[发明专利]一种基于压缩感知的水声匹配场定位方法

说明书

技术领域

本发明属于水声工程技术领域，涉及一种声源定位方法，特别涉及一种基于压缩感知进行匹配场源的定位方法。

背景技术

声波在海水中传播衰减小而且受水中悬浮物质的影响小，适合远距离信息传输，因此声波是水下信息的主要载体，而海洋则是一个上受限于海面、下受限于海底的复杂声波导。水下感兴趣的目标源辐射/反射声信号，该信号在海洋信道中传播，水听器接收阵列采样信号。水下目标源定位，即通过分析、处理传感器阵列接收到的信号和海洋信道知识来估计目标源位置。声源定位是阵列信号处理的研究重点之一，在水声对抗和海洋工程等领域得到了广泛的应用。

匹配场处理结合了阵列信号处理和声波在海洋波导中的传播特性，充分利用了水声信道物理模型，与其他淡化信道模型的信号处理技术相比较，定位性能可大大改善。匹配场处理的应用主要包含水下目标源定位和海洋环境参数反演两方面，后者称为匹配场层析(MatchedField Tomography，简称MFT)。从本质上来说，匹配场源定位是一个根据接收信号和信道知识求解声源位置的逆问题，匹配场层析是根据接收信号和声源信息反演海洋环境参量的逆问题。目前已有许多高分辨力匹配场处理，但是他们大都依赖于较多的独立时间样本且对环境失配敏感。但是，对于时变信道、运动目标跟踪等场景，平稳的观测时间较短，难以获得较多的独立时间样本数，因此快拍缺失情况下的高分辨力匹配场处理值得研究。

信号通过基函数变换后所得到的向量是稀疏的或者可压缩的，这就是信号的稀疏表示。它可以从实质上降低信号处理的成本，在图像、通信以及雷达等领域存在广泛的应用。实际上，稀疏性在水声目标探测中同样存在。复杂的海洋环境中同时辐射信号的目标源通常较少，若将一定区域内的目标元空间分布看成一幅图像(由所有坐标位置的目标强度表示)，则这幅图只在几个强目标位置比较亮，因此这是一幅在空间区域坐标下具有稀疏表示的图像。目前已有的匹配场处理器主要利用海洋信道知识和声压数据，他们并没有利用水下目标空间谱的稀疏性。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于压缩感知的水声匹配场定位方法，其可提取到声源信号最本质的特征，达到去除噪声的效果，提高定位的精确度。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于压缩感知的水声匹配场定位方法，包括如下步骤：

步骤1，确定声源的搜索范围；

步骤2，根据阵列接收到的水声信号和声场传播模型测算栅格点上的声场函数g_i(r_q)，对目标实施匹配场定位；

步骤3，根据压缩感知理论对接收信号进行稀疏重构；

步骤4，采用平滑l₀范数法对信号进行重构；

步骤5，对于重构的信号进行优化求解，得出最逼近原始信号的重构信号。

上述步骤1中，将接收阵列垂直摆放，声源位于接收阵列的右侧，选用简正波模型测算声场。

上述步骤1中，在观测范围内，对观测范围区域离散化为Q个网格点，获得网格区域(R,Z)，其中，R表示在搜索网格区域上的距离范围，Z表示搜索网格区域上的深度范围，将这些网格点依次编号为：1，2，…，Q-1，Q。

上述步骤2的详细内容是：

对所划分的网格区域(R,Z)使用简正波模型，根据阵元与网格点之间位置关系构造稀疏基G，则第i个阵元接收信号在如下的基下稀疏表示：

G＝[g(r₁),g(r₂),...,g(r_Q)]

其中，g(r_Q)＝[g₁(r_q),g₂(r_q),...,g_M(r_q)]^T，q＝1,2,…Q,Q表示搜索空间划分的栅格数目；g_i(r_q)表示从位置r_q到第i个阵元之间的格林函数，其中每一个r_q对应一个可能的声源位置，i＝1,2,…,M，M表示阵元个数；

第i个阵元处的接收信号稀疏表示为：

x_q(l)＝G×b_q(l)+n_q(l),l＝1,2,...,L