一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声定位领域，尤其涉及一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位 方法。
【背景技术】
[0002] 随着水声定位方法的发展，被动定位技术由于其良好的隐蔽性，在军事领域中有 着良好的应用前景，多年来一直备受世界各国水声学者的关注和重视。一方面，随着声呐系 统工作频段不断向低频发展，常规的声压水听器构成的水听器阵列在保持一定增益和束宽 的条件下，其阵列孔径越来越大，这在一定程度上限制了其在实际工程中的应用。另一方 面，当前成熟的被动定位技术对于较为复杂的浅海环境，还面临着诸多问题，如匹配场定位 技术的环境失配问题等。矢量水听器迅速发展为被动定位开辟了新的视野，矢量水听器作 为一种新型的水声传感器，在低频和甚低频段依然可以获得良好的空间增益，应用在低频 和甚低频领域可以有效解决设备庞大的问题；矢量水听器可以同步共点测量声场的声压和 振速信息，为水声信号的处理提供了全面的声场信息。
[0003] 文献"The array invariant"(J. Acoust. Soc. Am. Vol. 119, 336-351，2006)在水平 分层海洋波导环境下提出了一种基于浅海基阵不变量理论的瞬态声源定位方法，该方法利 用了基阵常规波束形成后的被动波束-时间强度数据偏移不变性原理。
[0004] 文献 "A new invariant method for instantaneous source range estimation in an ocean waveguide from passive beam-time intensity data'，（J. Acoust. Soc. Am. 116(4)，2646, 2004)推导出了一种基于阵不变量利用常规基阵估计瞬态源距离的方法。
[0005] 文献"Range estimation of broadband noise sources in an ocean waveguide using the array invariant"（J.Acoust.Soc.Am. 117(4),2577, 2005)提出了在环境的先 验知识未知情况下用于宽带噪声源距离估计的方法，这种方法适用于在水平分层海洋波导 定位多个不相关噪声源。
[0006] 文献"浅海波导中宽带声源被动测距研究"（中国海洋大学硕士论文，2011)对阵 不变量测距进行了推广发展，提出了广义阵不变量，并对水平阵和垂直阵的阵不变量测距 进行了试验验证。
[0007] 文献"基于基阵不变量理论的水平阵被动估距方法研究"（声学与电子工程， 104(4) :14-17, 2011)针对浅海水平阵测距问题，研究了一种基于浅海基阵不变量理论的 瞬态声源定位方法。
[0008] 以上文献的共同特点是基于阵不变量利用常规声压阵对目标进行定位，该方法对 海洋环境先验知识依赖性较弱。
[0009] 文献"基于单矢量水听器的水面目标运动分析"（声学技术，29 (4) : 361-364, 2010) 介绍了一种基于单个三维矢量水听器对水面目标进行跟踪定位和运动速度估计的方法。 [0010] 文献"基于干涉谱分析的单水听器被动定位技术研究"（哈尔滨工程大学硕士学位 论文，2006)和文献"浅海声场干涉结构与宽带声源测距研究"（中国海洋大学硕士学位论 文，2010)通过对声场干涉特性的分析，利用单矢量水听器对目标进行定位。
[0011] 文献"时间反转镜被动定位技术研究"（哈尔滨工程大学博士论文，2008)和文献 "单水听器被动时反定位研究"（声学与电子工程，84(4) :15-17,2006)利用基于时间反转 镜的单矢量水听器进行定位。
[0012] 以上文献的共同特点是定位方法需要事先确知海洋环境信息。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的是为了解决现有方法对海洋环境先验知识依赖性弱以及定位方法 需要事先确知海洋环境信息的问题，而提出了一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位 方法。
[0014] -种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法，包括以下步骤，
[0015] 步骤一：对声压信号p (t)和水平振速信号\(t)进行短时傅立叶变换，得到声压 的时频分布P ( τ，f)和水平振速的时频分布VJ τ，f);
[0016] 步骤二：利用步骤一中的声压的时频分布P(T，f)和水平振速的时频分布 t(T，f)得到简正波俯仰角f与简正波到达时间τ的模糊度平面及
[0017] 步骤三：根据步骤二中的简正波俯仰角於与简正波到达时间τ的模糊度平面 .利用阵不变量的方法实现目标定位。
[0018] -种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法，还可以包括：
[0019] 1、声压的时频分布P ( τ，f)和水平振速的时频分布VJ τ，f)分别为：
[0020]
[0021]
[0022] 其中，数据窗函数h(t)定义为：
[0023]
[0024] 其中，T为窗长，e为自然常数，j为虚数单位，f为频率，t为时间，τ为时移。
[0025] 2、简正波俯仰角梦与简正波到达时间τ的模糊度平面/<r,M为：
[0026]
[0027] 其中，R1X^f)为计算模糊度平面的统计量，<(r，/)为水平振速的时频分布 V1X τ，f)的平方，P2 ( τ，f)为声压的时频分布P ( τ，f)的平方。
[0028] 3、利用阵不变量的方法实现目标定位的方法为：
[0029] 对简正波俯仰角f与简正波到达时间τ的模糊度平面进行峰值检测得到 线性回归数据点&，的
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[0031] Mr为模糊度平面最大值，D为设定阈值，
[0032] 目标定位结果为：
[0033]
[0034] 其中，r为目标与接收间的相对距离，escp为峰值检测到的线性回归数据点 'jr，的的俯仰角穸余割值，c为平均声速。
[0035] 有益效果：
[0036] 本发明的一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法，结合阵不变量理论和 矢量水听器的特点，利用矢量水听器代替声压阵，降低阵列孔径；利用阵不变量理论，降低 定位方法对海洋环境先验知识的依赖性。需要目标信号形式为宽带源。解决了现有方法对 海洋环境先验知识依赖性弱以及定位方法需要事先确知海洋环境信息的问题。
【附图说明】
[0037] 图1为本发明流程图；
[0038] 图2为【具体实施方式】三中俯仰角与到达时间模糊度平面；
[0039] 图3为【具体实施方式】四中峰值检测后的线性回归数据点；
[0040] 图4为【具体实施方式】四中τ和CM梦之间线性关系斜率（阵不变量）估计。
【具体实施方式】
[0041] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
【具体实施方式】 [0042] 一：结合图1说明本实施方式，一种基于阵不变量的单矢量水听器 被动定位方法具体是按照以下步骤进行的：
[0043] 步骤一、对矢量水听器接收的声压信号p (t)和水平振速信号\ (t)进行短时傅立 叶变换，得到声压的时频分布P ( τ，f)和水平振速的时频分布VJ τ，f);
[0044] 步骤二、利用步骤一中的声压的时频分布P(T，f)和水平振速的时频分布 K T，f)得到简正波俯仰角，与简正波到达时间τ的模糊度平面Mr#):
[0045] 步骤三、根