[发明专利]一种基于扩散映射的水下声源匹配场定位方法

说明书

本发明公开了一种基于扩散映射的水下声源匹配场定位方法，包括：(1)选择距离和深度网格，通过声场模型计算各个网格处的拷贝场向量和归一化拷贝场向量矩阵；(2)计算协方差矩阵并进行矩阵范数归一化；(3)将拷贝场向量矩阵和协方差矩阵构建为一个矩阵集合，计算集合内矩阵两两之间的指数黎曼距离；(4)根据距离矩阵构造扩散核矩阵，并进行特征分解，根据特征值和特征向量构造出扩散映射图；(5)计算扩散映射图上协方差矩阵与不同拷贝场向量矩阵的距离，最短距离对应的位置即为声源位置。本发明相比于常规匹配场算法，在低信噪比环境下可以有效地对目标声源进行被动定位；可以有效降低旁瓣级，提高主瓣分辨率。

技术领域

本发明涉及的是一种水下声纳阵列信号处理算法，特别是一种基于扩散映射的水下声源匹配场定位方法，可应用于声纳阵列在低信噪比环境下的被动声源定位，属于水声阵列信号处理领域。

背景技术

匹配场处理技术通过传统的阵列信号处理方法与基于海洋环境特性的声场模型相结合，成为目标声源被动探测的主要手段之一。该方法将声源、环境和接收阵列作为一个整体系统，通过对接收阵列的实际测量声信号与理论模型预测的声场做相关匹配，即可实现声源位置的估计。但是考虑到匹配场处理具有非线性的特性，其输出模糊度表明会出现复杂的多模结构，因此其处理性能具有明显的门限效应，即匹配场算法会随着信噪比的降低，算法的均方误差逐渐增大，具体表现为旁瓣模糊；特别的，在信噪比很低的条件下，算法性能下降严重，无法实现对目标的探测定位。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现在低信噪比环境下的探测定位的基于扩散映射的水下声源匹配场定位方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于扩散映射的水下声源匹配场定位方法，包括以下步骤：

步骤1：通过时频分析处理实测数据得到声信号的频率信息，计算对应频点的协方差矩阵R，并对该矩阵进行矩阵范数的归一化，得到归一化协方差矩阵Rf；

步骤2：根据频率和海深选择声场模型，根据阵列各个阵元布放深度，建立相应的拷贝场距离和深度网格，计算拷贝场向量和相应的拷贝场向量矩阵G_i，i＝1～M表示不同网格点位置，M为全部网格个数，对拷贝场向量矩阵进行矩阵范数的归一化，得到不同网格点上归一化拷贝场向量矩阵Gf_i；

步骤3：构建一个矩阵集合A，包含全部的归一化拷贝场向量矩阵和归一化协方差矩阵，共M+1个元素，集合中第一个元素A₁为归一化协方差矩阵Rf，第二个元素A₂至A_M+1为各个网格点上的归一化拷贝场向量矩阵Gf₁至Gf_M；

计算A中各个元素之间的指数黎曼距离B_kj，将全部的指数黎曼距离构造为一个维度M+1的仿射方阵B，方阵B中第k行第j列的元素B_kj为集合A中第k个矩阵和j个矩阵之间的指数黎曼距离，B_kj满足：

B_kj＝exp[-{tr[A_k]+tr[A_j]-2tr[(A_kA_j)^1/2]}/σ²]

其中，k＝1～M+1，j＝1～M+1，tr表示矩阵对应的迹，σ²为仿射矩阵的度量比；

步骤4：根据仿射矩阵B构造扩散核矩阵P，并对扩散核矩阵P进行特征分解得到特征值和特征向量，根据特征值和特征向量构造出扩散映射图；

步骤5：计算扩散映射图中各个拷贝场向量矩阵对应位置χ_t(A_i)与协方差矩阵在扩散映射图中的位置χ_t(A₁)之间的距离，其中i＝2～M+1，具体为：