一种基于互相关的水声脉冲信号双阵元定位的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于互相关的水声脉冲信号双阵元定位的方法：步骤10）对水声脉冲信号的频率进行具有自适应径向高斯核函数的时频分布估计，包括如下的步骤：步骤101）确定二维频偏—时滞域上的模糊函数；步骤102）设置离散频偏的总点数和离散时滞的总点数，步骤103）将直角坐标系下的模糊函数转化为极坐标系下的模糊函数：步骤14）确定接收信号的中心频率以及相应的瞬时时间；步骤20）对双阵元接收的水声脉冲信号实施定位，包括步骤201）确定声源的搜索范围；步骤202）确定相应的拷贝信道脉冲响应；步骤203）对目标实施匹配场定位。该方法利用两个垂直接收水听器对发射信号未知的水声脉冲信号实现精确定位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及针对水声信号处理
的水下目标定位方法，具体来说，涉及一种基于互相关的水声脉冲信号双阵兀定位的方法。
技术介绍
水声定位技术在水声技术中扮演着极其重要的角色，是水声技术中的一个重要且基本的问题，同时也是国民经济建设和国防建设的关键技术。在水声定位技术中，被动定位技术一直是水声技术中的重要研究方向。现阶段对于水下被动定位技术目前多围绕舰船辐射噪声而展开工作，很少有针对各种水声脉冲信号在发射信号未知方式下的被动定位。对于水声脉冲信号而言，其信号形式不同于舰船辐射的噪声，它是由人工所产生的，有比较规则的信号形式，同时在时间上具有不连续性、瞬时性，在带宽上具有窄带特性，不能通过长时间的积分来获得时间增益，这就造成了对于水声脉冲信号的被动定位需要寻求与传统的舰船辐射噪声所不同的方式和手段。考虑到水声环境的复杂性，为了能够更准确地对水下目标实施定位，需要从声传播的角度出发，借助匹配场定位技术来确定目标声源的位置。传统意义上的匹配场定位技术，一般多采用阵列的处理方式，具有大的孔径，以获得良好的阵增益和分辨性能。但是采用多阵元的大阵列，一方面增加了系统的开销，给基阵的设计带来不便；另一方面，在实际海水中布放时会受到诸如阵倾斜以及阵元失效等问题，增加了对水下目标定位的难度。因此，研究采用较少的阵元个数来对水下目标进行定位一直被研究人员所关注，相应的也取得了一些突破和进展。使用较少的阵元个数进行目标位置估计的一个难点在于空间信息的缺乏。多数研究人员借助宽带信号的多频点特性，从假设发射信号为已知的情形出发，采用“频点换孔径”的思想来对目标信号实施定位。但在被动定位技术中，由于所获得的发射信号的先验信息有限，往往需要在发射信号未知的情形下进行。由于信号的波形、频率等信息未知，从而进一步增加了定位的难度。另外，传统匹配场处理技术当阵元个数变少时，其定位结果输出的模糊表面旁瓣较高，无法对目标进行精确定位，也成为了困扰此项技术的一个瓶颈。因此，在对发射信号未知的水声脉冲信号进行定位之前，首先需要获得接收信号的相关参数。对于发射信号未知的水声脉冲信号而言，准确获知目标信号的频率至关重要，这也是后续定位工作的前提。由于目标信号的频率未知，若直接采用傅里叶变换的方法在全频率段内进行频率搜索，则计算量较大，且受工作频段的限制，存在频点遗漏的情形，会造成频率估计的偏差较大。另外的一些参数估计技术，如短时傅里叶变换、魏格纳-威利分布等，从时频二维域角度出发，因考虑了水声脉冲信号短时瞬态的非平稳特性，往往具有不错的估计效果。但是这些传统的时频分析方法都是基于固定核函数的时频分析方法，只适应于某种特定的信号，存在时频分辨力低和交叉项干扰等问题，尤其是在低信噪比条件下，会直接影响到参数估计的效果。针对传统时频分析方法的不足，已有学者提出了一些相关的方法，如采用对核函数进行优化设计的时频分析方法，其核函数的形状能够根据所分析的信号自适应的变化，可提高对于非平稳信号参数估计的性能。但是针对发射信号未知情形下的匹配场定位问题却为数不多。虽然目前已有对此问题的研究报道，但是仍对信号的频率参数做出了已知的假设，在具体求解时，仍需要获知前向声场计算所需的频率。
技术实现思路
技术 问题:本专利技术所要解决的技术问题是:提供，该方法能够实现利用两个垂直接收水听器对发射信号未知的水声脉冲信号的精确定位。技术方案:为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是:，该方法包括以下步骤:步骤10)双阵元水听器接收水声脉冲信号，然后对该水声脉冲信号的频率进行具有自适应径向高斯核函数的时频分布估计，包括如下的步骤:步骤101)对双阵元水听器接收到的水声脉冲信号，根据式(I)确定相应的二维频偏-时滞域上的模糊函数Ad (m, n)；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于互相关的水声脉冲信号双阵元定位的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤10）双阵元水听器接收水声脉冲信号，然后对该水声脉冲信号的频率进行具有自适应径向高斯核函数的时频分布估计，包括如下的步骤：步骤101）对双阵元水听器接收到的水声脉冲信号，根据式（1）确定相应的二维频偏—时滞域上的模糊函数Ad(m,n)；Ad(m,n)=TsΣk=0N-1yj*(kTs-nTs)yj(kTs+nTs)ei2πmk/N式（1）其中，N表示接收信号的点长；m表示直角坐标系下的离散化的频偏索引；n表示直角坐标系下的离散化的时滞索引；TS表示采样时间间隔；yj表示双阵元水听器所接收到的水声脉冲信号，j=1和2；表示yj的共轭；i表示虚数单位，步骤102）首先设置离散频偏的总点数P和离散时滞的总点数Q，其中，Q=N；然后从r=0至产生P个离散化的极径，从ψ=0至π产生Q个离散化的径向角，r表示极径，ψ表示径向角；步骤103）以离散化的时滞和离散化的频偏采用二维插值的方法，通过式（2）的坐标转化公式，将直角坐标系下的模糊函数Ad(m,n)转化为极坐标系下的模糊函数Au(p,q)：X=r·cos(ψ)Y=r·sin(ψ)????式（2）其中，p表示极坐标系下的离散化频偏索引，q表示极坐标系下的离散化时滞索引，X表示转换后的频偏坐标，Y表示转换后的时滞坐标；步骤104）采用迭代算法测算最优扩展函数σ，获得接收信号的时频分布，确定出接收信号的中心频率以及相应的瞬时时间；步骤20）对双阵元水听器接收的水声脉冲信号实施定位，包括如下的步骤：步骤201）确定声源的搜索范围：在观测范围内，对观测范围进行网格点划分，获得网 格区域(R，Z)，其中，R表示搜索网格区域上的距离范围，Z表示搜索网格区域上的深度范围；步骤202）对步骤201）所划分的网格区域(R,Z)，使用bellhop声场传播模型，将海洋环境参数和步骤1046）得到的中心频率，作为声场传播模型的输入值，通过声场传播模型测算，得到各网格区域上的声源在每个水听器上各声线的传播时间以及相应的幅度从而产生相应的拷贝信道脉冲响应如式（16）所示，h^j(u)=Σi=1la^iδ(u-τ^i)式（16）其中，u表示离散时间序列索引，u=0、1、…、M?1，j表示接收机，j＝1和2，1为在某网格点处，声源传播到达接收机j的多途数；表示u在处的单位冲击函数；步骤203）根据声场传播模型测算出的信道脉冲响应和双阵元水听器上的接收信号，对目标实施匹配场定位。FDA00002693068300012.jpg,FDA00002693068300013.jpg,FDA00002693068300014.jpg,FDA00002693068300015.jpg,FDA00002693068300016.jpg,FDA00002693068300017.jpg,FDA00002693068300021.jpg,FDA00002693068300022.jpg,FDA00002693068300023.jpg,FDA00002693068300025.jpg,FDA00002693068300026.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种基于互相关的水声脉冲信号双阵兀定位的方法，其特征在于:该方法包括以下步骤: 步骤10)双阵元水听器接收水声脉冲信号，然后对该水声脉冲信号的频率进行具有自适应径向高斯核函数的时频分布估计，包括如下的步骤: 步骤101)对双阵元水听器接收到的水声脉冲信号，根据式(I)确定相应的二维频偏一时滞域上的模糊函数Ad (m, n)；2.按照权利要求1所述的基于互相关的水声脉冲信号双阵元定位的方法，其特征在于，所述的步骤104)包括以下步骤: 步骤1041)设置常量参数及初值:收敛因子e、最大迭代次数\、初始步长U (O)、初始扩展向量 O (0)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李焜，方世良，安良，罗昕炜，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：