[发明专利]一种基于单矢量传感器的空中目标定位方法

说明书

本发明提供的是一种基于单矢量传感器的空中目标定位方法。首先，利用pv_z互谱信号计算得到方位角估计结果。然后，对v_z进行谱分析后，进行相应频段的频率提取。使用LSM算法对频率估计方法进行改进，提高了频率序列提取精度和基频估计结果精度。再进行水平方向参数估计，结合水平距离补偿算法，可得到补偿前后的水平距离估计结果。当方位角与航向角接近时，最近距离匹配算法的提出，使最近距离估计结果更为准确。水平距离补偿算法的提出，降低了角度估计精度对水平距离估计精度的影响，使水平距离估计结果更为准确。通过频率序列提取法计算仰角，在仰角估计算法的基础上，实现了空中目标的高度估计，从而实现了对空中目标的三维定位。

技术领域

本发明涉及的是一种信号处理方法，具体地说是一种空中目标定位方法。

背景技术

水下平台具有良好的机动性，有较大的自给力、续航力和作业半径。但是水下平台一般缺少有效的对空观测手段。研究如何在水下对空中目标进行探测及定位的方法十分必要。

在对空中目标探测及定位算法研究前，首先需要对空中目标激发声场进行研究。空中目标辐射噪声主要有四种途径传播入水：直接折射波直达声、折射波的海底-海面反射声、非均匀波和散射波。针对空中目标激发声场的研究很多。Hudilnac[1]基于射线理论对空中目标激发的水下声场声强进行研究并给出了静止目标透射入水后的声强计算式。Weinstein基于波动理论对空中目标透射入水声场进行了数值计算[2]；布列霍夫斯基对球面波在平整界面的反射和折射进行了研究，并将到达水下接收器的声波分为两部分：按照射线声学折射入水的声波和非均匀波，且非均匀波幅度随接收器离界面的距离增大呈指数衰减[3]；Urick基于射线理论计算了直接折射波的声强，发现了水中垂直方向上存在余弦平方指向性[4]。Chapman[5]基于波动理论，给出了空中目标激发声场的简正波表示法，发现了空中目标激发声场可等效为水下声场，只在激发系数上存在差异。以上主要针对空中目标激发的水下声场的理论研究，Buckingham通过多次海上实验[6]，验证了水下可以接收空中目标辐射噪声，并且接收到的线谱信号多普勒信息可以用于空中目标定位识别。并从线源和点源两个角度，对运动声源在三层Pekeris波导中的声传播理论作了详细的理论推导，从声压场的能量和多普勒两方面进行了分析[7]。Clark和Jacyna[8,9]基于射线理论研究了声源的运动对水下接收信号的影响。Gythrie和Hawker[10,11]在水平分层介质中利用简正波理论，给出了沿水平方向匀速直线运动声源的声场，并得到了近似稳相点的计算方法，使简正波方法的实现更容易,但是该方法要求声源的运动速度必须远远小于介质声速。Sehmidt[12]针对海洋波导环境用谱理论给出了声源和接收器联合运动情况下的声场。主要适用于远距离、多普勒脉冲信号的计算。Brian[13]利用射线模型给出了接收到信号的多普勒频偏时间的变化关系，利用测频方法处理实验数据得到的空中目标辐射的线谱产生的多普勒频偏随时间的关系与所建立的射线模型吻合较好。

水下平台通过探测空中目标辐射噪声透射入水的部分声能量实现对空中目标的探测定位。在Urick[4]、Medwin[14]以及Richardson[15]的研究中都已经证明了水下平台接收信号中可以检测到空中目标辐射的低频线谱信息。因此利用透射入水的声能包含的线谱信息进行空中目标定位是可行的。

水下平台探测空中目标主要有以下几种方法：第一种是直接观察或利用雷达探测，方法虽然简单，但是安全性能差。第二种是水下平台释放浮标，利用浮标携带传感器进行探测。但是第二种方法受环境条件影响，受水下平台和浮标之间的光缆限制，水下平台无法下潜到较大的深度。第三种方法，就是通过水下平台上携带的传感器采集到的信号进行被动探测。本方法安全性好，而且对水下平台的机动性无影响。

与本发明相关的公开文献包括：