一种用于线型光纤水听器阵列的被动声呐测距方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于线型光纤水听器阵列的被动声呐测距方法和装置，包括：在第一个位置依据原始数据进行一次波束成形，并依据一次波束成形结果搜索信号强度最大的第一方位角；依据第二个位置依据原始数据进行二次波束成形，并依据二次波束成形结果搜索信号强度最大的第二方位角；然后依据第一方位角、第二方位角、速度以及运行时间计算目标距离。该方法和装置使用全部光纤水听器阵列的原始数据的波束形成算法相比三角定位，可以降低光纤水听器阵列位置的不确定性带来的测量偏差，计算的距离方差更小，实际使用时可靠性更高。实际使用时可靠性更高。实际使用时可靠性更高。

【技术实现步骤摘要】
一种用于线型光纤水听器阵列的被动声呐测距方法和装置


[0001]本专利技术属于水声目标定位
，具体涉及一种用于线型光纤水听器阵列的被动声呐测距方法和装置。

技术介绍

[0002]光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光学相干检测，将水声振动转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。
[0003]光纤水听器阵列为由光纤水听器阵列排布而成。较传统水听器相比，光纤水听器具有灵敏度高，可以探测微弱信号，抗电磁干扰和信号串扰能力强，可以远距离传输，体积小，易于布放实施，且收放容易，高可靠性，并且大规模组网。
[0004]光纤水听器技术为传统的测量手段带来新风向，光纤水听器阵列对空间信号进行测量，通过对每个固定位置上的水听器测量的声信号进行信号处理，确定声源位置，实现水下探测，水下目标侦测，水下/水面目标辐射噪声测量，并应用于水下安防，地震预测，海洋石油和天然气勘探等领域，为港口防护、水声情报搜集以及目标探测提供技术支撑。
[0005]TDOA(到达时间差)算法是一种利用时间差进行定位的方法。通过测量信号到达监测站的时间，可以确定信号源的距离。利用信号源到各个监测站的距离(以监测站为中心，距离为半径作圆)，就能确定信号的位置。但是绝对时间一般比较难测量，通过比较信号到达各个监测站的绝对时间差，就能做出以监测站为焦点，距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是信号的位置。不同于TOA，TDOA算法是通过检测信号到达两个基站的绝对时间差，而不是到达的飞行时间来确定移动台的位置，降低了信号源与各个监测站的时间同步要求，但提高了各个监测站的时间同步要求。采用三个不同的基站可以测到两个TDOA，移动站位于两个TDOA决定的双曲线的交点上。
[0006]当前用于一维线型光纤水听器阵列的测距算法主流是基于TDOA算法的各类优化算法，但在实际使用中，由于光纤水听器的位置精度通常不高，会导致计算出的到达时间差不准确，而TDOA算法基于三角定位计算距离，对光纤水听器位置的精度非常敏感，因此TDOA算法在使用环境下精度不高。

技术实现思路

[0007]针对上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种用于线型光纤水听器阵列的被动声呐测距方法和装置，以提升声呐测距的准确性。
[0008]第一方面，为实现上述专利技术目的，本专利技术实施例提供的一种用于线型光纤水听器阵列的被动声呐测距方法，包括以下步骤：
[0009]获取线型光纤水听器阵列实时接收的原始数据，依据原始数据进行一次波束成形，并依据一次波束成形结果搜索信号强度最大的第一方位角；
[0010]获取线型光纤水听器阵列以速度做匀速直线运动一定时间后实时接收的原始数
据，依据原始数据进行二次波束成形，并依据二次波束成形结果搜索信号强度最大的第二方位角；
[0011]依据第一方位角、第二方位角、速度以及运行时间计算目标距离。
[0012]在一个实施例中，依据原始数据进行波束成形，包括：
[0013]原始数据进行快速傅里叶变换，得到快速傅里叶变换复数输出；
[0014]指定波束形成搜索角度范围和总波束数，根据阵元间距计算搜索角度范围内每个波束中各个阵元相对第一个阵元的波达时间差；
[0015]根据各波束的波达时间差计算快速傅里叶变换复数输出的相位移动；
[0016]对所有通道的快速傅里叶变换复数输出按照频率做相位移动求和，求和结果的模作为各波束的信号强度；
[0017]根据需求宽带，累加对应频率的信号强度得到各波束总宽带下的信号强度，以信号强度最大的角度作为波达方位角。
[0018]在一个实施例中，采用以下公式根据阵元间距计算每个波束中各个阵元相对第一个阵元的波达时间差dT
m
：
[0019][0020]其中，A
n
为第n个波束的波达方向，d1和d
m
分别表示第1个和第m个阵元相对于原点的距离，C表示声速度。
[0021]在一个实施例中，各波束的信号强度通过以下公式计算：
[0022][0023]其中，f为频率，i为通道索引，m为通道总数，dT
i
为第i个通道的波达时间差，C
f,i
为第i个通道的快速傅里叶变换复数输出，R
n,f
为波束n的信号强度。
[0024]在一个实施例中，采用以下公式根据依据第一方位角az1、第二方位角az2、速度v以及运行时间t计算目标距离D
target
：
[0025][0026][0027][0028]其中，X和Y为中间变量。
[0029]第二方面，为实现上述专利技术目的，本专利技术实施例还提供了一种用于线型光纤水听器阵列的被动声呐测距装置，包括第一方位角计算模块、第二方位角计算模块、目标距离计算模块；
[0030]所述第一方位角计算模块用于获取线型光纤水听器阵列实时接收的原始数据，依据原始数据进行一次波束成形，并依据一次波束成形结果搜索信号强度最大的第一方位
角；
[0031]所述第二方位角计算模块用于获取线型光纤水听器阵列以速度做匀速直线运动一定时间后实时接收的原始数据，依据原始数据进行二次波束成形，并依据二次波束成形结果搜索信号强度最大的第二方位角；
[0032]所述目标距离计算模块用于依据第一方位角、第二方位角、速度以及运行时间计算目标距离。
[0033]在一个实施例中，在第一方位角计算模块和第二方位角计算模块中，依据原始数据进行波束成形，包括：
[0034]原始数据进行快速傅里叶变换，得到快速傅里叶变换复数输出；
[0035]指定波束形成搜索角度范围和总波束数，根据阵元间距计算搜索角度范围内每个波束中各个阵元相对第一个阵元的波达时间差；
[0036]根据各波束的波达时间差计算快速傅里叶变换复数输出的相位移动；
[0037]对所有通道的快速傅里叶变换复数输出按照频率做相位移动求和，求和结果的模作为各波束的信号强度；
[0038]根据需求宽带，累加对应频率的信号强度得到各波束总宽带下的的信号强度，以信号强度最大的角度作为波达方位角。
[0039]在一个实施例中，在目标距离计算模块中，采用以下公式根据依据第一方位角az1、第二方位角az2、速度v以及运行时间t计算目标距离D
target
：
[0040][0041][0042][0043]其中，X和Y为中间变量。
[0044]第三方面，为实现上述专利技术目的，本专利技术实施例还提供了一种计算设备，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现第一方面本专利技术实施例提供的用于线型光纤水听器阵列的被动声呐测距方法。
[0045]第四方面，为实现上述专利技术目的，本专利技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于线型光纤水听器阵列的被动声呐测距方法，其特征在于，包括以下步骤：获取线型光纤水听器阵列实时接收的原始数据，依据原始数据进行一次波束成形，并依据一次波束成形结果搜索信号强度最大的第一方位角；获取线型光纤水听器阵列以速度做匀速直线运动一定时间后实时接收的原始数据，依据原始数据进行二次波束成形，并依据二次波束成形结果搜索信号强度最大的第二方位角；依据第一方位角、第二方位角、速度以及运行时间计算目标距离。2.根据权利要求1所述的用于线型光纤水听器阵列的被动声呐测距方法，其特征在于，依据原始数据进行波束成形，包括：对原始数据进行快速傅里叶变换，得到快速傅里叶变换复数输出；指定波束形成搜索角度范围和总波束数，根据阵元间距计算搜索角度范围内每个波束中各个阵元相对第一个阵元的波达时间差；根据各波束的波达时间差计算快速傅里叶变换复数输出的相位移动；对所有通道的快速傅里叶变换复数输出按照频率做相位移动求和，求和结果的模作为各波束的信号强度；根据需求宽带，累加对应频率的信号强度得到各波束总宽带下的信号强度，以信号强度最大的角度作为波达方位角。3.根据权利要求2所述的用于线型光纤水听器阵列的被动声呐测距方法，其特征在于，采用以下公式根据阵元间距计算每个波束中各个阵元相对第一个阵元的波达时间差dT
m
：其中，A
n
为第n个波束的波达方向，d1和d
m
分别表示第1个和第m个阵元相对于原点的距离，C表示声速度。4.根据权利要求2所述的用于线型光纤水听器阵列的被动声呐测距方法，其特征在于，各波束的信号强度通过以下公式计算：其中，f为频率，i为通道索引，m为通道总数，dT
i
为第i个通道的波达时间差，C
f,i
为第i个通道的快速傅里叶变换复数输出，R
n,f
为波束n的信号强度。5.根据权利要求1所述的用于线型光纤水听器阵列的被动声呐测距方法，其特征在于，采用以下公式根据依据第一方位角az1、第二方位角az2、速度v以及运行时间t计算目标距离D
target
：...

【专利技术属性】
技术研发人员：费哲遥，杨磊，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：