一种用于微小阵的水声目标方位估计方法技术

本发明专利技术涉及水声探测技术领域，提供一种用于微小阵的水声目标方位估计方法，包括：利用两对相互垂直、与交叉点(或参考中心)距离相同的四个声压水听器形成正交结构，对每一对接收信号相减(或者说是差分)，然后对相减(差分)信号进行频谱估计，再将它们分别与参考中心信号的频谱共轭相乘，通过共轭互谱的虚部，提出了三个方位估计模型和基于三个方位估计模型的平均方法，实现信号0

【技术实现步骤摘要】
一种用于微小阵的水声目标方位估计方法


[0001]本专利技术涉及水声探测
，尤其涉及一种用于微小阵的水声目标方位估计方法。

技术介绍

[0002]海上水声探测系统的“看不远、分不清”，是当前世界各国海军面临的共同难题。对于声纳浮标或潜标，由于体积的限制，一般采用单个全向声压水听器、矢量水听器或微小型声压水听器圆阵等形式。对于单个全向标量水听器，只能检测是否有信号出现、不能测向，没有阵增益，因此检测距离非常有限，难以满足弱目标信号探测。单个矢量水听器根据声压通道P与x、y两个水平方向振速的共轭相关，估计目标信号的方位，但其方位分辨性能比较弱，而且单个矢量水听器的成本相对声压水听器也较高，单个矢量水听器的尺寸大小不能改变其探测性能，使用效果受限。
[0003]对于孔径小、阵元数目少的微小圆阵，现有的方法都是采用波束形成的阵处理方法，这种方法存在两个方面的问题：一方面，因为微小阵的阵元数目少、孔径(半径)小，其阵增益和方位分辨性能都非常有限，限制了探测微弱信号的性能、方位估计的误差也比较大；另一方面，一定尺度阵的波束形成规定了其工作频段，否则对于宽带信号检测，会造成波束变宽、出现栅瓣等问题。阵元数越少、半径越小，对应的工作频段越高。根据现有水声学的理论和实验研究，潜艇辐射噪声信号的能量主要分布在低频段，因此在微小阵上采用常规的表示形成方法，由于工作频段受限制的原因，不利于对潜艇目标的探测。

技术实现思路

[0004]本专利技术主要解决现有技术中因为微小阵的阵元数目少、孔径(半径)小，其阵增益和方位分辨性能非常有限，以及由于工作频段受限制的原因，不利于对潜艇目标的探测的技术问题，提出一种用于微小阵的水声目标方位估计方法，以达到提高声纳方位估计性能和探测距离的目的。
[0005]本专利技术提供了一种用于微小阵的水声目标方位估计方法，包括：
[0006]将均匀分布的四元正交水听器构成正交十字圆阵；
[0007]接收所述四元正交水听器的四路信号，根据所述四路信号计算其中两个正交方向的两个正交水听器的差信号，并对所述四路信号求和平均，得到中心点参考信号；
[0008]对所述差信号和所述中心点参考信号取N点数据做快速傅里叶变换，得到信号频谱；
[0009]通过所述信号频谱得到共轭信号，根据所述共轭信号得到所述信号频谱中频点的方位角和互谱能量；
[0010]根据所述频点的方位角和互谱能量，通过极坐标法或能量统计法判断是否有目标存在，并确定目标方位角。
[0011]进一步地，所述均匀分布的四元正交水听器构成的正交十字圆阵，半径为d，设远
场信号到达参考点，即圆心O处的信号为s(t)，以圆心O与第1个阵元的延长线作为参考方向，目标信号的入射角为θ，第i个接收点处的环境噪声为n
i
(t)(i＝1,
…
,4)。
[0012]进一步地，所述接收所述四元正交水听器的四路信号，根据所述四路信号计算其中两个正交方向的两个正交水听器的差信号，并对所述四路信号求和平均，得到中心点参考信号，包括：
[0013]接收阵元i＝1,
…
,4处的接收信号可表示为：
[0014][0015]其中，
[0016][0017]到达参考中心O点处的信号为：
[0018][0019]其中，为参考中心点处的环境噪声；
[0020]对(2)式得到的s(t)的傅里叶变换为S(ω)，它包含了噪声分量N(ω)；
[0021]根据式(1)，计算两个正交方向的两个水听器的差信号：
[0022]x
13
(t)＝x1(t)
‑
x3(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3
‑
1)
[0023]x
24
(t)＝x2(t)
‑
x4(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3
‑
2)。
[0024]进一步地，所述对所述差信号和所述中心点参考信号取N点数据做快速傅里叶变换，得到信号频谱，包括：
[0025]对式(3
‑
1)和(3
‑
2)分别进行傅里叶变换，得到差信号的频谱：
[0026][0027][0028]式中，ω＝2πf，f为分析的信号频率；N
13
和N
24
分别是n1(t)
‑
n3(t)和n2(t)
‑
n4(t)的傅里叶变换。
[0029]进一步地，所述通过所述信号频谱得到共轭信号，根据所述共轭信号得到所述信号频谱中频点的方位角和互谱能量，包括：
[0030]对式(2)得到的s(t)进行傅里叶变换得到S(ω)，将其取共轭，与式(4
‑
1)和(4
‑
2)中的所述差信号的傅里叶变换分别进行共轭相乘，取虚部得到：
[0031][0032][0033]假设所述共轭信号与噪声不相关，上述两式的后一项近似为0；
[0034]利用式(5)，对快速傅里叶变换后的每个频点计算出一个入射方位角，对第k个频点，由下式计算信号入射方位角：
[0035][0036][0037]其中：
[0038][0039]式中，Z(k)为第k个频点对应的互谱能量大小；
[0040]通过式(8)也可得到频点的入射方位角：
[0041][0042]进一步地，根据所述信号入射方位角及频点的入射方位角，通过式(9)计算所述频点估计的目标方位角，包括：
[0043][0044]进一步地，所述通过极坐标法判断是否有目标存在，包括：
[0045]对每一频点k都可得到(θ(k)，Z(k))，以此定义极坐标；
[0046]不同频点得到的(θ(k)，Z(k))，会分布在以原点为中心的不同方位、距离上；
[0047]如果不同频点得到的(θ(k)，Z(k))，在方位上无规则分布、且其互谱能量Z(k)大小非常接近，则表示收到的信号中仅有环境背景噪声，没有目标信号；
[0048]如果在某些频点上有明显高于背景互谱能量的Z(k)，则在与其对应的方位θ(k)上判断为存在目标；
[0049]如果多个方向出现这种情况，判断为存在多目标。
[0050]进一步地，所述通过极坐标法或能量统计法判断是否有目标存在，并确定目标方位角，包括：
[0051]对每一频点f
k
都可得到一个方位θ(k)及其能量值Z(k)；
[0052]在0
°‑
360
°
范围内，按照一定方位角间隔Δθ对纳入这一方位角区域内的Z
k
进行累加，得到所有频点的方位θ(k)及其能量值Z(k)在0
°‑
360
°
范围内的能量分布，超出门限能量
对应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于微小阵的水声目标方位估计方法，其特征在于，所述用于微小阵的水声目标方位估计方法包括：将均匀分布的四元正交水听器构成正交十字圆阵；接收所述四元正交水听器的四路信号，根据所述四路信号计算其中两个正交方向的两个正交水听器的差信号，并对所述四路信号求和平均，得到中心点参考信号；对所述差信号和所述中心点参考信号取N点数据做快速傅里叶变换，得到信号频谱；通过所述信号频谱得到共轭信号，根据所述共轭信号得到所述信号频谱中频点的方位角和互谱能量；根据所述频点的方位角和互谱能量，通过极坐标法或能量统计法判断是否有目标存在，并确定目标方位角。2.根据权利要求1所述的用于微小阵的水声目标方位估计方法，其特征在于，所述将均匀分布的四元正交水听器构成正交十字圆阵，包括：所述四元正交水听器中每个水听器到达圆心的距离相同，两两连线垂直、并且必须是关于交叉点对称；所述均匀分布的四元正交水听器构成的正交十字圆阵，半径为d，设远场信号到达参考点，即圆心O处的信号为s(t)，以圆心O与第1个阵元的延长线作为参考方向，目标信号的入射角为θ，第i个接收点处的环境噪声为n
i
(t)(i＝1,
…
,4)。3.根据权利要求2所述的用于微小阵的水声目标方位估计方法，其特征在于，所述接收所述四元正交水听器的四路信号，根据所述四路信号计算其中两个正交方向的两个正交水听器的差信号，并对所述四路信号求和平均，得到中心点参考信号，包括：接收阵元i＝1,
…
,4处的接收信号可表示为：其中，到达参考中心O点处的信号为：其中，为参考中心点处的环境噪声；对(2)式得到的s(t)的傅里叶变换为S(ω)，它包含了噪声分量N(ω)；根据式(1)，计算两个正交方向的两个水听器的差信号：x
13
(t)＝x1(t)
‑
x3(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3
‑
1)
x
24
(t)＝x2(t)
‑
x4(t)(3
‑
2)。4.根据权利要求3所述的用于微小阵的水声目标方位估计方法，其特征在于，所述对所述差信号和所述中心点参考信号取N点数据做快速傅里叶变换，得到信号频谱，包括：对式(3
‑
1)和(3
‑
2)分别进行傅里叶变换，得到差信号的频谱：2)分别进行傅里叶变换，得到差信号的频谱：式中，ω＝2πf，f为分析的信号频率；N
13
和N
24
分别是n1(t)
‑
n3(t)和n2(t)
‑
n4(t)的傅里叶变换。5.根据权利要求4所述的用于微小阵的水声目标方位估计方法，其特征在于，所述通过所述信号频谱得到共轭信号，根据所述共轭信号得到所述信号频谱中频点的方位角和...

【专利技术属性】
技术研发人员：章博健，章新华，张千巍，
申请(专利权)人：大连华海智控电子信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：