專(zhuān)利名稱(chēng)：拖曳線(xiàn)列陣被動(dòng)測(cè)距方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種探測(cè)方法，具體地說(shuō)是一種高精確被動(dòng)測(cè)距的方法。
背景技術(shù)：
拖曳線(xiàn)列陣是一種拖曳在水面船舶后面的大孔徑線(xiàn)列陣，它具有低頻，大孔徑，受 本地干擾小，不受船舶結(jié)構(gòu)限制等優(yōu)點(diǎn)。但因拖曳線(xiàn)列陣的聲學(xué)段是柔性的，可能存在陣型 畸變，對(duì)測(cè)距性能會(huì)有所影響。傳統(tǒng)的三元陣被動(dòng)測(cè)距和匹配場(chǎng)被動(dòng)測(cè)距因要求陣元位置 精確已知，故均不適合應(yīng)用于拖曳陣聲吶，故此類(lèi)聲吶迄今仍無(wú)技術(shù)使它們具有高精度被 動(dòng)測(cè)距功能。一種適合拖曳線(xiàn)列陣聲納被動(dòng)測(cè)距的穩(wěn)健的定位算法有待于研究。波導(dǎo)不變量β是由莫斯科大學(xué)的Chuprov教授提出的，被用來(lái)描述低頻聲場(chǎng)的干 涉結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)不變量不需要知道海洋的先驗(yàn)知識(shí)，就可以描述環(huán)境的影響。目前美國(guó)海軍 研究所及Scrip實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研究“基于信道不變量的引導(dǎo)聲源垂直陣被動(dòng)測(cè)距”(見(jiàn)文獻(xiàn) [1] :Aaron Μ. Thode. Source ranging with minimal environmental information using a virtual receiver and waveguide invariant theory[J]. J. Acoust. Soc. Am，2000， 108(4) 1582-1594.)和“基于擴(kuò)展函數(shù)的單聲壓水聽(tīng)器被動(dòng)測(cè)距”(見(jiàn)文獻(xiàn)[2] =Kevin L. Cockrell, Henrik Schmidt. Robust passive range estimation using the waveguide invariant [J]. J. Acoust. Soc. Am, 2010,127 (5) :2780_2789)兩種方法。中國(guó)科學(xué)學(xué)院聲學(xué) 所在南海進(jìn)行了引導(dǎo)聲源垂直陣被動(dòng)測(cè)距的海試(文獻(xiàn)[3]鹿力成.海底變化環(huán)境下目 標(biāo)距離定位[J].水聲及物理聲學(xué)，2007，26 (4) :65-68)。中國(guó)海洋大學(xué)在驗(yàn)證了該方法的 可行性之后，發(fā)展了“引導(dǎo)聲源水平陣被動(dòng)測(cè)距技術(shù)”，采用水平陣而不是垂直陣，這是一個(gè) 進(jìn)步，因?yàn)樗疥嚤粍?dòng)測(cè)距更適合應(yīng)用(文獻(xiàn)[4]趙振東，高大治，王好忠，王寧.波導(dǎo)不 變量在目標(biāo)測(cè)距中的應(yīng)用[J].聲學(xué)技術(shù)，2009，28 (2) :45-46)。一種基于信道不變量原理 的水平陣信號(hào)處理研究有更廣闊的應(yīng)用前景。如果有一種基于拖曳線(xiàn)列陣，結(jié)合波導(dǎo)不變量進(jìn)行被動(dòng)測(cè)距的技術(shù)，這種技術(shù)不 僅能推動(dòng)水聲對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，而且在岸站、和海洋研究中，尤其在聲學(xué)海上測(cè)量研究中均 會(huì)有重要應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、穩(wěn)健的拖曳線(xiàn)列陣被動(dòng)測(cè)距方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的(1)分別對(duì)拖曳線(xiàn)列陣的兩個(gè)分裂陣接收的信號(hào)作短時(shí)傅里葉變換(STFT)得到 分裂陣的LOFAR圖，再分別進(jìn)行方位估計(jì)可以得到兩幅瀑布圖；(2)對(duì)兩幅瀑布圖中任意一幅瀑布圖做Radon變換或Hough變換得到目標(biāo)的航向 角，目標(biāo)到兩分裂陣聲中心的聲程差為等效陣元間距與航向角的余弦的乘積；(3)對(duì)兩LOFAR圖作圖像相關(guān)得到目標(biāo)通過(guò)兩分裂陣聲中心的時(shí)延，從而得到目 標(biāo)航速ν ；
3
(4)在兩LOFAR圖上提取對(duì)應(yīng)干涉條紋的最近通過(guò)時(shí)刻，取它們的平均作為目標(biāo) 相對(duì)原點(diǎn)的最近通過(guò)時(shí)刻、；(5)利用Radon變換或Hough變換對(duì)分裂陣的LOFAR圖進(jìn)行圖像處理，在變換域提 取目標(biāo)相對(duì)兩分列陣聲中心的最近通過(guò)距離與目標(biāo)航速的比值，進(jìn)而得到目標(biāo)相對(duì)兩分裂 陣聲中心的最近通過(guò)距離，取平均得到目標(biāo)相對(duì)于原點(diǎn)最近距離A ；(6)根據(jù)目標(biāo)距離r的計(jì)算公式
，t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，可以測(cè)得運(yùn)動(dòng)
目標(biāo)距離。本發(fā)明提供了一種穩(wěn)健的基于拖曳線(xiàn)列陣被動(dòng)測(cè)距的技術(shù)，采用Radon變換或 Hough變換對(duì)LOFAR圖和瀑布圖進(jìn)行圖像處理，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)速度和距離的測(cè)量，對(duì)目 標(biāo)識(shí)別和水聲對(duì)抗均有重要的意義。本發(fā)明不需要精細(xì)的海洋參數(shù)，允許陣型有寬容的偏差，利用分裂陣就可以實(shí)現(xiàn) 穩(wěn)健的被動(dòng)測(cè)距，這種技術(shù)不僅可以用于分裂成雙陣的拖曳陣，也可以用于舷側(cè)陣等其他 水平陣上。在實(shí)際應(yīng)用中它的探測(cè)距離遠(yuǎn)，使用場(chǎng)合多，即可以用于岸站，也可用于水面船 或水下平臺(tái)。對(duì)海岸預(yù)警系統(tǒng)，水聲對(duì)抗等方面均有重要應(yīng)用前景。


圖1是拖曳線(xiàn)列陣被動(dòng)測(cè)距框圖；圖2是拖曳線(xiàn)列陣在海中布放圖；圖3是目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述以將拖曳線(xiàn)列陣分裂等效成的兩個(gè)陣元模型為例說(shuō)明測(cè)距的原理。本申請(qǐng)的基本 原理為拖曳線(xiàn)列陣接收寬帶、連續(xù)譜的噪聲。對(duì)拖曳線(xiàn)列陣的左右兩個(gè)分裂陣輸出的信號(hào) 進(jìn)行信息變換，在變換域上分別得到兩組的LOFAR圖和瀑布圖。利用Radon變換或Hough 變換對(duì)LOFAR圖和瀑布圖進(jìn)行圖像處理，結(jié)合波導(dǎo)不變量的原理測(cè)量目標(biāo)的距離，速度等 信息。結(jié)合圖1，給出了拖曳線(xiàn)列陣被動(dòng)測(cè)距框圖。結(jié)合圖2，給出本發(fā)明的拖曳線(xiàn)列陣在海中的布放圖。假定一拖曳線(xiàn)列陣1布放在 海深h米處，目標(biāo)聲源2在深度Ztl處等深航行。結(jié)合圖3，給出所采用的定位模型。兩等效陣元置于χ軸上，等效陣元間距d，陣的 聲學(xué)中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)。目標(biāo)航速為V，作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)方位角為θ，航向角為α (規(guī) 定與χ軸正向的夾角)。目標(biāo)分別到兩分裂陣等效聲中心的距離為Α和r2，方位角分別為 9工和92，最近通過(guò)距離分別為1^1與1^2，最近通過(guò)時(shí)刻為、1與、2。若以原點(diǎn)0為參考點(diǎn)， 則目標(biāo)的最近通過(guò)距離為IV最近通過(guò)時(shí)刻為、。對(duì)左右分裂陣接收的信號(hào)作短時(shí)傅里葉變換(STFT)，可以分別得到兩分裂陣的 LOFAR圖；再對(duì)兩分裂陣接收的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行方位估計(jì)可以得到兩幅瀑布圖，這四幅圖將 是進(jìn)一步測(cè)距的基礎(chǔ)。首先估計(jì)目標(biāo)航向角α 對(duì)某一瀑布圖作Radon變換或Hough變換得到目標(biāo)航向 角的估計(jì)α (若對(duì)兩個(gè)瀑布圖均作Radon變換或Hough變換，可以取α JP α 2的平均值)；目標(biāo)到兩分列陣聲中心的聲程差近似為dcos α ；第二步估計(jì)目標(biāo)航速ν和目標(biāo)相對(duì)原點(diǎn)的最近通過(guò)時(shí)刻、先對(duì)雙陣元的兩個(gè) LOFAR圖做圖像相關(guān)，也即二維相關(guān)，得到目標(biāo)通過(guò)兩陣元的時(shí)延Τ，并讀出^和tQ2 ；目標(biāo)相對(duì)原點(diǎn)的最近通過(guò)時(shí)刻、為^和‘的平均值；即 然后依據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系式(2)計(jì)算目標(biāo)航速 第三步估計(jì)目標(biāo)相對(duì)原點(diǎn)的最近通過(guò)距離A 先對(duì)兩LOFAR圖做Radon變換或 Hough變換，得到r01/v, r02/v,即有r01 = av, r02 = bv(3)其中a，b為Radon變換或Hough變換得到的參數(shù)值，則可根據(jù)下式計(jì)算目標(biāo)相對(duì) 于原點(diǎn)最近通過(guò)距離為 第四步估計(jì)目標(biāo)水平距離r 將前面估計(jì)的目標(biāo)航速ν和目標(biāo)相對(duì)原點(diǎn)的最近通 過(guò)時(shí)刻、及目標(biāo)相對(duì)原點(diǎn)的最近通過(guò)距離A代入下式，即可測(cè)距 當(dāng)然，本發(fā)明還可以有其他的實(shí)施例，在不背離發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉 本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明做出相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬 于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種拖曳線(xiàn)列陣被動(dòng)測(cè)距方法，其特征是(1)分別對(duì)拖曳線(xiàn)列陣的兩個(gè)分裂陣接收的信號(hào)作短時(shí)傅里葉變換得到分裂陣的LOFAR圖，再分別進(jìn)行方位估計(jì)得到兩幅瀑布圖；(2)對(duì)兩幅瀑布圖中任意一幅瀑布圖做Radon變換或Hough變換得到目標(biāo)的航向角，目標(biāo)到兩分裂陣聲中心的聲程差為等效陣元間距與航向角的余弦的乘積；(3)對(duì)兩LOFAR圖作圖像相關(guān)得到目標(biāo)通過(guò)兩分裂陣聲中心的時(shí)延，從而得到目標(biāo)航速v；(4)在兩LOFAR圖上提取對(duì)應(yīng)干涉條紋的最近通過(guò)時(shí)刻，取它們的平均作為目標(biāo)相對(duì)原點(diǎn)的最近通過(guò)時(shí)刻t0；(5)利用Radon變換或Hough變換對(duì)分裂陣的LOFAR圖進(jìn)行圖像處理，在變換域提取目標(biāo)相對(duì)兩分列陣聲中心的最近通過(guò)距離與目標(biāo)航速的比值，進(jìn)而得到目標(biāo)相對(duì)兩分裂陣聲中心的最近通過(guò)距離，取平均得到目標(biāo)相對(duì)于原點(diǎn)最近距離r0；(6)根據(jù)目標(biāo)距離r的計(jì)算公式t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，測(cè)得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離。FSA00000202672500011.tif
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種拖曳線(xiàn)列陣被動(dòng)測(cè)距方法。它基于分裂陣，結(jié)合波導(dǎo)不變量和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系，利用圖像處理方法估計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距。本發(fā)明不需要精細(xì)的海洋參數(shù)，允許陣型有寬容的偏差，利用分裂陣就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的被動(dòng)測(cè)距，這種技術(shù)不僅可以用于分裂成雙陣的拖曳陣，也可以用于舷側(cè)陣等其他水平陣上。本發(fā)明對(duì)海岸預(yù)警系統(tǒng)，水聲對(duì)抗等方面均有重要應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01S15/08GK101915922SQ20101023500
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者惠俊英, 惠娟, 溫韶娟, 趙安邦 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)