一种基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，利用二维抛物方程模型计算出声场传播矩阵，通过矩阵乘法运算获得不同距离声源

【技术实现步骤摘要】
一种基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法

：
[0001]本专利技术属于水下目标声学定位
，具体涉及一种基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法。

技术介绍
：
[0002]水声目标声学被动定位基于目标辐射噪声在水下声传播特征，构建目标
‑
声信道
‑
接收阵关联模型，根据实际水声环境下的模型预报结果与实测结果的匹配，形成了不同的声学定位方法，例如基于声压匹配的匹配场定位方法、基于简正波模态的匹配模定位方法、基于不同波束入射能量的匹配波束定位方法等。匹配场定位方法随着水下声场预报模型的精度提升得到了很大的发展，成为了水声目标声学定位的一种主要方法。拖曳阵水声被动定位是水声学研究的重要方向和难题，由于声场水平相关半径较大，导致水平阵声学匹配定位技术难以获得较高的主瓣强度，较高的分辨率。

技术实现思路
：
[0003]本专利技术提供一种基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，该方法在保持良好环境适应性的同时，通过矩阵滤波方法，提升了目标定位分辨率，提高了目标主瓣强度，并全方面降低主瓣外背景能量强度。
[0004]本专利技术的技术解决方案是，提供一种基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法,该方法步骤如下，
[0005]步骤1，利用二维抛物方程模型计算出声场传播矩阵；
[0006]步骤2，通过矩阵乘法运算获得不同距离声源
‑
接收器系统传播矩阵；
[0007]步骤3，根据声源深度和水平阵阵元位置从不同距离系统传播矩阵中抽取矩阵系数，形成新的稀疏系统传播矩阵；
[0008]步骤4，对稀疏系统传播矩阵进行处理，利用最小二乘估计方法，并增加对角负载因子，形成宽带矩阵滤波器组；
[0009]步骤5，采用宽带矩阵滤波器组对水平阵接收信号进行处理，对不同距离处理结果进行能量归一化，形成宽带距离
‑
深度模糊度图，得到目标深度和距离估计结果。
[0010]作为优选，步骤1中，二维抛物方程模型递推求解矩阵方程可按如下形式表示：
[0011][0012]其中，R
l
,S
l
为海洋环境参数矩阵，U
N
为不同距离声压向量，矩阵T(f,r+dr)为不同频率下距离水平阵r+dr距离处传播矩阵，dr为距离网格间隔。
[0013]作为优选，步骤2中，距离接收阵不同距离处的系统传播矩阵，需要包含整个传输距离上所有步进传播矩阵的乘积：
[0014]PM(f,M*dr)＝T(f,M*dr)T(f,(M
‑
1)*dr)
…
T(f,m*dr)
…
T(f,2)T(f,1)
[0015]其中，矩阵PM(f,M*dr)为不同频率不同距离处系统传播矩阵。
[0016]作为优选，步骤3中，假定声源位于距离m*dr处，接收阵位于N0*dz深度，(M1～M2)*
dr距离处，系统传播矩阵满足：
[0017][0018]其中，P
zs
(f,(1:N)*dz)为初始声场向量，Ns为声源深度网格数，dz为深度网格间隔。
[0019]作为优选，步骤4中，采用最小二乘估计，并增加矩阵对角加载因子，可得出不同频率和距离处深度模糊度估计结果：
[0020]P
zs
(f,m*dr,(1:Ns)*dz)
[0021]＝(PM(f,m*dr)
T
PM(f,m*dr)+δI)
‑1PM(f,m*dr)
T
P(f,m*dr,(M1:M2)*dr)
[0022]公式中符号(
·
)
T
代表复数矩阵的共轭转置，δ为对角加载因子，可以根据不同信噪比进行调整，信噪比越低对角加载因子设置越大。
[0023]作为优选，步骤5中，对不同距离处深度模糊度结果按如下方式进行能量均衡归一化：
[0024][0025]作为优选，步骤5中，通过宽带能量非相干叠加，可得到宽带二维模糊度结果：
[0026][0027]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0028]本专利技术提出的基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，可以有效的提升拖曳阵宽带信号被动定位的目标位置分辨率，降低二维模糊度图内旁瓣强度，并使得主瓣外能量大幅降低。
附图说明：
[0029]图1为本专利技术的实现过程图。
[0030]图2为海洋波导参数图。
[0031]图3为采用常规匹配处理器和本专利技术方法获得的声源定位结果。
[0032]图4为采用常规匹配处理器和本专利技术方法计算得到的声源距离处深度
‑
强度结果。
[0033]图5为采用常规匹配处理器和本专利技术方法计算得到的声源深度处距离
‑
强度结果。
具体实施方式：
[0034]下面结合附图就具体实施方式对本专利技术作进一步说明：
[0035]参见图1所示的实现过程图，本专利技术涉及的基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位
方法，采用高阶抛物方程模型，计算出声场传播矩阵。然后，通过乘法运算得到系统传播矩阵。根据声源深度和水平阵阵元位置从不同距离系统传播矩阵中抽取矩阵系数，形成新的稀疏系统传播矩阵。随后，利用最小二乘估计方法，并增加对角负载因子，形成宽带矩阵滤波器组。随后，采用宽带矩阵滤波组对水平阵接收信号进行处理，对不同距离处理结果进行能量归一化，最终形成宽带距离
‑
深度模糊度图，获得目标定位结果。
[0036]其中，
[0037]在海洋环境参数水平方位变换缓慢的情况下，二维抛物方程模型递推求解矩阵方程从最直观的角度看，可以写成如下的形式：
[0038][0039]其中，R
l
,S
l
为海洋环境参数矩阵，U
N
为不同距离声压向量，矩阵T(f,r+dr)为不同频率下距离水平阵r+dr距离处传播矩阵，dr为距离网格间隔。
[0040]并且，距离接收阵不同距离处的系统传递矩阵，需要包含整个传输距离上所有步进传播矩阵的乘积：
[0041]PM(f,M*dr)＝T(f,M*dr)T(f,(M
‑
1)*dr)
…
T(f,m*dr)
…
T(f,2)T(f,1)
[0042]其中，矩阵PM(f,M*dr)为不同频率不同距离处系统传播矩阵。
[0043]假定声源位于距离m*dr处，接收阵位于N0*dz深度，(M1～M2)*dr距离处，系统传播矩阵是连接声源与接收位置的矩阵，在已知接收阵上声压时，可通过逆矩阵估计声源位置，则满足：
[0044][0045]其中，P
zs
(f,(1:N)*dz)为初始声场向量，Ns为声源深度网格数，dz为深度网格间隔。
[0046](4)采用最小二乘估计，并增加矩阵对角加载因子，可得出不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法,其特征在于：该方法步骤如下，步骤1，利用二维抛物方程模型计算出声场传播矩阵；步骤2，通过矩阵乘法运算获得不同距离声源
‑
接收器系统传播矩阵；步骤3，根据声源深度和水平阵阵元位置从不同距离系统传播矩阵中抽取矩阵系数，形成新的稀疏系统传播矩阵；步骤4，对稀疏系统传播矩阵进行处理，利用最小二乘估计方法，并增加对角负载因子，形成宽带矩阵滤波器组；步骤5，采用宽带矩阵滤波器组对水平阵接收信号进行处理，对不同距离处理结果进行能量归一化，形成宽带距离
‑
深度模糊度图，得到目标深度和距离估计结果。2.根据权利要求1所述的基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，其特征在于：步骤1中，二维抛物方程模型递推求解矩阵方程可按如下形式表示：其中，R
l
,S
l
为海洋环境参数矩阵，U
N
为不同距离声压向量，矩阵T(f,r+dr)为不同频率下距离水平阵r+dr距离处传播矩阵，dr为距离网格间隔。3.根据权利要求1所述的基于宽带矩阵滤波的拖曳阵被动定位方法，其特征在于：步骤2中，距离接收阵不同距离处的系统传播矩阵，需要包含整个传输距离上所有步进传播矩阵的乘积：PM(f,M*dr)＝T(f,M*dr)T(f,(M
‑
1)*dr)
…
T(f,m*dr)

【专利技术属性】
技术研发人员：徐传秀，王华奎，徐彬，徐晓男，刘坤，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：