[发明专利]一种基于互质阵的匹配场被动定位方法

说明书

本发明公开了一种基于互质阵的匹配场被动定位方法，本发明首先利用实测声速剖面，采用简正波模型模拟该海洋环境下声源信号到达互质阵的频域复声压作为阵列接收数据。对声源可能存在的海域划分深度距离网格，利用已知的环境参数、阵列参数结合简正波模型生成处声源位于不同位置处的拷贝向量。对阵列接收数据和拷贝向量进行阵列扩展处理后将二者匹配，得到表征二者相关程度的模糊函数，获取模糊函数矩阵的最大值点即为估计出的声源位置。本发明将子阵间距压缩互质阵应用于匹配场处理中，扩大了稀疏阵技术的适用面，有效的改善了上述匹配场处理由于模糊函数旁瓣较高导致的定位模糊，提升了传统均匀线列阵在噪声干扰下定位的有效性。

技术领域

本发明属于航海技术领域，具体涉及一种匹配场被动定位方法。

背景技术

匹配场处理为水声物理与阵列信号处理交叉的一个热门领域，它充分利用了海洋信道信息对阵列接收信号进行处理分析。匹配场技术首先被Bucker于1976年提出并引入模糊表面这一重要概念，Fizell等在匹配场定位的基础上，结合了高分辨率波束形成方法，完成了匹配场被动定位实验。自此，国内外学者开始使用匹配场处理进行声源定位、目标跟踪、海洋参数反演等。文献“匹配场处理——水声物理学与信号处理的结合，电子科技导报,1996(04):9-12.”指出匹配场处理通常存在由于模糊函数旁瓣较高导致定位模糊的问题，影响着定位的稳定性。匹配场定位还容易受到环境噪声的影响，导致定位结果误差很大而失效。

近些年来，稀疏阵技术逐步发展成熟，在空间谱估计中应用广泛，它突破了传统阵列阵元间距半波长的限制，获得更高的定位精度和分辨率。目前最常见的稀疏阵列结构一类是嵌套阵，另一类是互质阵。相比于均匀线阵，稀疏阵具有以下优势：1)阵元数相同时，稀疏阵对应的虚拟阵拥有更大的阵列孔径，更多的自由度，在测向精度、分辨率等方面具有更好的性能。2)阵元间距的扩大，使得互耦效应大大降低，提高了测向性能。在随后的众多学者的研究中，一些新的互质阵结构被提出。在文献“基于互质阵的波达方向估计研究，信号处理在地球物理——浙江省信号处理学会2018年学术年会论文集，2018,12-16.”中，一种子阵间距压缩的互质阵被提出，通过压缩其中一个子阵的阵元间距来增大连续虚拟阵元数，它的分辨能力相比较于传统互质阵会更强。目前对稀疏阵的研究较为丰富，但大部分应用于雷达、通信等方面，与水声信号处理结合的较少。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于互质阵的匹配场被动定位方法，本发明首先利用实测声速剖面，采用简正波模型模拟该海洋环境下声源信号到达互质阵的频域复声压作为阵列接收数据。对声源可能存在的海域划分深度距离网格，利用已知的环境参数、阵列参数结合简正波模型生成处声源位于不同位置处的拷贝向量。对阵列接收数据和拷贝向量进行阵列扩展处理后将二者匹配，得到表征二者相关程度的模糊函数，获取模糊函数矩阵的最大值点即为估计出的声源位置。本发明将子阵间距压缩互质阵应用于匹配场处理中，扩大了稀疏阵技术的适用面，有效的改善了上述匹配场处理由于模糊函数旁瓣较高导致的定位模糊，提升了传统均匀线列阵在噪声干扰下定位的有效性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：使用子阵间距压缩的互质阵结构作为水听器接收阵列；

取两个互为质数的数M、N，设单位阵元间距为d＝λ/2，λ为信号的波长；设第一个子阵的阵元间距为Md，阵元个数为N；第二个子阵的阵元间距为Nd，阵元个数为M；采用压缩因子p将第二个子阵的阵元间距压缩至将两个子阵组合即为互质阵结构的水听器阵列；

步骤2：水听器阵列接收数据表示为：

x(t)＝AS(t)+n(t) (1)

其中，x(t)是水听器阵列接收到的声压，A表示声源在水听器阵列不同阵元上的导向矢量，S(t)是声源信号，n(t)表示水听器上的加性噪声；

采用式(2)得到水听器阵列接收数据的协方差矩阵：