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    重庆时时彩杀号技术: 一种波束域的声压差互相关谱分析水下目标速度估计方法.pdf

    关 键 词:
    一种 波束 声压 互相 谱分析 水下 目标 速度 估计 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201310624766.2

    申请日:

    2013.11.28

    公开号:

    CN104678384A

    公开日:

    2015.06.03

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01S 11/14申请日:20131128|||公开
    IPC分类号: G01S11/14 主分类号: G01S11/14
    申请人: 中国科学院声学研究所
    发明人: 王朋; 黄勇; 刘纪元
    地址: 100190北京市海淀区北四环西路21号
    优先权:
    专利代理机构: 北京法思腾知识产权代理有限公司11318 代理人: 杨小蓉; 杨青
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201310624766.2

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.01.25|||2015.07.01|||2015.06.03

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明涉及一种波束域的声压差互相关谱分析水下目标速度估计方法,用于在包括多个各向同性阵元的均匀分布的水平阵上实现对运动目标的速度估计,该方法包括:水平阵中的各个阵元分别采集声信号;对所采集的声信号进行波束形成处理,得到波束域信号;对波束域信号进行波束域声压差互相关处理,得到波束域关于时间间隔的互相关信号;对波束域的互相关信号的时间间隔参量进行频谱分析,获得波束域的速度估计结果。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种波束域的声压差互相关谱分析水下目标速度估计方法,用于在包括多个 各向同性阵元的均匀分布的水平阵上实现对运动目标的速度估计,该方法包括:
    步骤1)、所述水平阵中的各个阵元分别采集声信号;
    步骤2)、对步骤1)中所采集的声信号进行波束形成处理,得到波束域信号;
    步骤3)、对步骤2)得到的波束域信号进行波束域声压差互相关处理,得到波 束域关于时间间隔的互相关信号;
    步骤4)、对步骤3)所得到的波束域的互相关信号的时间间隔参量进行频谱分 析,获得波束域的速度估计结果。

    2.  根据权利要求1所述的波束域的声压差互相关谱分析水下目标速度估计方法, 其特征在于,所述步骤2)包括:
    步骤2-1)、采用如下公式对所采集的信号做波束形成处理:
    B ( r , θ ) = Σ l Σ h d l * O lh d h exp ( k lh r ) ]]>
    其中,q表示目标信号方位;r表示目标与参考阵元在t时刻的初始距离;l表示 阵元在水平阵中的行号,h表示阵元在水平阵中的列号,Olh表示声强信号幅度值; Δklh=kr,l-kr,h;dh表示第h号简正波对应的水平波数与波束形成结果;Δklh表示水 平波数值间差值;
    d l = Σ n = 1 N exp ( i ( n - 1 ) d ( k l cos ( θ t ) - k 0 cos ( θ ) ) ) ]]>
    其中θt表示t时刻目标的方位值,kl表示第l号简正波对应的水平波数值,k0表示 第一号简正波对应的波数值;
    步骤2-2)、当θ=θt且k0≈kr,l的情况下,波束形成获得最大输出值,从而对每个 距离r处取出最大波束输出的波束域信号。

    说明书

    说明书一种波束域的声压差互相关谱分析水下目标速度估计方法
    技术领域
    本发明涉及水下远程目标探测领域,特别涉及一种波束域的声压差互相关谱分 析水下目标速度估计方法。
    背景技术
    在水下目标探测领域,用于声源定位的匹配场处理方法、匹配模处理方法以及 基于波导不变量的声源定位方法受到最为广泛的关注。匹配场处理方法主要是利用 信号模型计算不同声源位置对应的接收声场,之后与实际海洋环境的接收声场进行 相关匹配来获得目标定位。但匹配场处理方法存在着海洋实际环境模型很难模拟, 容易造成定位失配情况,并且该方法计算量较大,难以实现。匹配模处理方法与匹 配场处理方法有着类似的问题。
    利用波导不变量进行目标定位受到了国内外学者的关注,是近年研究的另一热 点问题,该类方法相对于匹配场处理方法及匹配模处理方法的优点是对环境具有更 好的宽容性。采用此类方法进行目标定位时,对于目标的运动速度估计值有一定精 度的要求。在实际海洋环境当中,运动目标的速度往往是未知的,需要对运动目标 的速度进行估计,运动目标的速度估计精度会对目标定位的最终结果造成至关重要 的影响。
    发明内容
    本发明的目的在于克服现有技术中的运动目标速度估计方法精度不足的缺陷, 从而提供一种精度较高的运动目标速度估计方法。
    为了实现上述目的,本发明提供了一种波束域的声压差互相关谱分析水下目标 速度估计方法,用于在包括多个各向同性阵元的均匀分布的水平阵上实现对运动目 标的速度估计,该方法包括:
    步骤1)、所述水平阵中的各个阵元分别采集声信号;
    步骤2)、对步骤1)中所采集的声信号进行波束形成处理,得到波束域信号;
    步骤3)、对步骤2)得到的波束域信号进行波束域声压差互相关处理,得到波 束域关于时间间隔的互相关信号;
    步骤4)、对步骤3)所得到的波束域的互相关信号的时间间隔参量进行频谱分 析,获得波束域的速度估计结果。
    上述技术方案中,所述步骤2)包括:
    步骤2-1)、采用如下公式对所采集的信号做波束形成处理:
    B ( r , θ ) = Σ l Σ h d l * O lh d h exp ( k lh r ) ]]>
    其中,θ表示目标信号方位;r表示目标与参考阵元在t时刻的初始距离;l表示 阵元在水平阵中的行号,h表示阵元在水平阵中的列号,Olh表示声强信号幅度值; Δklh=kr,l-kr,h;dh表示第h号简正波对应的水平波数与波束形成结果;Δklh表示水 平波数值间差值;
    d l = Σ n = 1 N exp ( i ( n - 1 ) d ( k l cos ( θ t ) - k 0 cos ( θ ) ) ) ]]>
    其中θt表示t时刻目标的方位值,kl表示第l号简正波对应的水平波数值,k0表示 第一号简正波对应的波数值;
    步骤2-2)、当θ=θt且k0≈kr,l的情况下,波束形成获得最大输出值,从而对每个 距离r处取出最大波束输出的波束域信号。
    本发明的优点在于:
    本发明主要是针对运动声源辐射声场特点,利用简正波声场模型和互相关理论 对运动目标的速度估计进行了理论分析,并采用水平线阵对目标的速度进行有效的 估计,通过实际海试数据进行了算法性能分析,实验表明:本发明可以有效的进行 运动目标速度估计,并且对机会船的速度进行了有效的估计,水平线阵在低信噪比 情况下对目标速度仍然有更准确的估计效果。
    附图说明
    图1是本发明方法的流程图;
    图2(a)是运动目标与接收阵的第一种位置关系图;
    图2(b)是运动目标与接收阵的第二种位置关系图;
    图3(a)是系统仿真运动目标与接收阵在图2(a)所示位置关系下的速度估计 结果;
    图3(b)是系统仿真运动目标与接收阵在图2(b)所示位置关系下的速度估计 结果;
    图4是实验海区的基本参数图;
    图5是实验实测海洋声速剖面图;
    图6是实际海洋环境下GPS测定的速度估计图;
    图7是本发明方法在单阵元情况下进行实际运动目标速度估计图;
    图8是本发明方法在水平阵情况下进行实际运动目标速度估计图;
    图9是本发明方法对机会船速度估计图;
    图10是本发明方法对机会船距离估计图。
    具体实施方式
    现结合附图对本发明作进一步的描述。
    本发明的运动目标速度估计方法根据接收阵的不同,采用不同的估计方法,具 体包括单阵元和水平阵两种情况,下面分别予以说明。
    一、基于单阵元的运动目标速度估计
    所述单阵元是指接收阵中至少包括一个阵元,该阵元也被称为参考阵元。在做 运动目标速度估计时,需要采用该参考阵元所接收的声信号。
    下面就基于单阵元如何做运动目标速度估计的步骤描述如下:
    步骤101)、接收阵中的参考阵元在距离声源r处接收声信号;
    海洋波导环境中,假设在t时刻,声源与接收阵中的参考阵元间的距离为r,点 声源辐射声场在接收阵参考阵元处的声信号的解析表达式可表示为:
    p ( r ) = Σ m = 1 M A m e ik r , m r e - / 4 - - - ( 1 ) ]]>
    其中,
    A m = i 2 π k r , m r ψ m ( z ) ψ m ( z s ) - - - ( 2 ) ]]>
    zs表示信号源深度,z表示接收阵深度,kr,m表示声源与参考阵元距离为r时第 m号模态特征函数ψm所对应的模态特征值。
    步骤102)、一段时间后,接收阵中的参考阵元在距离声源r+Δr处再次接收声 信号;
    目标与参考阵元距离为r+Δr时的声信号的表达式如下:
    p ( r + Δr ) = Σ m = 1 M A m e ik r , m ( r + Δr ) e - / 4 - - - ( 3 ) ]]>
    步骤103)、计算步骤101)和步骤102)中所接收声信号的声压差与声强差;
    假设Δr<<r,距离r+Δr对应的模态特征值可近似地都用kr,m来表示。因此获得 距离r与r+Δr上的声压差可表示为:
    Δp ( R , Δr ) = p ( r ) - p ( r + Δr ) = Σ m = 1 M A m e - / 4 ( e ik r , m r - e ik r , m ( r + Δr ) ) = Σ m = 1 M A m e - / 4 ( e ik r , m ( R - Δr / 2 ) - e ik r , m ( R + Δr / 2 ) ) = 2 Σ m = 1 M A m e - / 4 e ik r , m R sin ( k r , m Δr / 2 ) = Σ m = 1 M B m e ik r , m R sin ( k r , m Δr / 2 ) - - - ( 4 ) ]]>
    式中R=r+Δr/2
    Bm=2Ame-iπ/4               (5)
    由公式(4)获得声强差表达式:
    ΔI ( R , Δr ) = | Δp ( r , Δr ) | 2 = | Σ m = 1 M B m e i k r , m R sin ( k r , m Δr / 2 ) | 2 = Σ m = 1 M Σ n = 1 M B m B n sin ( k r , m Δr / 2 ) sin ( k r , n Δr / 2 ) cos ( k m , n R ) = Σ m = 1 M Σ n = 1 M B m B n [ cos ( k m , n Δr / 2 ) - cos ( ( k r , m + k r , n ) Δr / 2 ) ] cos ( k m , n R ) - - - ( 6 ) ]]>
    式中kmn表示各波数值之间的差值,即公式表达示为kmn=kr,m-kr,n。
    由于公式(6)中的cos(km,nΔr/2)的波动周期比cos((kr,m+kr,n)Δr/2)的波动周期长, 所以由Δr所引起的声强差的干涉条纹变化主要表现为下述表达式:
    G difference ( R , Δr ) = Σ m = 1 M Σ n = 1 M B m B n cos ( ( k r , m + k r , n ) Δr / 2 ) cos ( k m , n R ) ≈ Σ m = 1 M Σ n = 1 M B m B n cos ( k m , n R ) cos ( k r ‾ Δr ) - - - ( 7 ) ]]>
    其中表示距离r上的主要波数值的平均值,根据波数值得平均值,可以重新获 得简正波波数值的表达式为通过仿真及实验数据分析 根据声强差的物理含义可重新表示声强差的计算表达式:
    ΔI(R,Δr)=IR-Δr+IR+Δr-p(R-Δr/2)p*(R+Δr/2)-p*(R-Δr/2)p(R+Δr/2)      (8)
    其中IR-Δr和IR+Δr分别表示距离R-Δr和R+Δr对应的声强信号,公式(8)是对 声强计算公式的重新表达式。
    步骤104)、对不同距离上声压信号产生的干涉条纹做互相关谱分析;
    距离差Δr对不同距离上的声压信号产生的干涉条纹影响可以简要的用互相关谱 表示:
    Ic(R,Δr)=real(p(R-Δr/2)p*(R+Δr/2))          (9)
    公式(9)与公式(7)有相同的关于Δr正弦变化周期及能量分布,所以通过公 式(9)可以去除IR-Δr和IR+Δr对分析Δr干涉条纹分布的干扰,得到关于变化因子 更为清晰的干涉条纹。
    步骤105)、对步骤104)得到的互相关谱信号进行运动目标分析,得到速度估 计值。
    对不同距离下声信号互相关谱信号进行运动目标分析,目标与接收阵参考阵元 之间的距离是随时间变化的,假设运动速度为vs(t),在t时刻接收阵与信号源距离为 R,该时刻产生的距离变化可以表示为:
    Δr(t)=vs(t)Δt                  (10)
    这样可以将该距离变化量表达式到入到公式(7)中,得到:
    G difference ( R , Δr ) ≈ Σ m = 1 M Σ n = 1 M B m B n cos ( k m , n R ) cos ( k r ‾ v s ( t ) Δt ) - - - ( 11 ) ]]>
    结合声压互相关谱分析公式(9)可以将公式(11)简化表示为:
    I c ( f ; t , Δr ) = I c ( R , Δr ) ∝ cos ( k r ( f ) ‾ v s ( t ) Δt ) - - - ( 12 ) ]]>
    式中表达式Ic(f;t,Δr)表示声压互相关函数是时间t的函数在频率f上获得的互相 关函数。公式(12)表明从该互相关函数可以获得速度信息,在时, 互相关函数获得极大值,所以在极大值处得到速度值为对上述声压互 谱信号进行频谱分析即可得到运动目标的速度值。式中表示相速 度的平均值。
    二、基于水平阵的运动目标速度估计
    所述水平阵是指接收阵由N个各向同性阵元组成的均匀分布的水平线阵,阵元 间隔为d,目标信号方位为θ。在做运动目标速度估计时,所述水平阵中的各个阵元 均接收相应的声信号,根据这些声信号可实现对运动目标的速度估计。
    参考图1,该方法的相关步骤如下:
    步骤201)、水平阵中的各个阵元采集声信号;
    所述水平阵中第n个阵元接收到声信号的解析式可表示为:
    p n ( r n ) = Σ m = 1 M 2 π k r , m r n C m e - e ik r , m r n - - - ( 13 ) ]]>
    其中,
    Cm=iψm(z)ψm(zs)              (14)
    rn≈r+(n-1)dcos(θ)            (15)
    其中r表示目标与参考阵元(指水平阵中的第一个阵元)在t时刻的初始距离。
    由于阵元间距较小,即d<<r0,所以可以对公式(13)进行简化,得到:
    p n ( r n ) ≈ Σ m = 1 M 2 π k r , m r C m exp ( - / 4 ) exp ( ik r , m ( r + ( n - 1 ) d cos ( θ ) ) ) = Σ m = 1 M { 2 π k r , m r C m exp ( - / 4 ) exp ( ik r , m r ) } ( ik r , m ( n - 1 ) d cos ( θ ) ) - - - ( 16 ) ]]>
    步骤202)、采用波束形成算法对步骤201)所采集的声信号进行处理,得到波 束域信号;
    本步骤中所采用的波束形成算法可以采用常规波束形成算法,也可以采用 MVDR、MUSIC等高分辨波束形成算法。对于本文声信号为简正波信号模型,模态 之间的相互影响对基于平面波的波束形成方法的方位估计带来一定的误差,但对于 速度估计影响可忽略不计,本文不做详细说明。本文的仿真算法及实验验证均采用 CBF波束形成,波束形成表达式表示为:
    Beam(r)=|P·D|2              (17)
    其中,
    Beam(r)=[beam(r,θe1),beam(r,θe2),...,beam(r,θeQ)]        (18)
    P=[p1(r1),p2(r2),...,pN(rN)]              (19)
    D = 1 1 , . . . , 1 e - i k 0 d cos ( θ e 1 ) e - i k 0 d cos ( θ e 2 ) , . . . , e - i k 0 d cos ( θ eQ ) . . . . , . . . , . . e - i k 0 ( n - 1 ) d cos ( θ e 1 ) e - i k 0 ( n - 1 ) d cos ( θ e 2 ) , . . . , e - i k 0 ( n - 1 ) d cos ( θ eQ ) - - - ( 20 ) ]]>
    其中Q表示波束形成的波束数。对于传统的波束形成方法,k0=ω/c0,c0表示 声速,根据公式(17)-公式(20)可获得传统波束形成计算法表达式为:
    B ( r , θ ) = Σ l Σ h d l * O lh d h exp ( k lh r ) - - - ( 21 ) ]]>
    其中Olh表示声强信号幅度值,Δklh表示水平波数值间差值,Δklh=kr,l-kr,h。
    d l = Σ n = 1 N exp ( i ( n - 1 ) d ( k l cos ( θ t ) - k 0 cos ( θ ) ) ) - - - ( 22 ) ]]>
    其中θt表示t时刻目标的方位值,kl表示第l号简正波对应的水平波数值,k0表示 第一号简正波对应的波数值。采用传统的波束形成算法,波束形成过程中受到各模 态特征值的影响,如公式(22)所示,当θ=θt且k0≈kr,l的情况下,波束形成获得最 大输出值。通过波束形成,对每个距离r处取出最大波束输出的波束域信号,即:
    BeamS ( r ) = Max 1 q Q ( Beam ( r ) ) - - - ( 23 ) ]]>
    步骤203)、对波束域输出的信号进行波束域声压差互相关处理,得到波束域关 于时间间隔的互相关信号;
    步骤204)、对波束域的互相关信号的时间间隔参量进行频谱分析,获得波束域 的速度估计结果。
    以上是对基于水平阵的运动目标速度估计方法的步骤描述,与基于单阵元的运 动目标速度估计方法相比,该方法可以提高信噪比,因此在低信噪比情况下可以优 先采用该方法估计运动目标的速度。
    实施例:本发明可应用在远程水下目标探测技术中。
    计算机仿真实例:
    在一个数值仿真的海洋波导环境中,海水深度为200米,海水中的声传播速度 为cw=1500m/s,海洋声速剖面假设为均匀声速,海底半无限空间沉积层声速为 cb=1598m/s,海水密度为ρw=1024kg/m3,海底密度为ρb=1760kg/m3,海底衰减系 数为αb=0.2dB/λ,目标声源在水下zs=40m处,目标做匀速直线运动且运动速度为 v0=2.5m/s,接收阵为水平均匀线阵,阵元数为8个,阵元间距为1m,接收阵与目 标位于同一海洋深度,目标与接收阵参考阵元之间的初始距离为1000m。目标的运 动方向与接收阵之间的关系分成图2(a)和图2(b)中所示的两种情况:目标的运 动方向与接收阵在同一直线上、目标的运动方向与接收阵不在同一直线上,无论是 何种情况,均可采用本发明的方法估计目标的运动速度。
    处理仿真水平阵第一阵元接收的数据,取信号频率为50Hz,单频信号的情况下 进行运动目标的速度估计。通过公式(9)获得不同距离上声压互相关信号。该信号 是(t,Δt)平面的函数,得到的互相关信号结果如图4所示。通过对该互相关信号中Δt 参量进行傅里叶变换得到互相关信号的频域形式,对频域形式信号按公式(12)进 行分析,可以得到速度估计的历程图如图3(a)和图3(b)(图3(a)和图3(b) 中的速度估计基于假设所示,这两个图中给出了图2(a)和图2(b)所示 两种位置情况下的速度估计结果,证明了对前述图2(a)和图2(b)中的两种情况, 本申请的方法均可实现速度估计。但由于两种情况下的运动方式不同,用于反映信 号源与接收阵之间的相对运动的速度估计值会有一定的差异。例如,对于过最近点 的第二种情况(即图3(b)),开始时接近最近点,因此相对速度先会减小,之后离 开最近点,相对速度开始变大,当到达一个相对较远的位置后,速度值将接近目标 的自身速度。
    实际海洋实验数据处理实例:
    实验海区为平缓海底,平均海深为93m,接收阵为非均匀的水平离散阵,阵分 成两段,两段水平阵各有45阵元和36阵元,阵元间距从3m到10m不等,各阵元 位置经过精确定位。目标与接收阵之间的距离为6845m。实验海区的海洋环境基本 参数如图4所示。图5为实际测量得到的试验海区的声速剖面。目标持续发射两个 单频信号,两个单频信号的频率分别为690Hz和710Hz。
    本次实验通过GPS对目标信号进行了速度跟踪估计,其估计结果如图6所示, GPS跟踪的速度值为0.31m/s。对第五个阵元进行时频分析??梢郧逦目闯隽礁瞿?标信号的频率为690Hz和710Hz,通过带通滤波器获得690Hz的单频信号,对690Hz 单频信号进行声压互相关方法的速度估计。单阵元声压差互相关信号及估计结果如 图7所示,与图6GPS记录的目标实际速度值进行比对,采用本文方法进行单阵元 速度估计结果误差率为:采用水平阵进行速度估 计时,同样处理690Hz单频信号的数据,首先进行690Hz的单频信号波束形成处理, 本文采用CBF波束形成器进行波束形成,对于离散阵情况扫描360度方位,波束形 成结果可知目标大约位于228.0度,取出该方向的波束域信号,对该信号进行声压差 互相关方法处理并进行速度估计,得到速度估计结果如图8所示。水平阵的估计结 果与GPS实测的目标速度进行对比,水平阵的估计误差率为: 相对于单阵元估计误差,水平阵的估计结果更为 准确,对后续声呐测距及运动目标分析可以提供更为准确的速度估计值。
    在海试实验过程中,有一艘未知的大船经过,对大船经过时刻接收到的信号进 行时频分析处理,大船进过产生了连续的线谱,通过分析频谱大船线谱主要集中在 低频30Hz到70Hz之间和200Hz附近。通过采用线谱跟踪方法对多普勒频移进行分 析,可获得大船速度大概为14m/s。通过分析频谱强度,滤波出61Hz的线谱,该线 谱具有较高的信噪比,采用本文提出的速度估计算法进行运动目标的速度估计,速 度估计结果如图9所示。图9表示速度历程估计结果,速度估计历程图显示在200s 时刻接近0m/s,表示大船与接收船距离在该时刻最近,即过顶时刻,通过对线谱过 顶时刻多普勒频率变化分析,可以获得大船速度约为14m/s。采用本文估计结果与该 估计结果一样约为14m/s。根据过顶时刻的时间及估计的速度值可对运动目标的距离 进行估计。根据速度估计公式: v ( t ) = δr δt ( t ) = | 1 δt r 0 2 + ( t - t 0 ) 2 v 0 2 - 1 δt r 0 2 + ( t - t 0 - δt ) 2 v 0 2 | ]]>对 过最近点时目标与参考阵元的距离r0进行估计,本文采用最小二乘估计准则的估计结 果为r0=867m,过顶时间t0=192s,所以根据公式进行目标距离估 计,距离估计结果如图10所示。
    最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管 参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均 应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

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