不確定海洋環(huán)境中的模態(tài)子空間重構(gòu)穩(wěn)健目標(biāo)定位方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種不確定海洋環(huán)境中的模態(tài)子空間重構(gòu)穩(wěn)健目標(biāo)定位方法，首先建立不確定海洋環(huán)境模型，利用水平波數(shù)的二階特性來確定可預(yù)測模態(tài)子空間；將目標(biāo)可能出現(xiàn)的區(qū)域在距離和深度上劃分網(wǎng)格，利用可預(yù)測模態(tài)子空間及其對應(yīng)的模態(tài)系數(shù)重構(gòu)各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的拷貝場向量并歸一化；獲得聲納陣列各測量水聽器接收信號，得到頻域數(shù)據(jù)快拍；利用多個(gè)頻域數(shù)據(jù)快拍求得協(xié)方差矩陣；將各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的拷貝場向量和協(xié)方差矩陣R進(jìn)行相關(guān)處理，得到目標(biāo)位置的估計(jì)。本發(fā)明受環(huán)境不確定的影響較小，定位性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的匹配場定位方法和穩(wěn)健最大似然方法。
【專利說明】不確定海洋環(huán)境中的模態(tài)子空間重構(gòu)穩(wěn)健目標(biāo)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種目標(biāo)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]實(shí)現(xiàn)對水下目標(biāo)的有效定位是聲納設(shè)備的主要目的之一，尋找快速穩(wěn)健的目標(biāo)定位算法有著重大的工程應(yīng)用意義。
[0003]現(xiàn)代的聲納定位面臨來自兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)，其一是待定位目標(biāo)的輻射聲源級越來越低，例如隨著一系列減震降噪措施的應(yīng)用，在過去的30?40年內(nèi)水下航行器的聲源級大約以每年0.5?IdB的速度下降，這給聲納定位帶來了巨大的挑戰(zhàn)。第二個(gè)是聲納工作的環(huán)境由深海轉(zhuǎn)向淺海環(huán)境，在淺海海域，由于受到海底、海面以及各種海洋不均勻性的影響，聲納回波表現(xiàn)出起伏和衰落效應(yīng)，這也使聲納目標(biāo)定位變的更加困難。
[0004]不確定海洋環(huán)境中穩(wěn)健目標(biāo)定位的方法主要包括:多鄰點(diǎn)約束最小方差波束形成器(MV_NCL) [Schmidt (1990)]、環(huán)境擾動(dòng)約束最小方差波束形成器(MV_EPC)[Krolik(1992)]、最優(yōu)貝葉斯檢測器(OUFP)[Richardson(1991)，Shorey(1994)，Sha (2005，2006)]、廣義似然比方法[Collins (1991)，Gerstoft (1994), Harrison (1996)]和穩(wěn)健最大似然方法[Tabrikian (1997)]等。MV_NCL和MV_EPC方法同屬于擾動(dòng)約束類方法，這兩個(gè)算法都是在標(biāo)稱聲場參數(shù)中加入一個(gè)較小的擾動(dòng)，得到一個(gè)擾動(dòng)的聲場參數(shù)集，在這個(gè)參數(shù)集里使用特定的準(zhǔn)則來求解最為有效的定位或者檢測統(tǒng)計(jì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健性。OUFP方法需要對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行概率積分來消除參數(shù)不確定的影響，其方法在統(tǒng)計(jì)意義下具有最優(yōu)的定位性能，突出的問題是積分運(yùn)算較為復(fù)雜。廣義似然比方法將目標(biāo)位置和環(huán)境參數(shù)同時(shí)作為需要估計(jì)的量，其方法在定位目標(biāo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的估計(jì)。該方法需要對多維的參數(shù)空間進(jìn)行搜索，同時(shí)由于目標(biāo)函數(shù)有很多局部最值，因此需要一些全局的尋優(yōu)算法，包括模擬退火算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，其計(jì)算復(fù)雜度非常高。穩(wěn)健最大似然方法將不穩(wěn)定的模態(tài)進(jìn)行正交投影置零，來環(huán)境不確定的影響。該方法在較高的信噪比時(shí)，由于模態(tài)失配而引起的正交投影不能完全置零的問題顯現(xiàn)出來，導(dǎo)致定位性能的損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于模態(tài)子空間重構(gòu)的定位方法。該方法利用了海洋環(huán)境中的一些模態(tài)受到不確定的影響較小這一物理特性，這些穩(wěn)定的模態(tài)構(gòu)成可預(yù)測模態(tài)子空間，使用這個(gè)模態(tài)子空間來重構(gòu)拷貝場向量，實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)的快速穩(wěn)健定位。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟:
[0007]I)建立不確定海洋環(huán)境模型，確定海洋環(huán)境模型中各個(gè)參數(shù)的概率密度函數(shù)；
[0008]2)在步驟I中建立的不確定海洋環(huán)境模型中，利用水平波數(shù)的二階特性來確定可預(yù)測模態(tài)子空間；
[0009]3)將目標(biāo)可能出現(xiàn)的區(qū)域在距離和深度上劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格的疏密可根據(jù)實(shí)際情況選擇；計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的可預(yù)測模態(tài)子空間對應(yīng)的模態(tài)系數(shù)；利用可預(yù)測模態(tài)子空間及其對應(yīng)的模態(tài)系數(shù)重構(gòu)各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的拷貝場向量并歸一化；
[0010]4)獲得聲納陣列各測量水聽器接收信號，在期望頻率上對接收信號做窄帶傅里葉變換，得到頻域數(shù)據(jù)快拍r ;利用多個(gè)頻域數(shù)據(jù)快拍求得協(xié)方差矩陣R ;頻域數(shù)據(jù)快拍的數(shù)目和實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的信噪比和聲場相關(guān)時(shí)間等有關(guān)；
[0011]5)將各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的拷貝場向量和協(xié)方差矩陣R進(jìn)行相關(guān)處理，這些相關(guān)處理的結(jié)果就構(gòu)成了定位表面；求定位表面的最大值，其對應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)位置作為目標(biāo)位置的估計(jì)。
[0012]所述步驟1)，具體實(shí)現(xiàn)如下:
[0013]將確定海洋環(huán)境中的環(huán)境參數(shù)設(shè)置為符合概率密度函數(shù)的隨機(jī)值，就得到了不確定海洋環(huán)境模型。概率密度函數(shù)一般情況下可以選擇為均勻分布或者正態(tài)分布。
[0014]所述步驟2)，具體實(shí)現(xiàn)如下:
[0015]利用蒙特卡羅方法采樣不確定海洋環(huán)境模型，采樣次數(shù)為L (L > 100)，得到不確定海洋環(huán)境模型的不同實(shí)現(xiàn)。使用簡正波計(jì)算程序來生成不確定海洋環(huán)境模型的不同實(shí)現(xiàn)下的水平波數(shù)；假設(shè)水平波數(shù)向量為k, k = [k1； k2,...，!%],其中km，m = I,…，M表示第m階模態(tài)對應(yīng)的水平波數(shù)，M表示當(dāng)前聲場環(huán)境下可遠(yuǎn)距離傳播的最大模態(tài)階數(shù)；k
的協(xié)方差矩陣的估計(jì)為 第I個(gè)水平波數(shù)向量實(shí)現(xiàn)，匕是k的期望玉蘭E(k)的無偏估計(jì),k=jZk/ ;將水平波







數(shù)分解為k-k + Ak-k + Aki + iik + el.其中，I為M0Xi維的全I(xiàn)向量；八1^與向量JZ以及I都正交，令F蘭[E I],那么Ak丄=Ak -F(FHFr'FnAk = ，其中，Pf =1-FCF11Fr1FilAk，為Pf的正交投影矩陣；將水平波數(shù)協(xié)方差矩陣r投影到矩陣F的正交空間中 [0016]假設(shè)可預(yù)測模態(tài)子空間由M0個(gè)模態(tài)構(gòu)成，I < M0 ^ M, S地表示M個(gè)模態(tài)中所有包含Mtl個(gè)模態(tài)的子空間的集合，rproJ(Qc)表示Ω。這個(gè)子空間上的協(xié)方差矩陣，可預(yù)測模態(tài)
子空間對應(yīng)的模態(tài)階數(shù)集合％ =arSsJSJ0’其中trace(.)為矩陣求跡
函數(shù)；
[0017]計(jì)算不同M0取值時(shí)的定位性能結(jié)果，挑選出具有最高的定位性能的值作為M0值；
[0018]假設(shè)不確定海洋環(huán)境模型中的隨機(jī)參數(shù)都取其均值，得到均值海洋環(huán)境模型，在此均值海洋環(huán)境模型下，使用簡正波計(jì)算程序計(jì)算得到各階模態(tài)I (Z)和其對應(yīng)的水平波數(shù)k，m = 1，...，M ;那么可預(yù)測模態(tài)子空間可以表示為
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種不確定海洋環(huán)境中的模態(tài)子空間重構(gòu)穩(wěn)健目標(biāo)定位方法，其特征在于包括下述步驟: .1)建立不確定海洋環(huán)境模型，確定海洋環(huán)境模型中各個(gè)參數(shù)的概率密度函數(shù)； .2)在步驟I中建立的不確定海洋環(huán)境模型中，利用水平波數(shù)的二階特性來確定可預(yù)測模態(tài)子空間； .3)將目標(biāo)可能出現(xiàn)的區(qū)域在距離和深度上劃分網(wǎng)格，計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的可預(yù)測模態(tài)子空間對應(yīng)的模態(tài)系數(shù)；利用可預(yù)測模態(tài)子空間及其對應(yīng)的模態(tài)系數(shù)重構(gòu)各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的拷貝場向量并歸一化； .4)獲得聲納陣列各測量水聽器接收信號，在期望頻率上對接收信號做窄帶傅里葉變換，得到頻域數(shù)據(jù)快拍r ;利用多個(gè)頻域數(shù)據(jù)快拍求得協(xié)方差矩陣R ； . 5)將各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的拷貝場向量和協(xié)方差矩陣R進(jìn)行相關(guān)處理，這些相關(guān)處理的結(jié)果就構(gòu)成了定位表面；求定位表面的最大值，其對應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)位置作為目標(biāo)位置的估計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不確定海洋環(huán)境中的模態(tài)子空間重構(gòu)穩(wěn)健目標(biāo)定位方法，其特征在于:所述的步驟I)將確定海洋環(huán)境中的環(huán)境參數(shù)設(shè)置為符合均勻分布或者正態(tài)分布的隨機(jī)值，得到不確定海洋環(huán)境模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不確定海洋環(huán)境中的模態(tài)子空間重構(gòu)穩(wěn)健目標(biāo)定位方法，其特征在于所述的步驟2)具體實(shí)現(xiàn)如下: 利用蒙特卡羅方法采樣不確定海洋環(huán)境模型，采樣次數(shù)為L，LS 100，得到不確定海洋環(huán)境模型的不同實(shí)現(xiàn)；使用簡正波計(jì)算程序來生成不確定海洋環(huán)境模型的不同實(shí)現(xiàn)下的水平波數(shù)；假設(shè)水平波數(shù)向量為k, k = [k1； k2,...，!%],其中km，m = I,…，M表示第m階模態(tài)對應(yīng)的水平波數(shù)，M表示當(dāng)前聲場環(huán)境下可遠(yuǎn)距離傳播的最大模態(tài)階數(shù)；k的協(xié)方差矩陣的估計(jì)為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不確定海洋環(huán)境中的模態(tài)子空間重構(gòu)穩(wěn)健目標(biāo)定位方法，其特征在于所述的步驟3)具體實(shí)現(xiàn)如下: 將目標(biāo)可能出現(xiàn)的區(qū)域劃分網(wǎng)格，假設(shè)距離r方向上的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為Nr，深度z方向上網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為Nz,那么每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置可以表示為(rm, znz),nr = I,…，Nr,nz = I,…，Nz ； 計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上可預(yù)測模態(tài)子空間對應(yīng)的模態(tài)系數(shù)Hkl = 1，...，Μ0:

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不確定海洋環(huán)境中的模態(tài)子空間重構(gòu)穩(wěn)健目標(biāo)定位方法，其特征在于:所述的步驟4)中得到一系列頻域數(shù)據(jù)快拍后,計(jì)算協(xié)方差矩陣=，





其中r,表示第q個(gè)數(shù)據(jù)頻域快拍，Q為處理中使用的頻域快拍數(shù)目。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不確定海洋環(huán)境中的模態(tài)子空間重構(gòu)穩(wěn)健目標(biāo)定位方法，其特征在于:所述的步驟5)將各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的拷貝場向量Αωρ(/;?.，Ζ?ζ)和協(xié)方差矩陣R進(jìn)行相關(guān)處理
【文檔編號】G01S15/06GK103487811SQ201310354357
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月14日
【發(fā)明者】孫超, 劉宗偉 申請人:西北工業(yè)大學(xué)