[发明专利]一种低频双矢量水听器阵列的测距方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于矢量阵列信号处理领域，提出了一种基于宽频带波导不变量的分布式测距方法，该方法弥补了传统单频、标量方法在单条水平阵测距方面的不足，能够高质量的判定出目标与接收水听器几何中心的距离。

背景技术

当前成熟的常规被动测距手段多适用于深海稳定环境，而对于较为复杂的浅海环境，还面临着许多问题。浅海波导作为声信号传播的环境载体，是一个极其复杂多变的声信道，信道的多途效应、频散效应、水体的不均匀性、海底参数的不确定性、海底海面的不平整等因素均会引起声信号的畸变，从根源上导致传统声纳探测技术在实际使用时性能不佳。因此发展无需精确海洋环境的先验知识，也不严格要求阵型不变的稳健被动测距算法意义重大。

浅海低频水声信道的不确定中也蕴含有相对的统计不变性，如果能利用水声信道的这种统计不变特征（如波导不变量β）来实现被动测距，可以基本不受环境不确定因素的影响。

在目标距离随时间变化的情况下，对接收器接收的目标宽带噪声信号进行LOFAR分析，接收到的LOFAR图上会出现有规律的条纹，这是由于构成声场的各个简正波之间的互相干涉随距离变化而导致的，这种现象称为波导不变性，可以用波导不变量（记为β）来表征。基于波导不变量的目标测距方法是一种宽容的水下目标测距方法。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述问题，本发明提供了一种低频双矢量水听器阵列的测距方法及系统。

本发明提出的分布式低频矢量水听器阵列的测距方法，根据矢量阵列的输出信号特性，给出了矢量阵的快速宽带频域波束形成方法，并分别对海洋环境信息了解程度的低和高，有两类基于波导不变量的测距方法：一种是不需要精确环境信息的基于提取波导不变量的测距方法；一种是依据环境信息，进行理论计算得到波导不变量的目标测距方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种低频双矢量水听器阵列的测距方法，该方法基于被动测距，所述方法包含：

步骤101）利用两个矢量水听器水平线阵列接收目标发射的来自θ方向的信号，然后对接收的信号进行波束形成；

步骤102）基于形成的波束信号得到各波束的LOFAR图，然后基于LOFAR图提取波导不变量；

步骤103）根据提取的波导不变量，利用分布式的两个矢量水听器水平线阵对探测目标声强的干涉图进行目标距离估计。

可选的，矢量水听器水平线阵采用声能流信号进行波束形成，公式为：

D_I＝e^H·Re(R_pv)·g_v

其中，所述矢量阵列包含声压传感器和质点振速传感器，从而能够共点同步测量空间某点处的声压和三个质点振速正交分量：P,V_x,V_y,V_z；R_pv表示声能流；g_v表示方向扫描向量；Re（）表示取信号实部；D_I表示基于声能流的波束形成输出。

上述步骤102）进一步包含：

步骤201）对声能流信号进行采样，然后将声能流信号的采样序列分成连续的若干帧，且每帧包含N个采样点；

步骤202）对每帧信号的采样样本L(n)作归一化和中心处理；

步骤203）对矢量传感器接收到的信号x(n)作短时傅立叶变换得到LOFAR谱图；

步骤204）基于LOFAR谱图的干涉条纹的斜率值，估计波导不变量的值

上述步骤103）依据波导不变量的值和信号方位角θ的值，采用如下公式估计矢量水听器水平线阵列中心与目标的距离r：

r^=maxrρ(β^,r,θ^)]]>

其中，为估计得到的波导不变量的值，表示某个具体的方位，ρ表示两个矢量水听器水平线阵列输出的频域波束形成信号的相关系数。

上述相关系数ρ的计算公式为：