一種十字型振速梯度水聽器的方位估計方法
2023-10-24 20:47:52 1
一種十字型振速梯度水聽器的方位估計方法
【專利摘要】本發明公開了一種十字型振速梯度水聽器的方位估計方法，該方法根據十字型振速梯度水聽器系統的中心頻率和對角陣元之間的間距求得十字型振速梯度水聽器的「修正方向矢量」，利用「修正方向矢量」和十字型振速梯度水聽器的輸出協方差矩陣，求解十字型振速梯度水聽器的空間譜，通過譜峰搜索來估計目標的方位。有益效果：本發明根據陣列配置和系統的工作頻率計算出十字型振速梯度水聽器的「修正方向矢量」，採用空間譜估計的基本原理，就可以精確的實現小孔徑下對弱目標的方位估計，這對水聲測量，水下目標的探測，水下目標的分類與識別和水下目標的定位導航均有重要意義。
【專利說明】一種十字型振速梯度水聽器的方位估計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種十字型振速梯度水聽器的方位估計方法，具體的說是一種利用十字型振速梯度水聽器中心點處聲壓、三個正交的振速分量和振速梯度來對目標進行三維測向的方法。
【背景技術】
[0002]矢量水聽器是獲取水下聲信息的一種新型複合傳感器，單個矢量水聽器便可實現空間三維的定向。在低頻段，矢量水聽器相比於聲壓陣列具有體積小，重量輕，便於布放等優點，廣泛應用於聲納浮標系統、拖曳陣、舷側陣、地震監測系統和環境噪聲測量系統中。近幾年來，很多學者為了得到指向性更加尖銳的傳感器，針對高階水聽器開展了系列研究，已經在理論上驗證了高階傳感器確實可以提高傳感器的指向性。但聲場高階信息量的幅度相對於零階信息量(聲壓)幅度來說很小，且隨著階數增高其幅度迅速衰減。高階傳感器系統自身具有自噪聲，且其對海洋環境噪聲也比較敏感。因而，高階傳感器的製作和使用具有很大的局限性，一些研究人員僅對二階組合傳感器理論性能和製作開展了系列研究。
[0003]二階組合水聽器可以同時測量水下聲場中某點的聲壓、三個振速分量和多個振速梯度分量。根據應用需求的不同，二階組合水聽器有多種組合方式。十字型振速梯度水聽器，是一種二階組合水聽器。為了獲得較好的指向性，工程應用中要求矢量水聽器對角陣元之間的距離滿足(1<0.2λ，其中λ表示信號的波長。在滿足這個條件時，其振速輸出具有較好的偶極子指向性，其振速梯度輸出具有較好的四極子指向性，十字型振速梯度水聽器具有較好的工作性能。對於十字型振速梯度水聽器來說，振速的偶極子指向性和振速梯度的四級子指向性是一種近似的指向性，因而存在著一定的近似誤差。如果有一種處理方法或技術，能夠減小這種指向性的近似誤差，則可提高十字型振速梯度水聽器的檢測和方位估計性能，這種技術必然會擴展十字型振速水聽器的的應用範圍，特別是在水下小孔徑測量和監視系統中的應用。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是:提供一種簡單、實用、穩健的十字型振速梯度水聽器方位估計方法。
[0005]本發明的技術方案是:一種十字型振速梯度水聽器方位估計的方法，包括如下步驟:
[0006]步驟一:將四個矢量水聽器接收數據分別通過希爾伯特變換器、乘法器和加法器轉換成相應的復聲壓信號和三個正交的復振速分量信號；
[0007]步驟二:對四個矢量水聽器的聲壓通道復聲壓信號求平均，求取十字型振速梯度水聽器中心點處的聲壓信號；
[0008]步驟三:對四個矢量水聽器的X軸上振速分量通道信號求平均，求取十字型振速梯度水聽器中心點處X軸上的振速分量信號；[0009]步驟四:對四個矢量水聽器y軸振速分量通道的覆信號求平均，求取十字型振速梯度水聽器中心點處y軸上的振速分量信號；
[0010]步驟五:對四個矢量水聽器ζ軸振速分量通道的覆信號求平均，求取十字型振速梯度水聽器中心點處Z軸上的振速分量信號；
[0011]步驟六:對χ軸上兩個矢量水聽器的χ軸振速分量數據做差分，然後移相-90°，求得十字型振速梯度水聽器中心點處X軸振速分量在X軸上的橫向振速梯度；
[0012]步驟七:對y軸上兩個矢量水聽器的y軸振速分量數據做差分，然後移相_90°，求的十字型振速梯度水聽器中心點處I軸振速分量在I軸上的橫向振速梯度；
[0013]步驟八:對y軸上兩個矢量水聽器的χ軸振速分量數據做差分，然後移相-90°，求得十字型振速梯度水聽器中心點處X軸振速分量在I軸上的縱向振速梯度；
[0014]步驟九:對χ軸上兩個矢量水聽器的ζ軸振速分量數據做差分，然後移相-90°，求得十字型振速梯度水聽器中心點處ζ軸振速分量在χ軸上的縱向振速梯度；
[0015]步驟十:對y軸上兩個矢量水聽器的ζ軸振速分量數據做差分，然後移相-90°，求得十字型振速梯度水聽器中心點處ζ軸振速分量在y軸上的縱向振速梯度；
[0016]步驟十一:將步驟二到步驟十求得數據羅列在一起，求十字型振速梯度水聽器的數據協方差矩陣及，該矩陣為9X9的對稱矩陣。
[0017]步驟十二:根據陣列配置和工作頻段，利用下述公式
[0018]
【權利要求】
1.一種十字型振速梯度水聽器方位估計的方法，其特徵在於:包括如下步驟: 步驟一:將四個矢量水聽器接收數據分別通過希爾伯特變換器、乘法器和加法器轉換成相應的復聲壓信號和三個正交的復振速分量信號； 步驟二:對四個矢量水聽器的聲壓通道復聲壓信號求平均，求取十字型振速梯度水聽器中心點處的聲壓信號； 步驟三:對四個矢量水聽器的X軸上振速分量通道信號求平均，求取十字型振速梯度水聽器中心點處χ軸上的振速分量信號； 步驟四:對四個矢量水聽器I軸振速分量通道的覆信號求平均，求取十字型振速梯度水聽器中心點處y軸上的振速分量信號； 步驟五:對四個矢量水聽器ζ軸振速分量通道的覆信號求平均，求取十字型振速梯度水聽器中心點處ζ軸上的振速分量信號； 步驟六:對χ軸上兩個矢量水聽器的χ軸振速分量數據做差分，然後移相-90°，求得十字型振速梯度水聽器中心點處χ軸振速分量在χ軸上的橫向振速梯度； 步驟七:對y軸上兩個矢量水聽器的y軸振速分量數據做差分，然後移相-90°，求的十字型振速梯度水聽器中心點處I軸振速分量在I軸上的橫向振速梯度； 步驟八:對y軸上兩個矢量水聽器的χ軸振速分量數據做差分，然後移相-90°，求得十字型振速梯度水聽器中心點處χ軸振速分量在I軸上的縱向振速梯度； 步驟九:對χ軸上兩個矢量水聽器的ζ軸振速分量數據做差分，然後移相-90°，求得十字型振速梯度水聽器中心點處ζ軸振速分量在χ軸上的縱向振速梯度； 步驟十:對I軸上兩個矢量水聽器的ζ軸振速分量數據做差分，然後移相-90°，求得十字型振速梯度水聽器中心點處ζ軸振速分量在y軸上的縱向振速梯度； 步驟十一:將步驟二到步驟十求得數據羅列在一起，求十字型振速梯度水聽器的數據協方差矩陣及，該矩陣為9X9的對稱矩陣； 步驟十二:根據陣列配置和工作頻段，利用下述公式
2.一種如權利要求1所述的十字型振速梯度水聽器方位估計的方法，其特徵在於:所述步驟十三中的空間譜估計方法為利用方向`矢量進行掃描的空間譜估計方法。
【文檔編號】G01S5/18GK103454616SQ201310380250
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2013年8月27日
【發明者】王緒虎, 陳建峰, 常躍躍, 郭瑾, 趙瑩珂 申請人:西北工業大學