曼距离的联合匹配场定位系统，其特征在于，包括：获取模块，用于获取水声...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹然，郭龙祥，张亮，生雪莉，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：