CN113589297B - 联合利用收发合置回波与收发分置回波的目标速度估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种联合利用收发合置回波与收发分置回波的目标速度估计方法，首先，根据多基地声纳***配置特点，分别建立发射基地和接收基地的目标回波频率与发射信号频率、目标绝对速度和航向的方程；其次，对方程进行近似并联立，利用数值方法求解非线性方程组，得到目标绝对速度估计值。本发明可在单周期内同时获取目标速度矢量在多个接收节点与目标连线上的投影，从原理上可规避因目标航向变化而引起算法误差的缺陷，可提高目标绝对速度估计精度和基于速度的目标识别方法的判决效率。

Description

联合利用收发合置回波与收发分置回波的目标速度估计方法
技术领域
本发明涉及声学领域，具体涉及声纳信号处理领域，主要是一种联合利用收发合置回波与收发分置回波的目标速度估计方法。
背景技术
目标速度特征是主动声纳目标识别的重要特征之一，收发合置声纳一般通过多普勒频移可计算目标径向速度，其物理含义是目标的绝对速度在收发合置声纳与目标连线上的投影，由于目标航向未知，因此仅利用一个收发合置声纳无法提取目标的绝对速度，故径向速度虽可以提供一定目标特征，但其信息量有限：仅能在提取的径向速度结果较大时，判定目标是高速运动目标，但当提取的径向速度结果较小时，无法确定该多普勒频移是由低速运动还是高速运动目标引起的。
绝对速度与径向速度相比，前者包含的速度特征更加清晰，可直接用于识别结果的判决，因此，一些国内外研究致力于提取目标绝对速度用于主动声纳目标识别。其中一种解决方案是利用多个收发合置声纳分时发射主动信号，分别获取目标在不同收发合置声纳与目标连线上的投影，再利用空间位置关系求解目标绝对速度，该方法的缺点是需要多次发射信号，目标在两次发射时间间隔内的航向变化将引起绝对速度的计算误差，影响最终的识别判决结果。因此，本发明考虑基于多基地声纳，联合利用收发合置回波与收发分置回波，在单周期内获取目标的绝对速度信息，提高估计精度和目标识别判决效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种联合利用收发合置回波与收发分置回波的目标速度估计方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种联合利用收发合置回波与收发分置回波的目标速度估计方法，首先，根据多基地声纳***配置特点，分别建立发射基地和接收基地的目标回波频率与发射信号频率、目标绝对速度和航向的方程；其次，对方程进行近似并联立，利用数值方法求解非线性方程组，得到目标绝对速度估计值。
本发明具体步骤如下：
(1)利用收发合置回波，建立目标绝对速度vt、航向θt与发射基地接收的收发合置目标回波接收频率frm的方程：
(2)利用收发分置回波，建立目标绝对速度vt、航向θt与接收基地接收的收发合置目标回波接收频率frb的方程：
(3)利用数值解法求解目标航向，基本过程如下：
(3.1)对式(1)和式(2)采取一阶近似，简化为式(3)和式(4)；
(3.2)利用数值解法求解非线性方程，解得θt，具体过程如下：
(3.2.1)将式(3)带入式(4)，利用已知参量表示未知参量，如式(5)，已知参量整体记为C，θt满足：
(3.2.2)构建函数E，如式(6)，对航向θt进行搜索，并根据1/E输出的极大值确定θt的数值解；
(4)将θt的两个数值解分别代入式(3)，求得目标绝对速度vt，保留vt>0的解，完成对目标绝对速度的估计。
本发明与利用多个收发合置声纳分时发射主动信号提取目标绝对速度的方法相比，可在单周期内同时获取目标速度矢量在多个接收节点与目标连线上的投影，从原理上可规避因目标航向变化而引起算法误差的缺陷，可提高目标绝对速度估计精度和基于速度的目标识别方法的判决效率。
附图说明
图1：联合利用收发合置回波与收发分置回波的目标速度估计方法流程图；
图2：收发分置探测***几何模型；
图3：目标航向角估计结果；
图4：目标绝对速度估计结果。
符号说明
vs：发射基地速度绝对值
φst：目标相对发射基地的舷角
βt：目标相对发射基地所在的方位
vr：接收基地运动速度绝对值
φrt：目标相对接收基地的舷角
f0：发射信号频率
frm：收发合置回波接收频率
frb：收发分置回波接收频率
βb：收发分置角：
vt：目标速度绝对值
θt：目标航向
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
本发明提出一种联合利用收发合置回波与收发分置回波的目标速度估计方法，首先，根据多基地声纳***配置特点，分别建立发射基地和接收基地的目标回波频率与发射信号频率、目标绝对速度和航向的方程；其次，对方程进行近似并联立，利用数值方法求解非线性方程组，得到目标绝对速度估计值。本发明联合利用收发合置回波多普勒频移、收发分置回波多普勒频移以及多基地声纳***各节点空间位置信息和运动参数，给出了一种新的目标绝对速度估计方法，与利用收发合置回波多普勒频移计算得到的径向速度相比，该方法得到的速度特征更加清晰，可直接用于主动目标识别结果的判决。本发明充分利用了多基地声纳一发多收的特点，在单周期内即可获取目标的绝对速度信息，提高了主动目标识别的判决效率。经过蒙特卡洛仿真分析表明，当多普频率存在测量误差时，利用本发明提出的联合利用收发合置回波与收发分置回波的目标速度估计方法，通过数值解法求解的目标绝对速度的估计误差在可接受范围内，具有进一步通过海试数据验证的价值。
本发明具体包括以下步骤：
(1)利用收发合置回波，建立目标绝对速度vt、航向θt与发射基地接收的收发合置目标回波接收频率frm的方程：
(2)利用收发分置回波，建立目标绝对速度vt、航向θt与接收基地接收的收发合置目标回波接收频率frb的方程：
(3)利用数值解法求解目标航向，基本过程如下。
(3.1)对式(1)和式(2)采取一阶近似，简化为式(3)和式(4)。
(3.2)利用数值解法求解非线性方程，解得θt，具体过程如下。
(3.2.1)将式(3)带入式(4)，利用已知参量表示未知参量，如式(5)，已知参量整体记为C。θt满足：
(3.2.2)构建函数E，如式(6)，对航向θt进行搜索，并根据1/E输出的极大值确定θt的数值解。
(4)将θt的两个数值解分别代入式(3)，求得目标绝对速度vt，保留vt>0的解，完成对目标绝对速度的估计。
本发明提出联合利用收发合置回波与收发分置回波的目标绝对速度估计方法，流程图如附图1所示，分别利用收发合置回波和收发分置回波的多普勒频率信息，结合目标绝对速度和目标航向建立方程，如式(1)和式(2)所示，采取一阶近似，得到简化形式如式(3)和式(4)所示，联立式(3)和式(4)并结合多基地声纳各节点和目标的几何位置参数和运动参数(如附图2，其中符号含义参见符号说明)，确立方程组，最后利用式(6)所示的数值求解方法求解目标的航向和绝对速度。
具体实施例如下：
进行仿真实验验证，发射基地目标舷角：100度；目标方位：40度；目标航向：20度；接收基地目标舷角：60度；发射基地速度绝对值：8m/s；接收基地速度绝对值:8m/s；目标速度绝对值：4m/s；发射信号频率：5000Hz；收发分置角：113.6度。进行500次蒙特卡洛仿真，误差参数如下：发射基地速度测量误差：均值为0，标准偏差为1m/s的高斯测量误差；接收基地速度测量误差：均值为0，标准偏差为1m/s的高斯测量误差；接收基地目标回波到达角误差：均值为0，标准偏差为4度的高斯测量误差；收发分置角测量误差：均值为0，标准差为4度的高斯测量误差。
目标航向角与目标绝对速度的估计结果分别如附图3和附图4所示，目标航向角估计误差绝对值不超过7度，速度估计误差绝对值不超过0.5m/s，满足实际使用需求，体现了本发明所提出的目标绝对速度估计方法的有效性，具有进一步通过海试数据验证的价值。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种联合利用收发合置回波与收发分置回波的目标速度估计方法，其特征在于：首先，根据多基地声纳***配置特点，分别建立发射基地和接收基地的目标回波频率与发射信号频率、目标绝对速度和航向的方程；其次，对方程进行近似并联立，利用数值方法求解非线性方程组，得到目标绝对速度估计值；
(1)利用收发合置回波，建立目标绝对速度vt、航向θt与发射基地接收的收发合置目标回波接收频率frm的方程：
(2)利用收发分置回波，建立目标绝对速度vt、航向θt与接收基地接收的收发合置目标回波接收频率frb的方程：
(3)利用数值解法求解目标航向，基本过程如下：
(3.1)对式(1)和式(2)采取一阶近似，简化为式(3)和式(4)；
(3.2)利用数值解法求解非线性方程，解得θt，具体过程如下：
(3.2.1)将式(3)带入式(4)，利用已知参量表示未知参量，如式(5)，已知参量整体记为C，θt满足：
(3.2.2)构建函数E，如式(6)，对航向θt进行搜索，并根据1/E输出的极大值确定θt的数值解；
(4)将θt的两个数值解分别代入式(3)，求得目标绝对速度vt，保留vt>0的解，完成对目标绝对速度的估计；
其中，vs：发射基地速度绝对值，φst：目标相对发射基地的舷角，βt：目标相对发射基地所在的方位，vr：接收基地运动速度绝对值，φrt：目标相对接收基地的舷角，f0：发射信号频率，frm：收发合置回波接收频率，frb：收发分置回波接收频率，βb：收发分置角，vt：目标速度绝对值，θt：目标航向。
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