一种基于声场干涉条纹的单水平阵被动测速和测距装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声工程、声纳信号处理领域，涉及一种水下目标的被动测距和速度 估计方法，特别涉及一种基于声场干涉条纹的单水平阵目标被动测速和测距方法。
【背景技术】
[0002] 水下目标的速度、距离信息可以用于声纳的目标识别、辅助决策，可以为武器系统 等提供目标指示等，因此，作为声纳系统的主要任务之一，一直是水声工作者致力解决的问 题。（拖曳线列阵声纳由于其基阵尺寸大、工作频率低、探测距离远等优点而成为水面舰及 潜艇最重要的警戒声纳，也是最主要的鱼雷报警声纳，如何利用拖曳线列阵声纳实现目标 的被动测距已成为国内外专家学者研究的热点问题。）
[0003] 现有的被动测距技术主要有：1.三元阵被动测距技术，对时延估计精度的要求很 高，并且对阵型位置也要精确已知，通常采用激光测阵，由于拖曳线列阵阵型的不稳定性使 得该方法的性能急剧下降；2.匹配场被动测距技术，该方法须对海洋环境进行建模，也即 需要获得海洋环境的精细的先验知识，在陌生海区使用有一定困难，并且声场建模的计算 量大；3.目标运动分析被动测距技术在实现目标被动测距的过程中需要本平台做一次变 向的机动，给使用带来较大的不便；聚焦波束形成被动测距技术，该方法适用于近场被动定 位，对远场声源的应用存在限制。
[0004] 海洋低频声场具有时空相干性，亦即低频声场存在稳定可观察的干涉结构。一 般来说，干涉结构是复杂的，需采用某种时空变换对其简化，最常用时空变换为时-空 Fourier变换，获得的干涉结构I(t，f)被称为L0FAR图。波导不变量0是由俄罗斯学者 S.D.Chuprov首先提出的，反映了距离、频率及其与I(r，《)图上干涉条纹斜率的关系，描 述了声场的频散特性和相长相消的干涉结构。利用0描述L0FAR图中干涉条纹的斜率并 得到干涉条纹轨迹方程，据此可进行声纳信号处理，提取目标运动参数或环境信息。这开辟 了声纳信号处理的一类新途径。亦为探寻声纳被动测距技术提供了一种新思路。
[0005] 利用水下声场的相干性，基于波导不变量的目标运动参数估计和被动测距技术成 为了近年来的研究热点。国外采用垂直阵引导源方法进行被动测距，国内学者就该方法进 行了跟踪研究，并进行了相应的海试研究，该方法的最大特点是距离估计时无需波导环境 的先验知识、稳健性好、定位精度高，但垂直阵不宜应用于运动平台（参见：Sourceranging withminimalenvironmentalinformationusingavirtualreceiverandwaveguide invarianttheory，《J.Acoust.Soc.Am.》，2000,108 (4) : 1582-1594 ;海深变化环境下目标 距离定位，《声学技术》，2009,28(5) :586-591页）；国内学者发展了"引导声源水平阵被动 测距技术"，采用水平阵而不是垂直阵，是一个进步，水平阵被动测距更适合应用，但该算法 是在阵元域处理的，水平阵只是用于空间采样，因而，该算法没有充分利用阵的空间增益 (参见：波导不变量原理在目标测距中的应用，《声学技术》，2009,28(2) :45-46页）；还提 出了双阵元或双阵被动测距，但要求目标有最近通过距离，尽管有重要的应用前景，但这不 完全符合声纳的使用要求（参见基于波导不变量的目标运动参数估计及被动测距，《声学学 报》，2011，36 (3)，258-264页）。尽管文献（参见：基于声场干涉结构的双水平阵（元）被 动测距，《声学学报》，2012, 37 (4)，440-447页）发展了更具普适性的无最近通过距离的被 动测距算法，但采用双阵（元）模型，不便于应用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了解决水下声源被动测距测速问题，而提出一种基于声场干涉 条纹的单水平阵被动目标测速测距装置，包括信号采集处理模块、波束形成模块、目标跟踪 模块、目标方位估计模块、谱分析模块、预处理模块、图像处理模块、距离距变率估计模块、 目标航向角估计模块以及目标距离速度估计模块，其中：
[0007] 所述信号采集处理模块对声纳各阵元接收的信号进行放大、滤波条件处理并进行 采集，得到关注频段的阵元域信号；
[0008] 所述波束形成模块对所采集的阵元域信号进行阵处理，累积后获得方位时间历程 图；
[0009] 所述目标跟踪模块利用波束形成模块的输出波束域信号对目标进行跟踪；
[0010] 所述目标方位估计模块利用目标跟踪模块输出的跟踪波束进行目标方位估计；
[0011] 所述谱分析模块对跟踪波束的输出采用短时傅里叶变换做谱分析，得到感兴趣目 标的干涉结构图；
[0012] 所述图像预处理模块对干涉结构图进行剔除线谱或a滤波预处理，得到清晰 的干涉条纹；
[0013] 所述图像处理模块分别对图像预处理模块处理后的干涉结构图做Radon变换处 理，得到干涉条纹的斜率参数；
[0014] 所述距离距变率比估计模块利用图像处理模块输出的干涉条纹斜率参数，结合波 导不变量理论估计目标在不同时刻距离距变率比；
[0015] 所述航向角估计模块结合目标干涉结构图和所述波束形成模块输出的方位时间 历程图，通过Hough变换实现目标航向角的估计；
[0016] 所述目标距离速度估计模块利用目标航向角、目标方位和距离距变率比的估计结 果，实现对感兴趣目标距离和速度的估计。
[0017] 本发明还提供一种用于所述基于声场干涉条纹的单水平阵被动目标测速测距装 置的方法，该方法中，目标以线速度V。沿着A点经过B点运动到C点，A、B、C三点对应的时 刻分别为时刻，以h时刻本平台所在位置为坐标原点〇建立x-y坐标系，目标运动 轨迹的延长线与x轴的夹角，也即目标航向角为供，从h时刻到t2时刻，本平台以速度val沿 x轴正向匀速运动，而在t2时刻改变速度，t2时刻到t3时刻以速度va2匀速运动；ti、t2、t3时 亥帽标相对于本平台的水平距离分别为ri、r2、r3，方位角分别为（0彳180) °、（ 0 2+180) °、 (03+18〇)°，€为目标的距离距变率比，t2、t3时刻距离距变率比为。和
[0018] 其特征在于包括以下步骤：
[0019] 步骤一，利用所述信号采集处理模块对声纳各阵元接收的信号进行放大、滤波处 理等，并采集，得到关注频段的阵元域信号；
[0020] 步骤二，利用所述波束形成模对采集的信号进行阵处理，累积后获得方位时间历 程图；
[0021 ] 步骤三，利用所述目标跟踪模块对感兴趣目标进行跟踪，所述跟踪波束作为目标 方位估计，对跟踪波束的输出采用短时傅里叶变换做谱分析，得到感兴趣目标的干涉结构 图，若本平台变速时刻为t2时刻观测时间从h到t3，则h到t2时刻信号的谱分析结果与t2 到t3时刻信号的谱分析结果分别形成组成干涉结构图；
[0022] 步骤四，对所述两干涉结构图进行剔除线谱或a 滤波预处理，以便获得清晰
的干涉欠站?升沿?m;士庙工、池仕说阅保^adon变换处理，利用公式
[0023]
[0024] 从该干涉条纹图中可得出目标在t2、t3时刻距离距变率比为。和，其中，ct可 由对干涉结构图Radon变换估计，其余参数都可从干涉结构图上直接获取；
[0025] 步骤五，对所述t2、t3时刻的干涉结构图，结合相应的方位时间历程作Hough变换 得到目标在t2、t3的相对于该装置所在平台的航向角奶和灼，通过公式：
[0026]
[0027] 实现目标航向角的估计；
[0028] 步骤六，基于目标航向角、目标方位和距离距变率比的估计结果，通过公式：
[0029]
^±2am i/j - amj
[0030] 实现对感兴趣目标速度估计，其中
[0031] 通过公式：
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] 估计目标在tpt2、t3时刻的距离，其中
【附图说明】
[0036] 图1为目标和本平台的运动态势图；
[0037] 图2为干涉结构示意图；
[0038] 图3为基于声场干涉条纹的单水平阵被动目标测速测距装置构成图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
[0040] 参考图1，表示目标和本平台的运动。目标以线速度V。沿着A点经过B点运动到 C点，A、B、C三点对应的时刻分别为tpt2、t3时刻，以心时刻本平台所在位置为坐标原点〇 建立x_y坐标系，目标运动轨迹的延长线与x轴的夹角，也即目标航向角为炉。从ti时刻到 t2时刻，本平台以速度val沿x轴正向匀速运动，而在t2时刻改变速度，t2时刻到t3时刻以 速度va2匀速运动。h、t2、t3时刻目标相对于本平台的水平距离分别为ri、r2、r3，方位角分 别为（9i+180) °、（ 0 2+180) °、（ 0 3+180) °。则有
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[0045] 其中，At为时间间隔，不失一般性，At=tfti=t3_t2。
[0046]若时刻，目标的距离距变率比为€p则
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