CN103454616A - 一种十字型振速梯度水听器的方位估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种十字型振速梯度水听器的方位估计方法，该方法根据十字型振速梯度水听器***的中心频率和对角阵元之间的间距求得十字型振速梯度水听器的“修正方向矢量”，利用“修正方向矢量”和十字型振速梯度水听器的输出协方差矩阵，求解十字型振速梯度水听器的空间谱，通过谱峰搜索来估计目标的方位。有益效果：本发明根据阵列配置和***的工作频率计算出十字型振速梯度水听器的“修正方向矢量”，采用空间谱估计的基本原理，就可以精确的实现小孔径下对弱目标的方位估计，这对水声测量，水下目标的探测，水下目标的分类与识别和水下目标的定位导航均有重要意义。

Description

一种十字型振速梯度水听器的方位估计方法

技术领域

本发明涉及的是一种十字型振速梯度水听器的方位估计方法，具体的说是一种利用十字型振速梯度水听器中心点处声压、三个正交的振速分量和振速梯度来对目标进行三维测向的方法。

背景技术

矢量水听器是获取水下声信息的一种新型复合传感器，单个矢量水听器便可实现空间三维的定向。在低频段，矢量水听器相比于声压阵列具有体积小，重量轻，便于布放等优点，广泛应用于声纳浮标***、拖曳阵、舷侧阵、地震监测***和环境噪声测量***中。近几年来，很多学者为了得到指向性更加尖锐的传感器，针对高阶水听器开展了系列研究，已经在理论上验证了高阶传感器确实可以提高传感器的指向性。但声场高阶信息量的幅度相对于零阶信息量（声压）幅度来说很小，且随着阶数增高其幅度迅速衰减。高阶传感器***自身具有自噪声，且其对海洋环境噪声也比较敏感。因而，高阶传感器的制作和使用具有很大的局限性，一些研究人员仅对二阶组合传感器理论性能和制作开展了系列研究。

二阶组合水听器可以同时测量水下声场中某点的声压、三个振速分量和多个振速梯度分量。根据应用需求的不同，二阶组合水听器有多种组合方式。十字型振速梯度水听器，是一种二阶组合水听器。为了获得较好的指向性，工程应用中要求矢量水听器对角阵元之间的距离满足d≤0.2λ，其中λ表示信号的波长。在满足这个条件时，其振速输出具有较好的偶极子指向性，其振速梯度输出具有较好的四极子指向性，十字型振速梯度水听器具有较好的工作性能。对于十字型振速梯度水听器来说，振速的偶极子指向性和振速梯度的四级子指向性是一种近似的指向性，因而存在着一定的近似误差。如果有一种处理方法或技术，能够减小这种指向性的近似误差，则可提高十字型振速梯度水听器的检测和方位估计性能，这种技术必然会扩展十字型振速水听器的的应用范围，特别是在水下小孔径测量和监视***中的应用。

发明内容

本发明的目的是：提供一种简单、实用、稳健的十字型振速梯度水听器方位估计方法。

本发明的技术方案是：一种十字型振速梯度水听器方位估计的方法，包括如下步骤：

步骤一：将四个矢量水听器接收数据分别通过希尔伯特变换器、乘法器和加法器转换成相应的复声压信号和三个正交的复振速分量信号；

步骤二：对四个矢量水听器的声压通道复声压信号求平均，求取十字型振速梯度水听器中心点处的声压信号；

步骤三：对四个矢量水听器的x轴上振速分量通道信号求平均，求取十字型振速梯度水听器中心点处x轴上的振速分量信号；

步骤四：对四个矢量水听器y轴振速分量通道的复信号求平均，求取十字型振速梯度水听器中心点处y轴上的振速分量信号；

步骤五：对四个矢量水听器z轴振速分量通道的复信号求平均，求取十字型振速梯度水听器中心点处z轴上的振速分量信号；

步骤六：对x轴上两个矢量水听器的x轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求得十字型振速梯度水听器中心点处x轴振速分量在x轴上的横向振速梯度；

步骤七：对y轴上两个矢量水听器的y轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求的十字型振速梯度水听器中心点处y轴振速分量在y轴上的横向振速梯度；

步骤八：对y轴上两个矢量水听器的x轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求得十字型振速梯度水听器中心点处x轴振速分量在y轴上的纵向振速梯度；

步骤九：对x轴上两个矢量水听器的z轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求得十字型振速梯度水听器中心点处z轴振速分量在x轴上的纵向振速梯度；

步骤十：对y轴上两个矢量水听器的z轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求得十字型振速梯度水听器中心点处z轴振速分量在y轴上的纵向振速梯度；

步骤十一：将步骤二到步骤十求得数据罗列在一起，求十字型振速梯度水听器的数据协方差矩阵该矩阵为9×9的对称矩阵。

步骤十二：根据阵列配置和工作频段，利用下述公式

求解十字型振速梯度水听器的“修正方向矢量”，其中φ和ψ分别表示入射波的方位角和俯仰角，d表示对角矢量水听器之间的距离，λ表示信号的波长。用“修正方向矢量”取代原来的“方向矢量”U(φ,ψ)：

$U(\mathrm{\φ},\mathrm{\ψ})=\left[\begin{array}{c}1\\ \cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\\ \sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\\ \sin \mathrm{\ψ}\\ {\cos }^2\mathrm{\φ}{\cos }^2\mathrm{\ψ}\\ {\sin }^2\mathrm{\φ}{\cos }^2\mathrm{\ψ}\\ \cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\φ}{\cos }^2\mathrm{\ψ}\\ \cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\ψ}\\ \sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\ψ}\end{array}\right]$

为了区别，将利用U(φ,ψ)的处理方法称为“常规处理方法”，将利用进行处理的方法称为“本发明方法”。

步骤十三：利用十字型振速梯度水听器的修正方向矢量和数据协方差矩阵

进行空间谱估计，得到空间谱

其中φ∈[0,2π)，ψ∈[-π2,π2]。本步骤中，只要是利用方向矢量进行扫描的空间谱估计方法都可以应用，可根据实际应用背景，选择适当处理方法。

步骤十四：通过极值搜索的方法，找到空间谱极值对应的角度值，该角度值即为目标的方位角度。

本发明的有益效果是：提供了一种稳健的基于十字型振速梯度水听器的高精度方位估计方法，根据阵列配置和***的工作频率计算出十字型振速梯度水听器的“修正方向矢量”，采用空间谱估计的基本原理，就可以精确的实现小孔径下对弱目标的方位估计，这对水声测量，水下目标的探测，水下目标的分类与识别和水下目标的定位导航均有重要意义。

本发明在十字型振速梯度水听器对角阵元间距满足d≤0.2λ的一定限度具有较常规处理方法更好的方位性能，且在十字型振速梯度水听器对角阵元间距不满足d≤0.2λ一定限度内依然保持较好的方位估计性能，可扩展压差式矢量水听器的工作频带。若保持***性能指标不变，本方法降低了十字型振速梯度水听器在制作工艺上的要求，从而消减了振速梯度水听器的制作成本，因此可以扩展十字型振速梯度水听器的应用范围，扩展它在浮标、潜标、水下航行器、水下定位与导航产品、地震探测仪和鱼探仪等产品中的应用。

附图说明

图1是本发明提出的十字型振速梯度水听器的方位估计的信号处理流程图。接收模块中除了包含常规的前置功放和A/D转换外，还包含希尔伯特变换器，将采集得到的实声压信号转换成复声压信号。

图2为实施例中十字型振速梯度水听器对角阵元间距为0.1米，信号频率为2kHz，信噪比为10dB，目标分别在(135°,0°)、(150°,0°)、(160°,0°)和(180°,0°)方位时，基于最小方差无失真响应（MVDR）波束形成法，利用“修正方向矢量”进行扫描得到的二维方位谱曲线（图中实线）。为了比较，同时给出了直接利用“方向矢量”的常规处理方法的二维空间谱曲线（图中点实线）。

图3是实施例中十字型振速梯度水听器对角阵元间距为0.1米，信号频率为2kHz,目标在(180°,0°)时，当信噪比变化时，利用MVDR波束形成法进行目标方位估计的估计偏差曲线。

图4是实施例中十字型振速梯度水听器对角阵元间距为0.1米，信号频率为2kHz,目标在(180°,0°)时，当信噪比变化时，利用MVDR波束形成法进行目标方位估计的估计标准差曲线。

图5是实施例中十字型振速梯度水听器对角阵元间距为0.1米，信号频率为2kHz,目标在(90°,30°)方向，信噪比为10dB时，利用MVDR波束形成法得到的三维空间谱曲面。

图6是实施例中十字型振速梯度水听器对角阵元间距为0.1米，信号频率为2kHz，信噪比为10dB，目标分别在(135°,0°)、(150°,0°)、(160°,0°)和(180°,0°)时，基于多重信号分类（MUSIC）算法，利用“修正方向矢量”进行扫描得到的方位谱图（图中实线）。为了比较，同时给出了直接利用“方向矢量”扫描的常规处理方法的二维空间谱曲线（图中点实线）。

图7是实施例中十字型振速梯度水听器对角阵元间距为0.1米，信号频率为2kHz,目标在(180°,0°)时，当信噪比变化时，利用MUSIC算法进行目标方位估计的估计偏差曲线。

图8是实施例中十字型振速梯度水听器对角阵元间距为0.1米，信号频率为2kHz,目标在(180°,0°)时，当信噪比变化时，利用MUSIC算法进行目标方位估计的估计标准差曲线。

图9是实施例中十字型振速梯度水听器对角阵元间距为0.1米，信号频率为2kHz,目标在(90°,30°)方向，信噪比为10dB时，利用MUSIC算法得到的三维空间谱曲面。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明根据十字型振速梯度水听器***的中心频率和对角阵元之间的间距求得十字型振速梯度水听器的“修正方向矢量”，利用“修正方向矢量”和十字型振速梯度水听器的输出协方差矩阵，求解十字型振速梯度水听器的空间谱，通过谱峰搜索来估计目标的方位。

本实施例中单个二维压差式矢量水听器方位估计的方法，包括如下步骤：

步骤一：十字型振速梯度水听器的四个矢量阵元接收信号用

p₁(t),v_x1(t),v_y1(t),v_z1(t),p₂(t),v_x2(t),v_y2(t),v_z2(t)

p₃(t),v_x3(t),v_y3(t),v_z4(t),p₄(t),v_x4(t),v_y4(t),v_z4(t)

来表示，先通过希尔伯特变换器、乘法器和加法器将接收的实信号转换成复信号

${\tilde{p}}_1\left(t\right),{\tilde{v}}_{x1}\left(t\right),{\tilde{v}}_{y1}\left(t\right),{\tilde{v}}_{z1}\left(t\right),{\tilde{p}}_2\left(t\right),{\tilde{v}}_{x2}\left(t\right),{\tilde{v}}_{y2}\left(t\right),{\tilde{v}}_{z2}\left(t\right)$

${\tilde{p}}_3\left(t\right),{\tilde{v}}_{x3}\left(t\right),{\tilde{v}}_{y3}\left(t\right),{\tilde{v}}_{z4}\left(t\right),{\tilde{p}}_4\left(t\right),{\tilde{v}}_{x4}\left(t\right),{\tilde{v}}_{y4}\left(t\right),{\tilde{v}}_{z4}\left(t\right)$

步骤二：由四路复声压信号

和求出十字型振速梯度水听器中心点处声压为 ${\tilde{p}}_o\left(t\right)=[{\tilde{p}}_1\left(t\right)+{\tilde{p}}_2\left(t\right)+{\tilde{p}}_3\left(t\right)+{\tilde{p}}_4\left(t\right)]/4.$

步骤三：由四路x轴振速分量复信号

和求出十字型振速梯队水听器中心点处x轴振速分量为 ${\tilde{v}}_{\mathrm{xo}}\left(t\right)=[{\tilde{v}}_{x1}\left(t\right)+{\tilde{v}}_{x2}\left(t\right)+{\tilde{v}}_{x3}\left(t\right)+{\tilde{v}}_{x4}\left(t\right)]/4.$

步骤四：由四路y轴振速分量复信号

和求出十字型振速梯队水听器中心点处y轴振速分量为 ${\tilde{v}}_{\mathrm{yo}}\left(t\right)=[{\tilde{v}}_{y1}\left(t\right)+{\tilde{v}}_{y2}\left(t\right)+{\tilde{v}}_{y3}\left(t\right)+{\tilde{v}}_{y4}\left(t\right)]/4.$

步骤五：由四路z轴振速分量复信号

和

求出十字型振速梯队水听器中心点处y轴振速分量为 ${\tilde{v}}_{\mathrm{zo}}\left(t\right)=[{\tilde{v}}_{z1}\left(t\right)+{\tilde{v}}_{z2}\left(t\right)+{\tilde{v}}_{z3}\left(t\right)+{\tilde{v}}_{z4}\left(t\right)]/4.$

步骤六：由x轴上的两矢量阵元的振速分量复信号

和

做差分运算，并移相-90°，求出十字型振速梯度水听器中心点处振速梯度

步骤七：由y轴上的两矢量阵元的振速分量复信号

和

做差分运算，并移相-90°，求出十字型振速梯度水听器中心点处振速梯度

步骤八：由y轴上的两矢量阵元的振速分量复信号

和

做差分运算，并移相-90°，求出十字型振速梯度水听器中心点处振速梯度

步骤九：由x轴上的两矢量阵元的振速分量复信号和做差分运算，并移相-90°，求出十字型振速梯度水听器中心点处振速梯度

步骤十：由y轴上的两矢量阵元的振速分量复信号

和

做差分运算，并移相-90°，求出十字型振速梯度水听器中心点处振速梯度

步骤十一：令 $X\left(t\right)=[{\tilde{p}}_o\left(t\right),{\tilde{v}}_{\mathrm{xo}}\left(t\right),{\tilde{v}}_{\mathrm{yo}}\left(t\right),{\tilde{v}}_{\mathrm{zo}}\left(t\right),{\frac{\∂{\tilde{v}}_x\left(t\right)}{\∂x},\frac{\∂{\tilde{v}}_y\left(t\right)}{\∂y},\frac{\∂{\tilde{v}}_x\left(t\right)}{\∂y},\frac{\∂{\tilde{v}}_z\left(t\right)}{\∂x},\frac{\∂{\tilde{v}}_z\left(t\right)}{\∂y}]}^T,$ 利用公式

求十字型振速梯度水听器输出的自协方差矩阵

该矩阵为9×9的对称矩阵，式中t表示快拍索引号，N表示计算采用的快拍数量。

步骤十二：利用十字型振速梯度水听器的对角阵元间距d和中心工作频率对应的波长λ，求解十字型振速梯度水听器的“修正方向矢量”

步骤十三：利用十字型振速梯度水听器的“修正方向矢量”

进行扫描，求解目标方位谱，可以采用下述几个公式：

（1）常规波束形成（CBF）法：

（2）MVDR波束形成法：

（3）MUSIC算法：

上述三个公式中空间谱下标的首字母‘m’表示采用“修正方向矢量”，第三个公式中的

表示对

进行特征分解求得的噪声子空间。求解空间谱的方法不仅仅局限于上述三种，凡是利用方向矢量进行扫描的方法都可以采用，如最大熵法、最小模法等等。

步骤十四：对所有空间谱值进行极值搜索，求出极大值对应的索引值，利用索引值求出相应的角度值，所求角度值便是目标的方位值

参阅图2、图3、图4和图5，本发明给出了一个实施例：十字型振速梯度水听器对角阵元间距为0.1米，工作中心频率为2kHz时，利用公式

求解空间谱，然后通过谱峰搜索估计目标方位。图2给出了信噪比为10dB，目标分别在(135°,0°)、(150°,0°)、(160°,0°)和(180°,0°)方位时，利用MVDR波束形成处理方法的空间谱曲线。图中的实线为本发明方法的二维空间谱曲线，点实线为利用普通的“方向矢量”U(φ,ψ)扫描得到的二维方位谱曲线。从图中可以看出，本发明方法的空间谱主瓣更窄，旁瓣更低，远远优于常规处理方法。图3和图4给出了目标位于(180°,0°)方位，信噪比变化时，采用MVDR波束形成法进行方位估计的性能统计曲线。图3是估计偏差曲线，图4是估计标准差曲线。从图中可以看出，本发明方法较常规处理方法具有更小的估计偏差和估计标准差。图5是目标在(90°,30°)方向，信噪比为10dB时，利用MVDR波束形成法得到的三维空间谱曲面。从图中可以看出，本发明方法的谱平面中谱峰尖锐，这说明它在方位角和俯仰角方位估计中都具有较好的方位估计性能。因而，本发明方法中采用“修正方向矢量”扫描，具有更好的方位估计性能。

参阅图6、图7、图8和图9，本发明给出了另一个实施例：十字型振速梯度水听器对角阵元间距为0.1米，工作中心频率为2kHz时，利用公式

求解空间谱，然后通过谱峰搜索估计目标方位。图6给出了信噪比为10dB，目标分别在(135°,0°)、(150°,0°)、(160°,0°)和(180°,0°)方位时，利用MUSIC算法计算出的二维空间谱曲线。图中的实线为本发明方法的二维空间谱曲线，点实线为利用普通的“方向矢量”U(φ,ψ)扫描得到的二维方位谱曲线。从图中可以看出，本发明方法的空间谱主瓣更窄，旁瓣更低，远远优于常规处理方法。图7和图8给出了目标位于(180°,0°)方位，信噪比变化时，采用MUSIC算法进行方位估计的统计性能曲线。图7是估计偏差曲线，图8是估计标准差曲线。从图中可以看出，本发明方法较常规处理方法具有更小的估计偏差和估计标准差。图9是目标在(90°,30°)方向，信噪比为10dB时，利用MUSIC算法得到的三维空间谱曲面。从图中可以看出，本发明方法的谱曲面中谱峰尖锐，这说明它在方位角和俯仰角方位估计中都具有较好的方位估计性能。因而，本发明方法采用“修正方向矢量”扫描，具有更好的方位估计性能。

当然，本发明还可以有其他的实施例，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出相应的改变，但这些改变都应该属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种十字型振速梯度水听器方位估计的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将四个矢量水听器接收数据分别通过希尔伯特变换器、乘法器和加法器转换成相应的复声压信号和三个正交的复振速分量信号；

步骤二：对四个矢量水听器的声压通道复声压信号求平均，求取十字型振速梯度水听器中心点处的声压信号；

步骤三：对四个矢量水听器的x轴上振速分量通道信号求平均，求取十字型振速梯度水听器中心点处x轴上的振速分量信号；

步骤四：对四个矢量水听器y轴振速分量通道的复信号求平均，求取十字型振速梯度水听器中心点处y轴上的振速分量信号；

步骤五：对四个矢量水听器z轴振速分量通道的复信号求平均，求取十字型振速梯度水听器中心点处z轴上的振速分量信号；

步骤六：对x轴上两个矢量水听器的x轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求得十字型振速梯度水听器中心点处x轴振速分量在x轴上的横向振速梯度；

步骤七：对y轴上两个矢量水听器的y轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求的十字型振速梯度水听器中心点处y轴振速分量在y轴上的横向振速梯度；

步骤八：对y轴上两个矢量水听器的x轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求得十字型振速梯度水听器中心点处x轴振速分量在y轴上的纵向振速梯度；

步骤九：对x轴上两个矢量水听器的z轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求得十字型振速梯度水听器中心点处z轴振速分量在x轴上的纵向振速梯度；

步骤十：对y轴上两个矢量水听器的z轴振速分量数据做差分，然后移相-90°，求得十字型振速梯度水听器中心点处z轴振速分量在y轴上的纵向振速梯度；

步骤十一：将步骤二到步骤十求得数据罗列在一起，求十字型振速梯度水听器的数据协方差矩阵

该矩阵为9×9的对称矩阵；

步骤十二：根据阵列配置和工作频段，利用下述公式

求解十字型振速梯度水听器的“修正方向矢量”，其中φ和ψ分别表示入射波的方位角和俯仰角，d表示对角矢量水听器之间的距离，λ表示信号的波长。用“修正方向矢量”

取代原来的“方向矢量”U(φ,ψ)：

$U(\mathrm{\φ},\mathrm{\ψ})=\left[\begin{array}{c}1\\ \cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\\ \sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\\ \sin \mathrm{\ψ}\\ {\cos }^2\mathrm{\φ}{\cos }^2\mathrm{\ψ}\\ {\sin }^2\mathrm{\φ}{\cos }^2\mathrm{\ψ}\\ \cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\φ}{\cos }^2\mathrm{\ψ}\\ \cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\ψ}\\ \sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\ψ}\end{array}\right]$

步骤十三：利用十字型振速梯度水听器的修正方向矢量

和数据协方差矩阵进行空间谱估计，得到空间谱其中φ∈[0,2π)，ψ∈[-π2,π2]；

步骤十四：通过极值搜索的方法，找到空间谱极值对应的角度值，该角度值即为目标的方位角度。

2.一种如权利要求1所述的十字型振速梯度水听器方位估计的方法，其特征在于：所述步骤十三中的空间谱估计方法为利用方向矢量进行扫描的空间谱估计方法。

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