CN111427044A - 水域目标的定位***及定位方法 - Google Patents

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杨巍
陈嘉真
何宇帆
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Abstract

本发明提出了一种水域目标的定位***及方法，定位***包括：多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵，多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵按照预设阵型布设于待探测水域，用于探测和定位待探测水域中的目标；其中，第一方向探测子阵和第二方向探测子阵的延伸方向不同。根据本发明的水域目标的定位***，采用了多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵组合阵列处理探测方法，探测子阵的个数可根据待探测水域大小进行增减，各探测子阵采用预设阵型布局，克服了单条线阵的方位模糊及无法定位等问题，采用本发明所述阵列信号处理方法，可以有效对水域中运动小目标进行精确定位。

Description

水域目标的定位***及定位方法
技术领域
本发明涉及探测定位技术领域，尤其涉及一种水域目标的定位***及定位方法。
背景技术
针对水下小目标的浅海入侵、港口渗透侦察等威胁，近岸水域水下安全防御措施需不断加强完善，蛙人探测声呐***是一种有效的探测手段。蛙人探测声呐具有主动探测和被动探测两种方式：
主动蛙人探测声呐通常采用高频主动声呐探测技术，布放在岸边或海底，对蛙人、游泳者等水下小目标实时探测。
被动目标定位方法有三元阵被动测距方法、目标运动分析法(Target motionanalysis,TMA)、匹配场处理法(Matched field processing,MFP)、时间反转镜法(Timereversal mirror,TRM)、近场声全息技术法(Near-field acoustical holography,NAH)以及声图测量法等。
与主动蛙人探测声呐相比，被动探测阵具有很好的隐蔽性且功耗较低，能够长期铺设在海底，对水面及水下目标进行探测、定位等。
被动目标定位方法中，三元阵被动定位方法近距离定位误差较大，且目标距离越近，其定位性能越差。TMA和MFP都属较成熟的远程定位方法，立意于提高作用距离和降低检测门限，不关注于近场。TRM在被动定位技术上的应用尚不成熟，且定位精度不高。NAH针对的是极近距离声场分析，不适用于中近距离目标的跟踪定位。
而声图测量方法对百米距离范围内的目标有较高的被动定位精度，目前大多学者主要研究线阵或十字阵被动定位，且主要关注极近距离、中低频目标，主要用来测量舰船等某部位的辐射噪声源位置。
其中，直线阵是基阵信号处理中最常用的阵型结构，这是由于直线阵阵型结构简单，易于数学上的处理。但是直线阵在对目标进行定位时，存在左右弦模糊问题，影响定位精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提高水域目标探测定位的准确性，本发明提出了一种水域目标的定位***及定位方法。
根据本发明实施例的水域目标的定位***，包括：多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵，多个所述第一方向探测子阵和多个所述第二方向探测子阵按照预设阵型布设于待探测水域，用于探测和定位所述待探测水域中的目标；
其中，所述第一方向探测子阵和所述第二方向探测子阵的延伸方向不同。
根据本发明实施例的水域目标的定位***，采用了多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵组合阵列处理探测方法，探测子阵的个数可根据待探测水域大小进行增减，各探测子阵采用预设阵型布局，克服了单条线阵的方位模糊及无法定位等问题，采用本发明所述阵列信号处理方法，可以有效对水域中运动小目标进行精确定位。
根据本发明的一些实施例，所述预设阵型为多个所述第一方向探测子阵和多个所述第二方向探测子阵沿所述第一方向探测子针或所述第二方向探测子阵的延伸方向间隔交错设置。
在本发明的一些实施例中，所述第一方向探测子阵的延伸方向与所述第二方向探测子阵的延伸方向垂直。
根据本发明的一些实施例，多个所述第一方向子阵和多个所述第二方向子阵为等间距间隔交错设置。
在本发明的一些实施例中，每个所述第一方向探测子阵包括多个第一探测阵元，每个所述第二方向探测子阵包括多个第二探测阵元。
根据本发明的一些实施例，多个所述第一探测阵元沿所述第一方向探测子阵的延伸方向等间距间隔设置，多个所述第二探测阵元沿所述第二方向探测子阵的延伸方向等间距间隔设置。
在本发明的一些实施例中，所述第一探测阵元和所述第二探测阵元均为水听器，所述第一探测阵元和所述第二探测阵元接收所述目标发出的信号以对所述目标进行探测定位。
根据本发明的一些实施例，所述第一方向探测子阵和所述第二方向探测子阵均设于所述待探测水域的水底，所述目标为水下目标。
根据本发明实施例的水域目标的定位方法，所述方法采用如上述所述的水域目标的定位***对目标进行探测定位，所述方法包括：
利用多个所述第一方向探测子阵和多个所述第二方向探测子阵接收所述目标发出的信号；
对接收的所述信号进行预处理得到处理信号；
通过所述处理信号同相叠加获取聚焦点，并基于所述聚焦点确定所述目标的位置。
根据本发明实施例的水域目标的定位方法，采用的定位***采用了多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵垂直阵型布设，通过组合阵列处理探测，克服了单条线阵的方位模糊及无法定位等问题，采用本发明所述阵列信号处理方法，可以有效实现近场水下小目标的高精度被动定位。
根据本发明的一些实施例，所述对接收的所述信号进行预处理得到处理信号，包括：
采用球面波扩展法得到阵列近场测量模型，利用组合线阵的宽带近场聚焦定位方法对多个所述第一方向探测子阵和多个所述第二方向探测子阵接收的所述信号进行延时或相移补充处理，以获得所述处理信号。
附图说明
图1为根据本发明实施例的水域目标的定位***示意图；
图2为根据本发明实施例的水域目标的定位方法流程图；
图3为根据本发明实施例水域目标在第一位置时的定位结果示意图；
图4为根据本发明实施例水域目标在第一位置时的定位结果示意图；
图5为根据本发明实施例水域目标在第二位置时的定位结果示意图；
图6为根据本发明实施例水域目标在第二位置时的定位结果示意图；
图7为根据本发明实施例水域目标在第三位置时的定位结果示意图；
图8为根据本发明实施例水域目标在第三位置时的定位结果示意图；
图9为根据本发明实施例的水域目标定位时信噪比变化对定位的影响示意图；
图10为根据本发明实施例的水域目标定位试验结果示意图；
图11为根据本发明实施例的水域目标定位试验结果示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
如图1所示，根据本发明实施例的水域目标的定位***，包括：多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵。其中，第一方向探测子阵可以为图1中所示的沿X轴方向延伸的探测子阵；第二方向探测子阵可以为图1中所示的沿Y轴方向延伸的探测子阵。或者，第一方向探测子阵也可以为图1中所示的沿Y轴方向延伸的探测子阵，第二方向探测子阵为图1中沿X轴方向延伸的探测子阵。
多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵按照预设阵型布设于待探测水域，用于探测和定位待探测水域中的目标。其中，第一方向探测子阵和第二方向探测子阵的延伸方向不同。
根据本发明实施例的水域目标的定位***，采用了多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵组合阵列处理探测方法，探测子阵的个数可根据待探测水域大小进行增减，各探测子阵采用预设阵型布局，克服了单条线阵的方位模糊及无法定位等问题，采用本发明所述阵列信号处理方法，可以有效对水域中运动小目标进行精确定位。
根据本发明的一些实施例，预设阵型为多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵沿第一方向探测子针或第二方向探测子阵的延伸方向间隔交错设置。也就是说，多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵可以沿第一方向探测子针的延伸方向间隔交错设置；多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵也可以沿第二方向探测子针的延伸方向间隔交错设置。其中，如图1所示，第一方向探测子阵沿X轴的方向延伸，多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵可以沿X轴方向间隔交错设置。由此，便于水域目标的定位计算，而且，可以提高水域目标定位的精确性。
在本发明的一些实施例中，第一方向探测子阵的延伸方向与第二方向探测子阵的延伸方向垂直。如图1所示，第一方向探测子阵可以为沿X轴方向延伸的探测子阵，第二方向探测子阵可以为沿Y轴方向延伸的探测子阵。多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵沿X轴方向间隔交错设置。
根据本发明的一些实施例，如图1所示，多个第一方向子阵和多个第二方向子阵为等间距间隔交错设置。由此，便于第一方向探测子阵和第二方向探测子阵的布局设置，而且，可以提高水域目标探测定位的准确性。
在本发明的一些实施例中，每个第一方向探测子阵包括多个第一探测阵元，每个第二方向探测子阵包括多个第二探测阵元。如图1所示，每个第一方向探测子阵可以包括五个第一探测阵元，每个第二方向探测子阵可以包括五个第二探阵元。通过在每个探测子阵中设置多个探测阵元，可以进一步提高水域目标探测的准确性和可靠性。
根据本发明的一些实施例，如图1所示，多个第一探测阵元沿第一方向探测子阵的延伸方向等间距间隔设置，多个第二探测阵元沿第二方向探测子阵的延伸方向等间距间隔设置。由此，便于第一探测阵元和第二探测阵元的布设，而且，可以提高水域目标探测定位的准确性和可靠性。
在本发明的一些实施例中，第一探测阵元和第二探测阵元可以均为水听器，第一探测阵元和第二探测阵元接收目标发出的信号以对目标进行探测定位。需要说明的是，本申请提出的水域目标的探测定位***可以采用被动式探测定位***，第一探测阵元和第二探测阵元采用水听器。在进行水域目标的探测定位时，第一探测阵元和第二探测阵元不会主动发送探测信号，而是通过接收水域目标发出的信号，对水域目标进行探测定位。由此，便于探测定位***的隐蔽布设，有效避免了目标察觉到探测定位***。
根据本发明的一些实施例，第一方向探测子阵和第二方向探测子阵均设于待探测水域的水底，目标为水下目标。也就是说，本申请提出的探测定位***可以布设于水下，用于检测水下目标。如探测定位***可以用于蛙人等水下小目标的探测定位。
根据本发明实施例的水域目标的定位方法，方法采用如上述所述的水域目标的定位***对目标进行探测定位，如图2所示，方法包括：
S101：利用多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵接收目标发出的信号；
S102：对接收的信号进行预处理得到处理信号；
S103:通过处理信号同相叠加获取聚焦点，并基于聚焦点确定目标的位置。
根据本发明实施例的水域目标的定位方法，采用的定位***采用了多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵垂直阵型布设，通过组合阵列进行处理探测，克服了单条线阵的方位模糊及无法定位等问题，采用本发明所述阵列信号处理方法，可以有效实现近场水下小目标的高精度被动定位。
根据本发明的一些实施例，对接收的信号进行预处理得到处理信号，包括：采用球面波扩展法得到阵列近场测量模型，利用组合线阵的宽带近场聚焦定位方法对多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵接收的信号进行延时或相移补充处理，以获得处理信号。
下面参照附图，详细描述根据本发明的水域目标的探测定位***及探测定位方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不能理解为对本发明的具体限制。
本发明针对水下小目标被动探测与定位问题，提出了特殊组合阵联合处理探测方法，各探测子阵采用相互垂直结构布局，克服了单条线阵的方位模糊及无法定位等问题。研究特殊组合线阵的宽带MUSIC近场聚焦定位方法，实现近场水下小目标的高精度被动定位。理论分析及仿真结果表明，分段子阵联合处理能有效对水下运动小目标进行定位，海试试验进一步验证了该方法的有效性。
相关技术中，利用均匀声压线阵对近程目标进行定位时，聚焦波束形成的纵向分辨率较低，且在实际测量中不能保证目标处于线列阵的开角范围内。同时，采用单条线列阵进行噪声源的定位时会产生左右舷模糊问题，这些会导致以上定位方法的性能急剧恶化，甚至不能正确判别噪声源的位置。本发明采用互相垂直的多条线阵能有效解决以上问题，抑制左右舷模糊，提高定位性能。
如图1所示，本发明的水域目标探测定位***采用特殊组合阵阵型。以5条子阵为例，其中，1号、3号、5号第一方向探测子阵为位于x轴的水平线阵，2号、4号第二方向探测子阵为垂直于x轴的线阵，1号阵的左侧的第一阵元位于坐标原点，相邻阵列间距为D。每条子阵由M个阵元组成，阵元间距为d，各阵元的位置坐标为(xmi,ymi,0)(mi＝0,…,M；i＝1,…,5)，其中，m为子阵的编号，i为子阵的阵元编号，总阵元数为5M。以原点处的阵元为参考阵元，第p号声源与参考阵元间的距离为d，第p号声源(xp,yp,zp)距离其他阵元的距离矢量和时延矢量为：
Figure BDA0002456956370000085
Figure BDA0002456956370000086
其中，
Figure BDA0002456956370000081
公式(3)中，mi＝1，…，M；i＝1，…，5。
Figure BDA0002456956370000082
第p号声源对应的方向向量为：
Ap＝[A1 A2 A3 A4 A5]T (5)
公式(5)中，
Figure BDA0002456956370000083
当特殊组合阵的近场区域存在P个声源，声源辐射信号为sp(t)(p＝1，…，P)，第m号阵元接收信号Bm(t)为：
Figure BDA0002456956370000084
公式(6)中，Ap表示声源功率，rpm为声源sp到第m号阵元之间的距离，τpm＝rpm/c为相应的传播时延。
特殊组合阵近场定位原理：
近场聚焦波束形成是将一定几何形状排列的多元阵，按球面波扩展方法对各阵元接收到的信号进行时延或相移补偿处理，当补偿到声源位置处时，各阵元接收信号会形成同相迭加，出现“聚焦”点，聚焦峰对应的空间位置即为声源位置。
将阵列接收信号分为L个子段，对阵元接收数据做J点离散傅里叶变换(DiscreteFourier transformation，DFT)，得到宽带信号接收模型：
Xl(fj)＝A(fj)Sl(fj)+Nl(fj)，l＝1,2，…，L；j＝1,2，…，J (7)
公式(7)中，Xl(fj)、Sl(fj)、Nl(fj)分别对应频率fj的接收数据、信号和噪声的DFT变换。
第p个声源对应的方向向量为：
A(fj)＝[a1(fj) a2(fj) … a5(fj)]T (8)
Figure BDA0002456956370000091
对宽带接收的协方差矩阵R(fj)进行特征分解，可分为互相正交的信号子空间和噪声子空间。
Figure BDA0002456956370000092
其中，对角阵∑s(fj)为频率fj对应的含有P个大的特征值，∑N(fj)为频率fj对应的含有5M-P个小的特征值，大特征值对应的特征矢量构成信号子空间Us(fj)，小特征值对应的特征矢量构成噪声子空间UN(fj)。且Us(fj)与UN(fj)相互正交，等同于信号子空间的方向矢量
Figure BDA0002456956370000093
与UN(fj)正交，即
Figure BDA0002456956370000094
得到基于幅度补偿的MUSIC近场聚焦波束形成，特殊组合阵的输出空间谱为：
Figure BDA0002456956370000095
公式(11)中，
Figure BDA0002456956370000096
Figure BDA0002456956370000097
如图3-图8所示，为根据本发明的水域目标的定位***和方法进行水下目标定位的实验结果。其中，实验假设有5条16元1.5m间距的线子阵，3条水平摆阵与2条垂直摆放，总阵元数为80，两相邻阵列(首阵元)间距为45m；以第1条阵1号阵元为坐标原点，仿真信噪比SNR＝0 dB，100～500Hz的宽带目标信号，设置目标在组合阵的不同位置，得到的定位结果如图3-图8所示。
综合上述仿真，得出以下结论：
(1)目标离阵越近，阵接收的目标噪声越大，定位效果越好；
(2)特殊组合阵能有效抑制左右舷模糊，但当目标距离某条阵很近时，仍然有左右舷模糊影响，可以从空间谱幅度上分辨出目标真实位置；
(3)即使目标不在某条子阵的有效探测范围(-60°～60)°内，特殊组合阵也能准确地定位到目标；
对位于(100,100)m处的目标进行定位，定位误差随信噪比变化曲线如图9所示，并对每个信噪比进行1000次蒙特卡洛独立实验。可以看出，随着信噪比的增加，定位误差减小，当信噪比SNR＝-15dB可以准确对百米范围内目标进行定位。
图10和图11为采用本发明的水域目标定位***和方法进行目标定位的实例试验。试验数据是在渤海海试采集，试验目的是利用特殊组合阵对水下蛙人小目标进行定位与跟踪。试验概况：试验地点水深为3～4m，5条阵元间隔为1.5m的16元声压水听器构成的均匀线阵，相邻阵列距离45m。蛙人从距离3号阵50m左右的位置下潜，垂直向3号阵游动。阵列布放后，对阵元坐标位置进行标定。
选取蛙人下潜后某一时刻的试验数据，采用本专利定位方法得到的结果如图9和图10所示。可以看出，本发明方法能够对蛙人进行定位，且不受左右舷模糊的影响，图9和图10中蛙人距离3号阵的距离与实际距离相符，达到了预期的定位效果。
综上所述，根据本发明实施例的水域目标的定位***及方法，采用了多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵垂直阵型布设，通过特殊组合阵的各个子阵联合进行处理探测克服了单条线阵的方位模糊及无法定位等问题，基于特殊组合阵的MUSIC近场聚焦定位方法可以有效实现近场水下小目标的高精度被动定位。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种水域目标的定位***，其特征在于，包括：多个第一方向探测子阵和多个第二方向探测子阵，多个所述第一方向探测子阵和多个所述第二方向探测子阵按照预设阵型布设于待探测水域，用于探测和定位所述待探测水域中的目标；
其中，所述第一方向探测子阵和所述第二方向探测子阵的延伸方向不同。
2.根据权利要求1所述的水域目标的定位***，其特征在于，所述预设阵型为多个所述第一方向探测子阵和多个所述第二方向探测子阵沿所述第一方向探测子针或所述第二方向探测子阵的延伸方向间隔交错设置。
3.根据权利要求2所述的水域目标的定位***，其特征在于，所述第一方向探测子阵的延伸方向与所述第二方向探测子阵的延伸方向垂直。
4.根据权利要求2所述的水域目标的定位***，其特征在于，多个所述第一方向子阵和多个所述第二方向子阵为等间距间隔交错设置。
5.根据权利要求1所述的水域目标的定位***，其特征在于，每个所述第一方向探测子阵包括多个第一探测阵元，每个所述第二方向探测子阵包括多个第二探测阵元。
6.根据权利要求5所述的水域目标的定位***，其特征在于，多个所述第一探测阵元沿所述第一方向探测子阵的延伸方向等间距间隔设置，多个所述第二探测阵元沿所述第二方向探测子阵的延伸方向等间距间隔设置。
7.根据权利要求5中任一项所述的水域目标的定位***，其特征在于，所述第一探测阵元和所述第二探测阵元均为水听器，所述第一探测阵元和所述第二探测阵元接收所述目标发出的信号以对所述目标进行探测定位。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的水域目标的定位***，其特征在于，所述第一方向探测子阵和所述第二方向探测子阵均设于所述待探测水域的水底，所述目标为水下目标。
9.一种水域目标的定位方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-8中任一项所述的水域目标的定位***对目标进行探测定位，所述方法包括：
利用多个所述第一方向探测子阵和多个所述第二方向探测子阵接收所述目标发出的信号；
对接收的所述信号进行预处理得到处理信号；
通过所述处理信号同相叠加获取聚焦点，并基于所述聚焦点确定所述目标的位置。
10.根据权利要求9所述的水域目标的定位方法，其特征在于，所述对接收的所述信号进行预处理得到处理信号，包括：
采用球面波扩展法得到阵列近场测量模型，利用组合线阵的宽带近场聚焦定位方法对多个所述第一方向探测子阵和多个所述第二方向探测子阵接收的所述信号进行延时或相移补充处理，以获得所述处理信号。
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