一種基于聲場干涉條紋的單水平陣被動測速和測距裝置及其方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于水聲工程、聲納信號處理領域，涉及一種水下目標的被動測距和速度 估計方法，特別涉及一種基于聲場干涉條紋的單水平陣目標被動測速和測距方法。
【背景技術】
[0002] 水下目標的速度、距離信息可以用于聲納的目標識別、輔助決策，可以為武器系統 等提供目標指示等，因此，作為聲納系統的主要任務之一，一直是水聲工作者致力解決的問 題。（拖曳線列陣聲納由于其基陣尺寸大、工作頻率低、探測距離遠等優點而成為水面艦及 潛艇最重要的警戒聲納，也是最主要的魚雷報警聲納，如何利用拖曳線列陣聲納實現目標 的被動測距已成為國內外專家學者研究的熱點問題。）
[0003] 現有的被動測距技術主要有：1.三元陣被動測距技術，對時延估計精度的要求很 高，并且對陣型位置也要精確已知，通常采用激光測陣，由于拖曳線列陣陣型的不穩定性使 得該方法的性能急劇下降；2.匹配場被動測距技術，該方法須對海洋環境進行建模，也即 需要獲得海洋環境的精細的先驗知識，在陌生海區使用有一定困難，并且聲場建模的計算 量大；3.目標運動分析被動測距技術在實現目標被動測距的過程中需要本平臺做一次變 向的機動，給使用帶來較大的不便；聚焦波束形成被動測距技術，該方法適用于近場被動定 位，對遠場聲源的應用存在限制。
[0004] 海洋低頻聲場具有時空相干性，亦即低頻聲場存在穩定可觀察的干涉結構。一 般來說，干涉結構是復雜的，需采用某種時空變換對其簡化，最常用時空變換為時-空 Fourier變換，獲得的干涉結構I(t，f)被稱為L0FAR圖。波導不變量0是由俄羅斯學者 S.D.Chuprov首先提出的，反映了距離、頻率及其與I(r，《)圖上干涉條紋斜率的關系，描 述了聲場的頻散特性和相長相消的干涉結構。利用0描述L0FAR圖中干涉條紋的斜率并 得到干涉條紋軌跡方程，據此可進行聲納信號處理，提取目標運動參數或環境信息。這開辟 了聲納信號處理的一類新途徑。亦為探尋聲納被動測距技術提供了一種新思路。
[0005] 利用水下聲場的相干性，基于波導不變量的目標運動參數估計和被動測距技術成 為了近年來的研究熱點。國外采用垂直陣引導源方法進行被動測距，國內學者就該方法進 行了跟蹤研究，并進行了相應的海試研究，該方法的最大特點是距離估計時無需波導環境 的先驗知識、穩健性好、定位精度高，但垂直陣不宜應用于運動平臺（參見：Sourceranging withminimalenvironmentalinformationusingavirtualreceiverandwaveguide invarianttheory，《J.Acoust.Soc.Am.》，2000,108 (4) : 1582-1594 ;海深變化環境下目標 距離定位，《聲學技術》，2009,28(5) :586-591頁）；國內學者發展了"引導聲源水平陣被動 測距技術"，采用水平陣而不是垂直陣，是一個進步，水平陣被動測距更適合應用，但該算法 是在陣元域處理的，水平陣只是用于空間采樣，因而，該算法沒有充分利用陣的空間增益 (參見：波導不變量原理在目標測距中的應用，《聲學技術》，2009,28(2) :45-46頁）；還提 出了雙陣元或雙陣被動測距，但要求目標有最近通過距離，盡管有重要的應用前景，但這不 完全符合聲納的使用要求（參見基于波導不變量的目標運動參數估計及被動測距，《聲學學 報》，2011，36 (3)，258-264頁）。盡管文獻（參見：基于聲場干涉結構的雙水平陣（元）被 動測距，《聲學學報》，2012, 37 (4)，440-447頁）發展了更具普適性的無最近通過距離的被 動測距算法，但采用雙陣（元）模型，不便于應用。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是為了解決水下聲源被動測距測速問題，而提出一種基于聲場干涉 條紋的單水平陣被動目標測速測距裝置，包括信號采集處理模塊、波束形成模塊、目標跟蹤 模塊、目標方位估計模塊、譜分析模塊、預處理模塊、圖像處理模塊、距離距變率估計模塊、 目標航向角估計模塊以及目標距離速度估計模塊，其中：
[0007] 所述信號采集處理模塊對聲納各陣元接收的信號進行放大、濾波條件處理并進行 采集，得到關注頻段的陣元域信號；
[0008] 所述波束形成模塊對所采集的陣元域信號進行陣處理，累積后獲得方位時間歷程 圖；
[0009] 所述目標跟蹤模塊利用波束形成模塊的輸出波束域信號對目標進行跟蹤；
[0010] 所述目標方位估計模塊利用目標跟蹤模塊輸出的跟蹤波束進行目標方位估計；
[0011] 所述譜分析模塊對跟蹤波束的輸出采用短時傅里葉變換做譜分析，得到感興趣目 標的干涉結構圖；
[0012] 所述圖像預處理模塊對干涉結構圖進行剔除線譜或a濾波預處理，得到清晰 的干涉條紋；
[0013] 所述圖像處理模塊分別對圖像預處理模塊處理后的干涉結構圖做Radon變換處 理，得到干涉條紋的斜率參數；
[0014] 所述距離距變率比估計模塊利用圖像處理模塊輸出的干涉條紋斜率參數，結合波 導不變量理論估計目標在不同時刻距離距變率比；
[0015] 所述航向角估計模塊結合目標干涉結構圖和所述波束形成模塊輸出的方位時間 歷程圖，通過Hough變換實現目標航向角的估計；
[0016] 所述目標距離速度估計模塊利用目標航向角、目標方位和距離距變率比的估計結 果，實現對感興趣目標距離和速度的估計。
[0017] 本發明還提供一種用于所述基于聲場干涉條紋的單水平陣被動目標測速測距裝 置的方法，該方法中，目標以線速度V。沿著A點經過B點運動到C點，A、B、C三點對應的時 刻分別為時刻，以h時刻本平臺所在位置為坐標原點〇建立x-y坐標系，目標運動 軌跡的延長線與x軸的夾角，也即目標航向角為供，從h時刻到t2時刻，本平臺以速度val沿 x軸正向勻速運動，而在t2時刻改變速度，t2時刻到t3時刻以速度va2勻速運動；ti、t2、t3時 亥帽標相對于本平臺的水平距離分別為ri、r2、r3，方位角分別為（0彳180) °、（ 0 2+180) °、 (03+18〇)°，€為目標的距離距變率比，t2、t3時刻距離距變率比為。和
[0018] 其特征在于包括以下步驟：
[0019] 步驟一，利用所述信號采集處理模塊對聲納各陣元接收的信號進行放大、濾波處 理等，并采集，得到關注頻段的陣元域信號；
[0020] 步驟二，利用所述波束形成模對采集的信號進行陣處理，累積后獲得方位時間歷 程圖；
[0021 ] 步驟三，利用所述目標跟蹤模塊對感興趣目標進行跟蹤，所述跟蹤波束作為目標 方位估計，對跟蹤波束的輸出采用短時傅里葉變換做譜分析，得到感興趣目標的干涉結構 圖，若本平臺變速時刻為t2時刻觀測時間從h到t3，則h到t2時刻信號的譜分析結果與t2 到t3時刻信號的譜分析結果分別形成組成干涉結構圖；
[0022] 步驟四，對所述兩干涉結構圖進行剔除線譜或a 濾波預處理，以便獲得清晰
的干涉欠站?升沿?m;士廟工、池仕說閱保^adon變換處理，利用公式
[0023]
[0024] 從該干涉條紋圖中可得出目標在t2、t3時刻距離距變率比為。和，其中，ct可 由對干涉結構圖Radon變換估計，其余參數都可從干涉結構圖上直接獲取；
[0025] 步驟五，對所述t2、t3時刻的干涉結構圖，結合相應的方位時間歷程作Hough變換 得到目標在t2、t3的相對于該裝置所在平臺的航向角奶和灼，通過公式：
[0026]
[0027] 實現目標航向角的估計；
[0028] 步驟六，基于目標航向角、目標方位和距離距變率比的估計結果，通過公式：
[0029]
^±2am i/j - amj
[0030] 實現對感興趣目標速度估計，其中
[0031] 通過公式：
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] 估計目標在tpt2、t3時刻的距離，其中
【附圖說明】
[0036] 圖1為目標和本平臺的運動態勢圖；
[0037] 圖2為干涉結構示意圖；
[0038] 圖3為基于聲場干涉條紋的單水平陣被動目標測速測距裝置構成圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖對本發明進行進一步的說明。
[0040] 參考圖1，表示目標和本平臺的運動。目標以線速度V。沿著A點經過B點運動到 C點，A、B、C三點對應的時刻分別為tpt2、t3時刻，以心時刻本平臺所在位置為坐標原點〇 建立x_y坐標系，目標運動軌跡的延長線與x軸的夾角，也即目標航向角為爐。從ti時刻到 t2時刻，本平臺以速度val沿x軸正向勻速運動，而在t2時刻改變速度，t2時刻到t3時刻以 速度va2勻速運動。h、t2、t3時刻目標相對于本平臺的水平距離分別為ri、r2、r3，方位角分 別為（9i+180) °、（ 0 2+180) °、（ 0 3+180) °。則有
[0041]
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[0045] 其中，At為時間間隔，不失一般性，At=tfti=t3_t2。
[0046]若時刻，目標的距離距變率比為€p則
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