一种目标三维被动定位方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种目标三维被动定位方法及装置，该方法包括：将矢量垂直线列阵布放入水，接收目标声源辐射的宽带声压和矢量信号；利用矢量传感器姿态仪记录的数据对矢量通道信号进行修正；构建声压通道和矢量通道联合的方位角域和到达角域二维导向矢量，获得目标的方位角估计值、到达角估计值和宽带波束输出声场；将目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值进行匹配估计目标的距离；获得多途到达时延估计值，估计目标声源的深度。本发明专利技术利用深海矢量垂直阵结合二维空间功率谱估计、到达角匹配、到达时延匹配，实现了目标方位、距离和深度的三维被动定位。突破了传统深海标量垂直阵不能给出目标方位信息的限制。海标量垂直阵不能给出目标方位信息的限制。海标量垂直阵不能给出目标方位信息的限制。

【技术实现步骤摘要】
一种目标三维被动定位方法及装置


[0001]本专利技术属于水声探测、声呐技术等领域，具体涉及一种目标三维被动定位方法及装置。

技术介绍

[0002]深海目标被动定位是近些年水声学研究的热点问题，垂直阵是深海目标定位的常用阵型之一。已有大量工作利用深海标量垂直阵来实现目标距离和深度的估计，如文献(Aperformancestudyofacousticinterferencestructureapplicationsonsource depthestimationindeepwater，2019年2月发表在《J.Acoust.Soc.Am.》第145期，起始页码为903)、文献(“Performancemetricsfordepth
‑
basedsignalseparation usingdeepverticallinearrays”，2016年1月发表在《J.Acoust.Soc.Am.》第139期，起始页码为418)、文献(“Passivesourcelocalizationbasedonmultipatharrivalangles withaverticallinearrayusingsparseBayesianlearning”，2023年3月发表在《J.Acoust.Soc.Am.》第153期，起始页码为773)等。但是，深海标量垂直阵由于无目标方位估计能力，仅能给出目标距离深度信息而无法给出目标的具体坐标信息，限制了其进一步的应用。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有深海标量垂直阵由于无目标方位估计能力，仅能给出目标距离深度信息而无法给出目标的具体坐标信息的缺陷。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种目标三维被动定位方法，基于矢量垂直阵实现，所述矢量垂直阵包括声压通道和矢量通道；每个阵元上设置矢量传感器姿态仪；
[0005]所述方法包括：
[0006]步骤1：矢量垂直阵采集待测目标发出的声压通道信号时域波形以及三个方向矢量通道信号时域波形；
[0007]步骤2：利用每个矢量传感器姿态仪记录的俯仰角、横滚角和方位角，修正所有阵元的三个方向矢量通道信号；
[0008]步骤3：处理声压通道时域信号和矢量通道时域信号，获得矢量垂直阵的实测声场频谱数据向量；
[0009]步骤4：构建声压通道和矢量通道联合的方位角域和到达角域二维导向矢量，利用空间功率谱估计方法分别对矢量垂直阵记录的声压和三个方向矢量通道信号频谱进行联合处理，获得二维空间功率谱估计结果；
[0010]步骤5：对二维空间功率谱估计结果进行求和平均，获得二维空间功率谱估计平均结果；
[0011]步骤6：结合海水声速剖面，计算不同假设声源距离下的直达波与海面反射波到达角平均值模板值，将待测目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值进行匹
配，估计待测目标的距离；
[0012]步骤7：结合海水声速剖面，计算待测目标估计距离处不同假设声源深度对应的多途到达时延模板值；
[0013]步骤8：对待测目标估计到达角和估计方位角处的波束输出宽带声场强度沿频率轴进行二重谱分析，获得到达时延谱和多途到达时延估计值；
[0014]步骤9：将多途到达时延估计值与待测目标估计距离处不同假设声源深度下的多途到达时延模板值进行匹配，获取待测目标深度估计值。
[0015]作为上述方法的一种改进，以矢量垂直阵轴线与海平面的交点为坐标原点建立三维坐标系，垂直于海平面向下为Z轴正方形，X、Y轴组成的平面与海平面重合；
[0016]所述三个方向矢量通道信号为X、Y、Z三个方向矢量通道信号，X、Y、Z三个方向分别为X、Y、Z三个坐标轴的正方向。
[0017]作为上述方法的一种改进，所述步骤2具体为：修正后的X、Y、Z三个方向矢量通道信号为：
[0018][0019]其中，矩阵中各元素含义如下：
[0020]a
11
＝cosα1(n,k,t)cosα3(n,k,t)
[0021]a
12
＝sinα1(n,k,t)cosα3(n,k,t)sinα2(n,k,t)
‑
sinα3(n,k,t)cosα2(n,k,t)
[0022]a
13
＝sinα1(n,k,t)cosα3(n,k,t)cosα2(n,k,t)+sinα3(n,k,t)sinα2(n,k,t)
[0023]a
21
＝cosα1(n,k,t)sinα3(n,k,t)
[0024]a
22
＝sinα1(n,k,t)sinα3(n,k,t)sinα2(n,k,t)+cosα3(n,k,t)cosα2(n,k,t)
[0025]a
23
＝sinα1(n,k,t)sinα3(n,k,t)cosα2(n,k,t)
‑
cosα3(n,k,t)sinα2(n,k,t)
[0026]a
31
＝
‑
sinα1(n,k,t)
[0027]a
32
＝cosα1(n,k,t)sinα2(n,k,t)
[0028]a
33
＝cosα1(n,k,t)cosα2(n,k,t)
[0029]n＝1,2,...,N表示矢量垂直阵阵元编号，N表示矢量垂直阵阵元个数；k＝1,2,...,K表示信号快拍数序号，K表示信号总快拍数；t表示时间；
[0030]S
x
(n,k,t)表示修正后的X方向矢量通道信号；S
y
(n,k,t)表示修正后的Y方向矢量通道信号；S
z
(n,k,t)表示修正后的Z方向矢量通道信号；S
x0
(n,k,t)表示矢量垂直阵接收的X方向矢量通道信号时域波形；S
y0
(n,k,t)表示矢量垂直阵接收的Y方向矢量通道信号时域波形；S
z0
(n,k,t)表示矢量垂直阵接收的Z方向矢量通道信号时域波形；
[0031]α1(n,k,t)表示矢量传感器姿态仪记录的俯仰角；α2(n,k,t)表示矢量传感器姿态仪记录的横滚角；α3(n,k,t)表示矢量传感器姿态仪记录的方位角。
[0032]作为上述方法的一种改进，所述步骤3具体为：
[0033]对矢量垂直阵列采集的声压和矢量通道时域信号进行快速傅里叶变换获得声压通道信号频谱s
p
(n,k,f
l
)、以及X、Y、Z三通道的矢量通道信号频谱s
x
(n,k,f
l
)、s
y
(n,k,f
l
)和s
z
(n,k,f
l
)，l＝1,2,...,L，f1和f
L
分别为信号处理频段的上界和下界，L本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种目标三维被动定位方法，基于矢量垂直阵实现，所述矢量垂直阵包括声压通道和矢量通道；每个阵元上设置矢量传感器姿态仪；所述方法包括：步骤1：矢量垂直阵采集待测目标发出的声压通道信号时域波形以及三个方向矢量通道信号时域波形；步骤2：利用每个矢量传感器姿态仪记录的俯仰角、横滚角和方位角，修正所有阵元的三个方向矢量通道信号；步骤3：处理声压通道时域信号和矢量通道时域信号，获得矢量垂直阵的实测声场频谱数据向量；步骤4：构建声压通道和矢量通道联合的方位角域和到达角域二维导向矢量，利用空间功率谱估计方法分别对矢量垂直阵记录的声压和三个方向矢量通道信号频谱进行联合处理，获得二维空间功率谱估计结果；步骤5：对二维空间功率谱估计结果进行求和平均，获得二维空间功率谱估计平均结果；步骤6：结合海水声速剖面，计算不同假设声源距离下的直达波与海面反射波到达角平均值模板值，将待测目标到达角估计值与不同假设声源距离下的到达角模板值进行匹配，估计待测目标的距离；步骤7：结合海水声速剖面，计算待测目标估计距离处不同假设声源深度对应的多途到达时延模板值；步骤8：对待测目标估计到达角和估计方位角处的波束输出宽带声场强度沿频率轴进行二重谱分析，获得到达时延谱和多途到达时延估计值；步骤9：将多途到达时延估计值与待测目标估计距离处不同假设声源深度下的多途到达时延模板值进行匹配，获取待测目标深度估计值。2.根据权利要求1所述的目标三维被动定位方法，其特征在于：以矢量垂直阵轴线与海平面的交点为坐标原点建立三维坐标系，垂直于海平面向下为Z轴正方形，X、Y轴组成的平面与海平面重合；所述三个方向矢量通道信号为X、Y、Z三个方向矢量通道信号，X、Y、Z三个方向分别为X、Y、Z三个坐标轴的正方向。3.根据权利要求2所述的目标三维被动定位方法，其特征在于，所述步骤2具体为：修正后的X、Y、Z三个方向矢量通道信号为：其中，矩阵中各元素含义如下：a
11
＝cosα1(n,k,t)cosα3(n,k,t)a
12
＝sinα1(n,k,t)cosα3(n,k,t)sinα2(n,k,t)
‑
sinα3(n,k,t)cosα2(n,k,t)a
13
＝sinα1(n,k,t)cosα3(n,k,t)cosα2(n,k,t)+sinα3(n,k,t)sinα2(n,k,t)a
21
＝cosα1(n,k,t)sinα3(n,k,t)
a
22
＝sinα1(n,k,t)sinα3(n,k,t)sinα2(n,k,t)+cosα3(n,k,t)cosα2(n,k,t)a
23
＝sinα1(n,k,t)sinα3(n,k,t)cosα2(n,k,t)
‑
cosα3(n,k,t)sinα2(n,k,t)a
31
＝
‑
sinα1(n,k,t)a
32
＝cosα1(n,k,t)sinα2(n,k,t)a
33
＝cosα1(n,k,t)cosα2(n,k,t)n＝1,2,...,N表示矢量垂直阵阵元编号，N表示矢量垂直阵阵元个数；k＝1,2,...,K表示信号快拍数序号，K表示信号总快拍数；t表示时间；S
x
(n,k,t)表示修正后的X方向矢量通道信号；S
y
(n,k,t)表示修正后的Y方向矢量通道信号；S
z
(n,k,t)表示修正后的Z方向矢量通道信号；表示矢量垂直阵接收的X方向矢量通道信号时域波形；表示矢量垂直阵接收的Y方向矢量通道信号时域波形；表示矢量垂直阵接收的Z方向矢量通道信号时域波形；α1(n,k,t)表示矢量传感器姿态仪记录的俯仰角；α2(n,k,t)表示矢量传感器姿态仪记录的横滚角；α3(n,k,t)表示矢量传感器姿态仪记录的方位角。4.根据权利要求3所述的目标三维被动定位方法，其特征在于，所述步骤3具体为：对矢量垂直阵列采集的声压和矢量通道时域信号进行快速傅里叶变换获得声压通道信号频谱s
p
(n,k,f
l
)、以及X、Y、Z三通道的矢量通道信号频谱s
x
(n,k,f
l
)、s
y
(n,k,f
l
)和s
z
(n,k,f
l
)，l＝1,2,...,L，f1和f
L
分别为信号处理频段的上界和下界，L为处理频段内包含的频点个数，f
l
表示第l个信号处理频段频率；将矢量通道和声压通道数据组合，获得整个矢量垂直阵的实测声场频谱数据向量s(k,f
l
)为：s(k,f
l
)＝[s
x
(1,k,f
l
),s
x
(2,k,f
l
),...,s
x
(N,k,f
l
),s
y
(1,k,f
l
),s
y
(2,k,f
l
),...,s
y
(N,k,f
l
),s
z

【专利技术属性】
技术研发人员：戚聿波，周士弘，刘昌鹏，敦劲琮，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：