一种被动声纳目标距离及运动轨迹估计方法技术

本发明专利技术涉及水声探测技术领域，针对运动目标提供一种被动声纳目标距离及运动轨迹估计方法，通过挖掘声纳平台和目标平台运动的特殊几何关系，推导建立了一套用于运动平台被动声纳的目标航向航速、距离及其运动轨迹估计的解析模型。利用一定时间间隔的三个时刻目标方位和线谱频率观测，实现被动目标的距离、航向航速和运动轨迹估计，无需迭代运算。在声纳平台静止时仍然适用，通用性强。进一步，针对平台运动和声传播时延导致的距离估计误差提出了修正方法。并通过连续观察和动态计算，得到类似于主动声纳的目标运动航迹图，可为被动目标跟踪、识别和指挥决策提供更加丰富而重要的目标指示信息。指示信息。指示信息。

【技术实现步骤摘要】
一种被动声纳目标距离及运动轨迹估计方法


[0001]本专利技术涉及水声探测
，尤其涉及一种被动声纳目标距离及运动轨迹估计方法。

技术介绍

[0002]被动声纳目标方位、距离、运动参数及其运动航迹是非常重要的目标信息要素，是目标态势估计、威胁估计和指挥决策的重要依据，也是水声信号与信息处理的重要研究内容。
[0003]被动声纳主要有两种部署方式：一是安装在固定位置的静止平台，如海底固定阵；二是安装在移动平台，如潜艇或水面舰船；而安装在运动平台的被动声纳是当前和未来最主要的形式。由于被动声纳只能估计目标方位，无法给出目标距离，因此大大限制了其实际使用效率。由此，被动声纳目标距离估计也成为水声信号处理领域的主要课题。
[0004]目前，被动目标距离估计的主要方法包括：一是基于海洋环境先验信息的匹配场方法，它需要掌握比较精确的海洋水声环境信息，计算量比较大；二是三子阵的测距方法，其精度与子阵间距和目标距离有关，一般适用于目标距离较近的情况；三是基于浅海波导不变量的距离估计法，利用目标运动在LOFAR谱产生的干涉条纹，通过获取条纹的斜率估计目标距离，这种方法主要适用于浅海、且目标距离较近的情况。对于运动平台的被动声纳，目标运动分析(TMA)方法是解决运动目标距离和运动参数估计的经典方法，它是一种纯方位目标运动参数估计方法，利用被动声纳平台运动中观测到的目标方位时序信息，建立量测方程和目标运动状态方程，基于最小二乘、卡尔曼滤波、不敏滤波等技术，进行目标位置和运动参数估计，该方法要求声纳平台是运动的，而且目标状态必须是可观测的。但对于声纳平台和目标平台都是匀速直线运动的情况，TMA方法建立的目标状态是不可观测的，为了改善可观测性，在目标运动参数解算过程中，声纳平台至少需要做一次转向机动。在实际应用中，这种方法主要存在声纳平台需要机动、计算时间长(一般对于水中目标需要10
‑
30分钟)，算法容易发散、甚至无解等问题，严重影响实际应用效果。
[0005]基于多普勒频移特性的目标定位在雷达、无线电通信、无线电侦察等领域有着广泛的应用，现有的方法都是以一定观测时间内的多普勒频移量进行定位或速度估计的。因为雷达观测目标(尤其是空中目标)的速度快，雷达和无线电通信的频率非常高，多普勒频移现象非常明显、一定观测时间内的多普勒频移量比较大，因此在雷达、通信侦察等领域的应用比较成功。然而，水下目标(尤其是水下安静运动的目标)运动速度慢，被动声纳工作的频率低，这种背景下信号在一定时间内的多普勒频移量非常小，因此，基于常规多普勒频移特性的目标速度估计或定位方法不稳定、收敛解算时间长(甚至难以收敛)，无法满足水声目标定位要求。
[0006]目前，对于静止不动的水声系统，利用多普勒频移进行被动目标距离估计的方法主要包括：一是基于单水听器多普勒频移信息的距离估计，这种方法只能在目标运动到最近接收点为目标函数等方法，试图求解目标运动参数的闭式解，这类模型复杂、计算过程复
杂，计算时间长，而且需要较准确是解算初始值，否则难以收敛。二是一种基于静止被动声纳多普勒的目标距离及轨迹估计方法，利用被动声纳提取的目标方位和线谱信息，通过对多普勒频移通用公式的变换推导，基于运动三角形，提出一套针对匀速直线运动目标进行距离和运动参数估计的直接而简明的计算模型，只需三个观测时刻的目标方位和线谱频率信息，即可实现静止被动声纳的目标距离、航向航速和运动轨迹估计，该方法无需迭代运算，计算速度快，目标方位变化率和线谱频率变化率越大、效果越好。然而，该方法仅适用于静止平台的声纳，不适用于运动平台的声纳。
[0007]对于运动平台的被动声纳，目标与声纳平台的运动态势相对静止声纳更加复杂，不可控的因素大大增加，被动目标距离和运动要素的求解更加困难，也是当前面临的难题。

技术实现思路

[0008]本专利技术针对现有运动平台进行被动目标运动参数和距离估计的不足，提供一种被动声纳目标距离及运动轨迹估计方法，通过挖掘声纳平台和目标平台运动的特殊几何关系，推导建立了一套用于运动平台被动声纳的目标航向航速、距离及其运动轨迹估计的解析模型。利用一定时间间隔的三个时刻目标方位和线谱频率观测，实现被动目标的距离、航向航速和运动轨迹估计。在声纳平台静止时，仍然适用，通用性强。进一步，针对平台运动和声传播时延导致的距离估计误差提出了修正方法。并通过连续观察和动态计算，得到类似于主动声纳的目标运动航迹图，可为被动目标跟踪、识别和指挥决策提供更加丰富而重要的目标指示信息。本技术专利技术适用于声纳平台与目标平台不在同一连线上运动情况下、各种运动态势的被动目标定位，也可应用于雷达、电子侦察和无线电领域。
[0009]本专利技术提供了一种被动声纳目标距离及运动轨迹估计方法，包括：
[0010]通过声纳平台一次转向判别法判断目标相对声纳平台运动走向，并确认解算目标位置和运动参数过程中声纳平台的航向和航速；
[0011]对所述目标信号进行高频率分辨率的谱分析；
[0012]计算三个时刻所述目标位置与声纳接收点连线的夹角，所述夹角即目标舷角；
[0013]建立基于运动平台声纳的目标辐射噪声信号线谱多普勒频移模型；建立声纳平台相对目标平台舷角与所述目标舷角之间的关系式；
[0014]根据目标方位和多普勒频移信息及所述关系式估计初始舷角和目标运动速度；根据所述初始舷角和目标运动速度估计目标距离和运动航向，并进行距离修正；
[0015]根据所述目标运动速度、目标距离及运动航向通过连续观测法得到完整的目标距离、运动航向和速度估计序列，并动态绘制目标轨迹。
[0016]进一步地，所述通过声纳平台一次转向判别法判断目标相对声纳平台运动走向，包括：设定目标真方位为ψ
wf
，则将声纳平台航向变为H
wz
＝ψ
wf
，即将声纳平台朝着发现目标的方位线运动；当声纳平台到达航向H
wz
＝ψ
wf
后，通过短时间观察目标相当于声纳平台舷角的变化，根据以下方式判别所述目标相对声纳平台运动走向：当声纳平台是向右转向目标方位线，即原始航向H
w
<ψ
wf
时：如果目标舷角α向左舷变化，则目标运动走向与声纳平台航向H
w
同向运动，否则反向；当声纳平台是向左转向目标方位线，即原始航向H
w
>ψ
wf
时：如果目标舷角向右舷变化，则目标运动走向与声纳平台原航向H
w
同向运动，否则反向。
[0017]进一步地，所述确认解算目标位置和运动参数过程中声纳平台的航向和航速，包
括：确认声纳平台保持匀速直线运动，且选择新的航向。
[0018]进一步地，采用ZOOMFFT、长时长数据的FFT、MVDR高分辨谱估计、短时长补零的FFT方法中的任意一种对所述目标信号进行高频率分辨率的谱分析；假如目标信号包含多根线谱，则选择线谱信号强、相对稳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种被动声纳目标距离及运动轨迹估计方法，其特征在于，所述方法包括：通过声纳平台一次转向判别法判断目标相对声纳平台运动走向，并确认解算目标位置和运动参数过程中声纳平台的航向和航速；对所述目标信号进行高频率分辨率的谱分析；计算三个时刻所述目标位置与声纳接收点连线的夹角，所述夹角即目标舷角；建立基于运动平台声纳的目标辐射噪声信号线谱多普勒频移模型；建立声纳平台相对目标平台舷角与所述目标舷角之间的关系式；根据目标方位和多普勒频移信息及所述关系式估计初始舷角和目标运动速度；根据所述初始舷角和目标运动速度估计目标距离和运动航向，并进行距离修正；根据所述目标运动速度、目标距离及运动航向通过连续观测法得到完整的目标距离、运动航向和速度估计序列，并动态绘制目标轨迹。2.根据权利要求1所述的被动声纳目标距离及运动轨迹估计方法，其特征在于，所述通过声纳平台一次转向判别法判断目标相对声纳平台运动走向，包括：设定目标真方位为ψ
wf
，则将声纳平台航向变为H
wz
＝ψ
wf
，即将声纳平台朝着发现目标的方位线运动；当声纳平台到达航向H
wz
＝ψ
wf
后，通过短时间观察目标相当于声纳平台舷角的变化，根据以下方式判别所述目标相对声纳平台运动走向：当声纳平台是向右转向目标方位线，即原始航向H
w
<ψ
wf
时：如果目标舷角α向左舷变化，则目标运动走向与声纳平台航向H
w
同向运动，否则反向；当声纳平台是向左转向目标方位线，即原始航向H
w
>ψ
wf
时：如果目标舷角向右舷变化，则目标运动走向与声纳平台原航向H
w
同向运动，否则反向。3.根据权利要求2所述的被动声纳目标距离及运动轨迹估计方法，其特征在于，所述确认解算目标位置和运动参数过程中声纳平台的航向和航速，包括：确认声纳平台保持匀速直线运动，且选择有利于观察求解的新航向。4.根据权利要求3所述的被动声纳目标距离及运动轨迹估计方法，其特征在于，采用ZOOMFFT、长时长数据的FFT、MVDR高分辨谱估计、短时长补零的FFT方法中的任意一种对所述目标信号进行高频率分辨率的谱分析；假如目标信号包含多根线谱，则选择线谱信号强、相对稳定而且工作频段内频率更高的线谱。5.根据权利要求4所述的被动声纳目标距离及运动轨迹估计方法，其特征在于，所述计算三个时刻所述目标位置与声纳接收点连线的夹角，包括：在t0、t1、t2时刻声纳平台分别位于W0、W1、W2点，三个时刻声纳检测到目标分别位于T0、T1、T2位置点辐射的信号，观测到的目标的真方位分别为ψ
w0
、ψ
w1
、ψ
w2
，推算得到三个时刻声纳平台相对于目标平台的真方位分别为ψ
T0
、ψ
T1
、ψ
T2
；真方位和航向的取值范围均为0
°‑
360
°
；t0、t1、t2三个观测时刻目标位于声纳平台的舷角分别为：α0＝|ψ
w0
‑
H
W
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
1)α1＝|ψ
w1
‑
H
W
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
2)α2＝|ψ
w2
‑
H
W
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
3)定义α0、α1、α2为0
°‑
180
°
范围的正值。6.根据权利要求5所述的被动声纳目标距离及运动轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：章博健，章新华，
申请(专利权)人：大连华海智控电子信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：