CN101915922A - 拖曳线列阵被动测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种拖曳线列阵被动测距方法。它基于***阵，结合波导不变量和目标运动几何关系，利用图像处理方法估计目标运动参数，从而实现高精度测距。本发明不需要精细的海洋参数，允许阵型有宽容的偏差，利用***阵就可以实现稳健的被动测距，这种技术不仅可以用于***成双阵的拖曳阵，也可以用于舷侧阵等其他水平阵上。本发明对海岸预警***，水声对抗等方面均有重要应用前景。

Description

拖曳线列阵被动测距方法

技术领域

本发明涉及的是一种探测方法，具体地说是一种高精确被动测距的方法。

背景技术

拖曳线列阵是一种拖曳在水面船舶后面的大孔径线列阵，它具有低频，大孔径，受本地干扰小，不受船舶结构限制等优点。但因拖曳线列阵的声学段是柔性的，可能存在阵型畸变，对测距性能会有所影响。传统的三元阵被动测距和匹配场被动测距因要求阵元位置精确已知，故均不适合应用于拖曳阵声呐，故此类声呐迄今仍无技术使它们具有高精度被动测距功能。一种适合拖曳线列阵声纳被动测距的稳健的定位算法有待于研究。

波导不变量β是由莫斯科大学的Chuprov教授提出的，被用来描述低频声场的干涉结构。波导不变量不需要知道海洋的先验知识，就可以描述环境的影响。目前美国海军研究所及Scrip实验室已经研究“基于信道不变量的引导声源垂直阵被动测距”(见文献[1]：Aaron M.Thode.Source ranging with minimal environmental information using a virtual receiver and waveguide invariant theory[J].J.Acoust.Soc.Am，2000，108(4)：1582-1594.)和“基于扩展函数的单声压水听器被动测距”(见文献[2]：Kevin L.Cockrell，Henrik Schmidt.Robust passive range estimation using the waveguide invariant[J].J.Acoust.Soc.Am，2010，127(5)：2780-2789)两种方法。中国科学学院声学所在南海进行了引导声源垂直阵被动测距的海试(文献[3]：鹿力成.海底变化环境下目标距离定位[J].水声及物理声学，2007，26(4)：65-68)。中国海洋大学在验证了该方法的可行性之后，发展了“引导声源水平阵被动测距技术”，采用水平阵而不是垂直阵，这是一个进步，因为水平阵被动测距更适合应用(文献[4]：赵振东，高大治，王好忠，王宁.波导不变量在目标测距中的应用[J].声学技术，2009，28(2)：45-46)。一种基于信道不变量原理的水平阵信号处理研究有更广阔的应用前景。

如果有一种基于拖曳线列阵，结合波导不变量进行被动测距的技术，这种技术不仅能推动水声对抗技术的发展，而且在岸站、和海洋研究中，尤其在声学海上测量研究中均会有重要应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、实用、稳健的拖曳线列阵被动测距方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)分别对拖曳线列阵的两个***阵接收的信号作短时傅里叶变换(STFT)得到***阵的LOFAR图，再分别进行方位估计可以得到两幅瀑布图；

(2)对两幅瀑布图中任意一幅瀑布图做Radon变换或Hough变换得到目标的航向角，目标到两***阵声中心的声程差为等效阵元间距与航向角的余弦的乘积；

(3)对两LOFAR图作图像相关得到目标通过两***阵声中心的时延，从而得到目标航速v；

(4)在两LOFAR图上提取对应干涉条纹的最近通过时刻，取它们的平均作为目标相对原点的最近通过时刻t₀；

(5)利用Radon变换或Hough变换对***阵的LOFAR图进行图像处理，在变换域提取目标相对两分列阵声中心的最近通过距离与目标航速的比值，进而得到目标相对两***阵声中心的最近通过距离，取平均得到目标相对于原点最近距离r₀；

(6)根据目标距离r的计算公式t为运动时间，可以测得运动目标距离。

本发明提供了一种稳健的基于拖曳线列阵被动测距的技术，采用Radon变换或Hough变换对LOFAR图和瀑布图进行图像处理，就可以实现对目标速度和距离的测量，对目标识别和水声对抗均有重要的意义。

本发明不需要精细的海洋参数，允许阵型有宽容的偏差，利用***阵就可以实现稳健的被动测距，这种技术不仅可以用于***成双阵的拖曳阵，也可以用于舷侧阵等其他水平阵上。在实际应用中它的探测距离远，使用场合多，即可以用于岸站，也可用于水面船或水下平台。对海岸预警***，水声对抗等方面均有重要应用前景。

附图说明

图1是拖曳线列阵被动测距框图；

图2是拖曳线列阵在海中布放图；

图3是目标运动的几何关系图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

以将拖曳线列阵***等效成的两个阵元模型为例说明测距的原理。本申请的基本原理为：拖曳线列阵接收宽带、连续谱的噪声。对拖曳线列阵的左右两个***阵输出的信号进行信息变换，在变换域上分别得到两组的LOFAR图和瀑布图。利用Radon变换或Hough变换对LOFAR图和瀑布图进行图像处理，结合波导不变量的原理测量目标的距离，速度等信息。结合图1，给出了拖曳线列阵被动测距框图。

结合图2，给出本发明的拖曳线列阵在海中的布放图。假定一拖曳线列阵1布放在海深h米处，目标声源2在深度z₀处等深航行。

结合图3，给出所采用的定位模型。两等效阵元置于x轴上，等效阵元间距d，阵的声学中心位于坐标原点。目标航速为v，作匀速直线运动，目标方位角为θ，航向角为α(规定与x轴正向的夹角)。目标分别到两***阵等效声中心的距离为r₁和r₂，方位角分别为θ₁和θ₂，最近通过距离分别为r₀₁与r₀₂，最近通过时刻为t₀₁与t₀₂。若以原点0为参考点，则目标的最近通过距离为r₀，最近通过时刻为t₀。

对左右***阵接收的信号作短时傅里叶变换(STFT)，可以分别得到两***阵的LOFAR图；再对两***阵接收的数据分别进行方位估计可以得到两幅瀑布图，这四幅图将是进一步测距的基础。

首先估计目标航向角α：对某一瀑布图作Radon变换或Hough变换得到目标航向角的估计α(若对两个瀑布图均作Radon变换或Hough变换，可以取α₁和α₂的平均值)；目标到两分列阵声中心的声程差近似为dcosα；

第二步估计目标航速v和目标相对原点的最近通过时刻t₀：先对双阵元的两个LOFAR图做图像相关，也即二维相关，得到目标通过两阵元的时延T，并读出t₀₁和t₀₂；

目标相对原点的最近通过时刻t₀为t₀₁和t₀₂的平均值；即

t₀＝(t₀₁+t₀₂)/2                         (1)

然后依据目标运动的几何关系式(2)计算目标航速：

v＝dcosα/T                             (2)

第三步估计目标相对原点的最近通过距离r₀：先对两LOFAR图做Radon变换或Hough变换，得到r₀₁/v，r₀₂/v，即有

r₀₁＝av，r₀₂＝bv                        (3)

其中a，b为Radon变换或Hough变换得到的参数值，则可根据下式计算目标相对于原点最近通过距离为：

r₀＝(r₀₁+r₀₂)/2                         (4)

第四步估计目标水平距离r：将前面估计的目标航速v和目标相对原点的最近通过时刻t₀及目标相对原点的最近通过距离r₀代入下式，即可测距

$r=\sqrt{v^2{(t-t_0)}^2+r_0^2}---\left(5\right)$

当然，本发明还可以有其他的实施例，在不背离发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种拖曳线列阵被动测距方法，其特征是：

(1)分别对拖曳线列阵的两个***阵接收的信号作短时傅里叶变换得到***阵的LOFAR图，再分别进行方位估计得到两幅瀑布图；

(2)对两幅瀑布图中任意一幅瀑布图做Radon变换或Hough变换得到目标的航向角，目标到两***阵声中心的声程差为等效阵元间距与航向角的余弦的乘积；

(3)对两LOFAR图作图像相关得到目标通过两***阵声中心的时延，从而得到目标航速v；

(4)在两LOFAR图上提取对应干涉条纹的最近通过时刻，取它们的平均作为目标相对原点的最近通过时刻t₀；

(5)利用Radon变换或Hough变换对***阵的LOFAR图进行图像处理，在变换域提取目标相对两分列阵声中心的最近通过距离与目标航速的比值，进而得到目标相对两***阵声中心的最近通过距离，取平均得到目标相对于原点最近距离r₀；

(6)根据目标距离r的计算公式

t为运动时间，测得运动目标距离。

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