一種基於矢量陣的寬帶運動目標多參數聯合估計方法

2024-04-12 13:25:05 2

1.本發明屬於水下聲矢量信號處理技術領域，具體涉及一種基於矢量陣的寬帶運動目標多參數聯合估計方法。


背景技術：

2.目標的參數估計問題是水下目標探測的重要研究方向。相比於主動探測，被動探測具有更好的隱蔽性。在深海環境中，包含多種聲傳播信道，其中可靠聲路徑具有傳播距離遠、信道穩定以及環境噪聲級低等優勢。單矢量水聽器相比於傳統的聲壓水聽器，能夠同時獲得聲壓和振速信息，對各向同性噪聲具有一定的抑制作用；基於矢量水聽器的聲矢量陣列將矢量傳感器的空間方位分辨能力和抑制噪聲的能力進一步同陣列空間分辨能力有機的結合起來，極大的擴展了信號處理空間，相比於單一聲壓陣具有更好的方位估計和噪聲抑制能力。
3.文獻1(「performance metrics for depth-based signal separation using deep vertical line arrays」,the journal of the acoustical society of america 139,418-425(2016))提出了利用布放在臨界深度附近的垂直陣接收來自海面附近目標通過可靠聲路徑傳播的聲場信息。通過對接收到的窄帶聲壓信號波束輸出得到的能量和垂直到達角之間的周期性幹涉結構特徵實現對目標深度的估計。該方法忽略了聲速的水中變化，未考慮噪聲對該方法產生的影響。
4.文獻2(「source localization by matching sound intensity with a vertical array in the deep ocean」,the journal of the acoustical society of america 146,el477-el481(2019))提出了一種在可靠聲路徑下利用非同步垂直陣實現寬帶聲源定位方法，通過拷貝聲強矩陣以及構建一個代價函數實現對目標位置的定位。這種方法需要較為精確的海洋環境參數以實現較為準確的模型構建，對先驗信息的要求較高。
5.矢量水聽器能夠同時接收聲場中的聲壓和振速分量，相比於標量水聽器能夠獲取多維聲場信息。在深海環境下，目標位於近海面附近處激發的聲波可通過直達波區或可靠聲路徑傳播到海底，並且具有傳播損失小、傳播特徵穩定等特點。
6.文獻3(「passive broadband source depth estimation in the deep ocean using a single vector sensor」,the journal of the acoustical society of america 148,el88-el92(2020))提出了一種利用寬帶聲場的頻率和掠射角之間的幹涉結構實現對深海直達聲區目標深度估計的方法。該方法在先驗信息較少的情況下能夠實現目標深度的估計，但是僅考慮等聲速條件下聲線的傳播，未能考慮由於聲速影響下聲線的彎曲。
7.文獻4(「analysis on the characteristic of cross-correlated field and its potential application on source localization in deep water」.j.comput.acoust.2017,25(2).)提出了一種寬帶目標運動速度估計方法。該方法利用單水聽器接收到的聲壓信號，通過聲壓的空間互相關構建了聲壓徑向速度幹涉結構，基於該
結構通過傅立葉變換實現對目標運動速度的估計。該方法未考慮噪聲對聲壓徑向速度幹涉條紋結構和速度估計結果的影響。


技術實現要素：

8.本發明的目的在於提供一種基於矢量陣的寬帶運動目標多參數聯合估計方法。
9.一種基於矢量陣的寬帶運動目標多參數聯合估計方法，包括以下步驟：
10.步驟1：利用布放在臨界深度附近的矢量垂直陣接收通過可靠聲路徑傳播的近海面寬帶目標的含噪聲壓信號、水平振速信號和垂直振速信號；
11.步驟2：對接收到的寬帶聲壓信號和寬帶振速信號進行子帶分解，劃分為一定數量的窄帶信號；
12.步驟3：將劃分後的窄帶聲壓信號和振速信號分別進行聲壓振速聯合波束形成，得到每個窄帶信號對應的聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構雲圖；
13.步驟4：根據每個窄帶信號對應的聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構雲圖進行結構提取，得到聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構；
14.步驟5：根據每個窄帶信號對應的聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構雲圖進行結構提取，得到目標垂直到達角曲線；
15.步驟6：聯合聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構和目標垂直到達角曲線，根據幹涉結構自身所包含的特點實現對目標深度參數的估計；
16.步驟7：對任意一個矢量水聽器接收到的聲壓信號和振速信號作互相關，得到聲壓振速互相關速度幹涉條紋；
17.步驟8：對聲壓振速聯合速度幹涉條紋沿頻率方向進行類傅立葉變換，將幹涉條紋從時間-頻率域變換到時間-速度域實現目標速度的估計。
18.進一步地，步驟3具體為：
19.對於一個矢量垂直陣接收的聲壓振速信號可分別表示為：
20.x(t)＝a(θs)s(t)+noise
x
(t)
21.x
vx
(t)＝x(t)cosθs＝a(θs)s(t)cosθs+noise
vr
(t)
22.x
vy
(t)＝x(t)sinθs＝a(θs)s(t)sinθs+noise
vz
(t)
[0023][0024]
其中，θs表示目標垂直到達角；s(t)表示目標信號；noise(t)表示各通道接收的噪聲；
[0025]
將矢量垂直陣接收到的水平振速和垂直振速通道進行組合，得到新的組合振速信號：
[0026]
vc(t)＝x
vx
(t)cosθ+x
vy
(t)sinθ＝a(θs)s(t)cos(θ-θs)
[0027]
將聲壓信號和組合振速信號相加，得到如下組合量：
[0028]
x(t)+vc(t)＝a(θs)s(t)(1+cos(θ-θs))
[0029]
聲壓振速聯合處理的(x+vc)vc矢量波束形成波束輸出功率為：
[0030]
[0031]
其中，p
cbf
(θ)為標量聲壓陣的常規波束形成波束輸出功率；
[0032][0033]
根據虛源理論，空間中某一點接收的聲壓振速信號可表示為：
[0034][0035]
vr(t,z,ω)＝p(t,z,ω)
·
cosθs(t)
[0036]
vz(t,z,ω)＝p(t,z,ω)
·
sinθs(t)
[0037][0038][0039][0040]
對於給出的(p+vc)vc組合矢量波束輸出，其幹涉結構可表示為：
[0041][0042]
b(ω,sinθs(t))＝2|s(ω)|2a2(1-cos(2kzssinθs(t)))。
[0043]
進一步地，步驟6具體為：
[0044]
聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構和垂直到達角之間在結構上存在明顯的聯繫，幹涉結構零點的周期性表示為：
[0045]
2kzsδsinθ
s-zero
(t)＝2π
[0046]
目標深度參數和幹涉周期零點之間的關係表示為：
[0047][0048]
其中，c為參考聲速；f為目標聲源頻率，其幹涉周期零點差δsinθ
s-zero
(t)由聲壓振速空間周期幹涉調製結構和目標垂直到達角曲線聯合後給出。
[0049]
進一步地，步驟7具體為：
[0050]
聲壓信號和振速信號作互相關得到
[0051][0052]
取實部，得到：
[0053][0054]
δr(t)＝r0(t+δt)-r0(t)
[0055]
徑向速度和徑向距離之間的關係表示為：
[0056]
δr(t)＝v(t)δt
[0057]
若聲壓振速互相關速度幹涉條紋振蕩周期振蕩項滿足關係kδr(t)＝2π，徑向速度的估計值表示為：
[0058][0059]
進一步地，步驟8具體為：
[0060]
聲壓振速互相關速度幹涉條紋沿頻率傅立葉變換函數具體表示為：
[0061][0062]
其中，k為波數，p表示積分點數，δf(p)＝f(p)-f(p-1)。
[0063]
本發明的有益效果在於：
[0064]
本發明利用矢量垂直陣實現對目標激發聲場幹涉結構和目標垂直到達角的獲取，不需要對海洋環境參數的精確獲取；將矢量水聽器技術和陣列信號處理技術相結合，與傳統聲壓陣相比較，擴展了信號處理空間，具有更好的抑制各向同性噪聲的能力；相比於單矢量水聽器，矢量陣列更充分利用了聲場信息，在空間增益和探測距離方面均有極大的優勢。本發明適用於水下目標的遠程預警和目標探測等領域。
附圖說明
[0065]
圖1為本發明的流程圖。
[0066]
圖2為矢量垂直陣和目標空間位置的示意圖。
[0067]
圖3為目標運動狀態的示意圖
[0068]
圖4為聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構和垂直到達角曲線圖。
[0069]
圖5為聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構-垂直到達角聯合圖。
[0070]
圖6為聲壓振速互相關速度幹涉條紋圖。
[0071]
圖7為徑向速度估計對比圖。
[0072]
圖8為聲壓陣和矢量垂直陣輸出幹涉結構對比圖。
[0073]
圖9為聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構深度估計表。
具體實施方式
[0074]
下面結合附圖對本發明做進一步描述。
[0075]
本發明的目的是採用矢量水聽器組成的陣列接收目標激發聲場信息，通過波束形成方法將接收聲場中的直達波和海面反射波之間的幹涉結構特徵反映到時空域中，並且基於幹涉結構特徵和目標深度之間的關係實現對目標深度參數的估計。考慮到目標信號為寬帶信號，該方法針對接收到的寬帶信號進行了相應的處理方法以和上述深度估計方法相匹配。由於寬帶接收信號具有更加包含更加豐富的目標參數，因此利用聲壓振速信號構建了聲壓振速互相關速度幹涉條紋，基於該條紋的物理結構特點實現對目標速度參數的估計。上述方法均考慮一定噪聲的影響，在工程上具有較好的實際應用前景。
[0076]
步驟一：矢量垂直陣布放在深海波導環境下臨界深度附近，接收通過可靠聲路徑傳播的近海面寬帶目標含噪聲壓信號p(r,ω,t)、水平振速信號vr(r,ω,t)和垂直振速信號vz(r,ω,t)。
[0077]
步驟二：對接收到的寬帶聲壓信號和寬帶振速信號進行子帶分解，劃分為一定數量的窄帶信號；
[0078]
s(t)為寬帶信號，將其由時域轉換到頻域，即s(f)。將s(f)劃分為l個窄帶信號子帶，第l個窄帶信號子帶的中心頻率為f
l
。
[0079]
步驟三：將劃分後的窄帶聲壓信號和振速信號分別進行聲壓振速聯合波束形成，得到每個窄帶信號對應的聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構雲圖；
[0080]
對於一個矢量垂直陣接收的聲壓振速信號可分別表示為：
[0081]
x(t)＝a(θs)s(t)+noise
x
(t)
[0082]
x
vx
(t)＝x(t)cosθs＝a(θs)s(t)cosθs+noise
vr
(t)
[0083]
x
vy
(t)＝x(t)sinθs＝a(θs)s(t)sinθs+noise
vz
(t)
[0084][0085]
其中，θs表示目標垂直到達角，s(t)表示目標信號，noise(t)表示各通道接收的噪聲。
[0086]
為便於分析，以下分析忽略噪聲項。將矢量垂直陣接收到的水平振速和垂直振速通道進行組合，得到新的組合振速信號：
[0087]
vc(t)＝x
vx
(t)cosθ+x
vy
(t)sinθ＝a(θs)s(t)cos(θ-θs)
[0088]
將聲壓信號和組合振速信號相加，可以得到如下組合量：
[0089]
x(t)+vc(t)＝a(θs)s(t)(1+cos(θ-θs))
[0090]
聲壓振速聯合處理的(x+vc)vc矢量波束形成波束輸出功率為：
[0091][0092]
其中，p
cbf
(θ)為標量聲壓陣的常規波束形成波束輸出功率:
[0093][0094]
根據虛源理論，空間中某一點接收的聲壓振速信號可表示為：
[0095][0096]
vr(t,z,ω)＝p(t,z,ω)
·
cosθs(t)
[0097]
vz(t,z,ω)＝p(t,z,ω)
·
sinθs(t)
[0098][0099][0100][0101]
對於給出的(p+vc)vc組合矢量波束輸出，其幹涉結構可表示為：
[0102][0103]
b(ω,sinθs(t))＝2|s(ω)|2a2(1-cos(2kzssinθs(t)))
[0104]
步驟四：根據每個窄帶信號對應的聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構雲圖進行結構提取，得到聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構；
[0105]
步驟五：根據每個窄帶信號對應的聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構雲圖進行結構提取，得到目標垂直到達角曲線；
[0106]
步驟六：聯合聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構和目標垂直到達角曲線，根據幹涉結構自身所包含的特點實現對目標深度參數的估計；
[0107]
聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構和垂直到達角之間在結構上存在明顯的聯繫，幹涉結構零點的周期性可以表示為
[0108]
2kzsδsinθ
s-z
(t)＝2π
[0109]
目標深度參數和幹涉周期零點之間的關係可表示為
[0110][0111]
其中，c為參考聲速，f為目標聲源頻率，其幹涉周期零點差δsinθ
s-zero
(t)可由聲壓振速空間周期幹涉調製結構和目標垂直到達角曲線聯合後給出。
[0112]
步驟七：對任意一個矢量水聽器接收到的聲壓信號和振速信號作互相關，得到聲壓振速互相關速度幹涉條紋；
[0113]
由步驟三中的聲壓信號和振速信號表達式，忽略時間因子可得t時刻對應的聲壓和t+δt時刻對應的水平振速
[0114][0115][0116]
若δt較小，則有
[0117]
sin(kzssinθs(t))≈sin(kzssinθs(t+δt))
[0118]
聲壓振速互相關得：
[0119][0120]
取實部，可得
[0121][0122]
δr(t)＝r0(t+δt)-r0(t)
[0123]
徑向速度和徑向距離之間的關係可表示為
[0124]
δr(t)＝v(t)δt
[0125]
若聲壓振速互相關速度幹涉條紋振蕩周期振蕩項滿足關係kδr(t)＝2π，徑向速度的估計值可表示為
[0126][0127]
步驟八：對聲壓振速聯合速度幹涉條紋沿頻率方向進行類傅立葉變換，將幹涉條紋從時間-頻率域變換到時間-速度域實現目標速度的估計。
[0128]
聲壓振速互相關速度幹涉條紋沿頻率傅立葉變換函數具體表示為：
[0129][0130]
其中，k為波數，p表示積分點數，對於δf有以下關係
[0131]
δf(p)＝f(p)-f(p-1)
[0132]
本發明實現了運動目標的深度參數估計和運動速度參數的聯合估計。通過矢量垂
直陣接收的含噪聲目標寬帶聲壓、振速信號進行子帶劃分以構建包含目標參數信息的聲場幹涉結構；通過矢量波束形成將幹涉結構反映到時空域上，對幹涉結構和垂直到達角進行提取；聯合幹涉結構和垂直到達角，根據幹涉結構的零點周期性特點實現對目標深度的估計；對矢量水聽器接收到的聲壓振速信號做互相關，構建聲壓振速互相關速度幹涉條紋，根據條紋包含物理量的特點對速度參數進行解算。下面通過仿真實驗對本發明做進一步描述。
[0133]
參數設置如下：矢量垂直陣第一個陣元深度為4600m，頻帶分布為50～100hz的目標信號從遠場通過可靠聲路徑傳播到矢量垂直陣，目標深度為100m，信號採樣頻率為1khz，總採樣時間為600s，在50hz～150hz頻帶內添加信噪比為0db的高斯白噪聲。此外，還給出了添加信噪比為-10db高斯白噪聲時矢量陣和聲壓陣的輸出波束幹涉結構的對比結果。
[0134]
通過上述仿真實例可以看出，本發明能夠在較低信噪比下實現聲場幹涉結構和垂直到達角的獲取，聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構和垂直到達角曲線如圖4所示，聲壓振速聯合輸出波束幹涉結構-垂直到達角聯合如圖5所示，目標深度估計結果如圖9所示，聲壓振速互相關速度幹涉條紋如圖6所示，徑向速度估計結果如圖7所示，聲壓陣和矢量垂直陣輸出幹涉結構對比如圖8所示。通過仿真實驗表明，本發明的方法能夠較好的實現對目標深度參數和速度參數的聯合估計，相較於聲壓陣，矢量垂直陣具有更好的噪聲抑制效果。
[0135]
本發明利用矢量垂直陣實現對目標激發聲場幹涉結構和目標垂直到達角的獲取，不需要對海洋環境參數的精確獲取；將矢量水聽器技術和陣列信號處理技術相結合，與傳統聲壓陣相比較，擴展了信號處理空間，具有更好的抑制各向同性噪聲的能力；相比於單矢量水聽器，矢量陣列更充分利用了聲場信息，在空間增益和探測距離方面均有極大的優勢。本發明適用於水下目標的遠程預警和目標探測等領域。
[0136]
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。