專利名稱：拖曳線列陣被動測距方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種探測方法，具體地說是一種高精確被動測距的方法。
背景技術(shù)：
拖曳線列陣是一種拖曳在水面船舶后面的大孔徑線列陣，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。但因拖曳線列陣的聲學(xué)段是柔性的，可能存在陣型 畸變，對測距性能會有所影響。傳統(tǒng)的三元陣被動測距和匹配場被動測距因要求陣元位置 精確已知，故均不適合應(yīng)用于拖曳陣聲吶，故此類聲吶迄今仍無技術(shù)使它們具有高精度被 動測距功能。一種適合拖曳線列陣聲納被動測距的穩(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，被用來描述低頻聲場的干 涉結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)不變量不需要知道海洋的先驗知識，就可以描述環(huán)境的影響。目前美國海軍 研究所及Scrip實驗室已經(jīng)研究“基于信道不變量的引導(dǎo)聲源垂直陣被動測距”(見文獻(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“基于擴展函數(shù)的單聲壓水聽器被動測距”(見文獻(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。中國科學(xué)學(xué)院聲學(xué) 所在南海進行了引導(dǎo)聲源垂直陣被動測距的海試(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)。中國海洋大學(xué)在驗證了該方法的 可行性之后，發(fā)展了“引導(dǎo)聲源水平陣被動測距技術(shù)”，采用水平陣而不是垂直陣，這是一個 進步，因為水平陣被動測距更適合應(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 的水平陣信號處理研究有更廣闊的應(yīng)用前景。如果有一種基于拖曳線列陣，結(jié)合波導(dǎo)不變量進行被動測距的技術(shù)，這種技術(shù)不 僅能推動水聲對抗技術(shù)的發(fā)展，而且在岸站、和海洋研究中，尤其在聲學(xué)海上測量研究中均 會有重要應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種簡單、實用、穩(wěn)健的拖曳線列陣被動測距方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的(1)分別對拖曳線列陣的兩個分裂陣接收的信號作短時傅里葉變換(STFT)得到 分裂陣的LOFAR圖，再分別進行方位估計可以得到兩幅瀑布圖；(2)對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)對兩LOFAR圖作圖像相關(guān)得到目標(biāo)通過兩分裂陣聲中心的時延，從而得到目 標(biāo)航速ν ；
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(4)在兩LOFAR圖上提取對應(yīng)干涉條紋的最近通過時刻，取它們的平均作為目標(biāo) 相對原點的最近通過時刻、；(5)利用Radon變換或Hough變換對分裂陣的LOFAR圖進行圖像處理，在變換域提 取目標(biāo)相對兩分列陣聲中心的最近通過距離與目標(biāo)航速的比值，進而得到目標(biāo)相對兩分裂 陣聲中心的最近通過距離，取平均得到目標(biāo)相對于原點最近距離A ；(6)根據(jù)目標(biāo)距離r的計算公式
，t為運動時間，可以測得運動
目標(biāo)距離。本發(fā)明提供了一種穩(wěn)健的基于拖曳線列陣被動測距的技術(shù)，采用Radon變換或 Hough變換對LOFAR圖和瀑布圖進行圖像處理，就可以實現(xiàn)對目標(biāo)速度和距離的測量，對目 標(biāo)識別和水聲對抗均有重要的意義。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現(xiàn) 穩(wěn)健的被動測距，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。在實際應(yīng)用中它的探測距離遠(yuǎn)，使用場合多，即可以用于岸站，也可用于水面船 或水下平臺。對海岸預(yù)警系統(tǒng)，水聲對抗等方面均有重要應(yīng)用前景。


圖1是拖曳線列陣被動測距框圖；圖2是拖曳線列陣在海中布放圖；圖3是目標(biāo)運動的幾何關(guān)系圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述以將拖曳線列陣分裂等效成的兩個陣元模型為例說明測距的原理。本申請的基本 原理為拖曳線列陣接收寬帶、連續(xù)譜的噪聲。對拖曳線列陣的左右兩個分裂陣輸出的信號 進行信息變換，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LOFAR圖和瀑布圖進行圖像處理，結(jié)合波導(dǎo)不變量的原理測量目標(biāo)的距離，速度等 信息。結(jié)合圖1，給出了拖曳線列陣被動測距框圖。結(jié)合圖2，給出本發(fā)明的拖曳線列陣在海中的布放圖。假定一拖曳線列陣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。目標(biāo)航速為V，作勻速直線運動，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，最近通過距離分別為1^1與1^2，最近通過時刻為、1與、2。若以原點0為參考點， 則目標(biāo)的最近通過距離為IV最近通過時刻為、。對左右分裂陣接收的信號作短時傅里葉變換(STFT)，可以分別得到兩分裂陣的 LOFAR圖；再對兩分裂陣接收的數(shù)據(jù)分別進行方位估計可以得到兩幅瀑布圖，這四幅圖將 是進一步測距的基礎(chǔ)。首先估計目標(biāo)航向角α 對某一瀑布圖作Radon變換或Hough變換得到目標(biāo)航向 角的估計α (若對兩個瀑布圖均作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 ；第二步估計目標(biāo)航速ν和目標(biāo)相對原點的最近通過時刻、先對雙陣元的兩個 LOFAR圖做圖像相關(guān)，也即二維相關(guān)，得到目標(biāo)通過兩陣元的時延Τ，并讀出^和tQ2 ；目標(biāo)相對原點的最近通過時刻、為^和‘的平均值；即 然后依據(jù)目標(biāo)運動的幾何關(guān)系式(2)計算目標(biāo)航速 第三步估計目標(biāo)相對原點的最近通過距離A 先對兩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)下式計算目標(biāo)相對 于原點最近通過距離為 第四步估計目標(biāo)水平距離r 將前面估計的目標(biāo)航速ν和目標(biāo)相對原點的最近通 過時刻、及目標(biāo)相對原點的最近通過距離A代入下式，即可測距 當(dāng)然，本發(fā)明還可以有其他的實施例，在不背離發(fā)明精神及其實質(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)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
一種拖曳線列陣被動測距方法，其特征是(1)分別對拖曳線列陣的兩個分裂陣接收的信號作短時傅里葉變換得到分裂陣的LOFAR圖，再分別進行方位估計得到兩幅瀑布圖；(2)對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)對兩LOFAR圖作圖像相關(guān)得到目標(biāo)通過兩分裂陣聲中心的時延，從而得到目標(biāo)航速v；(4)在兩LOFAR圖上提取對應(yīng)干涉條紋的最近通過時刻，取它們的平均作為目標(biāo)相對原點的最近通過時刻t0；(5)利用Radon變換或Hough變換對分裂陣的LOFAR圖進行圖像處理，在變換域提取目標(biāo)相對兩分列陣聲中心的最近通過距離與目標(biāo)航速的比值，進而得到目標(biāo)相對兩分裂陣聲中心的最近通過距離，取平均得到目標(biāo)相對于原點最近距離r0；(6)根據(jù)目標(biāo)距離r的計算公式t為運動時間，測得運動目標(biāo)距離。FSA00000202672500011.tif
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種拖曳線列陣被動測距方法。它基于分裂陣，結(jié)合波導(dǎo)不變量和目標(biāo)運動幾何關(guān)系，利用圖像處理方法估計目標(biāo)運動參數(shù)，從而實現(xiàn)高精度測距。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現(xiàn)穩(wěn)健的被動測距，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)明對海岸預(yù)警系統(tǒng)，水聲對抗等方面均有重要應(yīng)用前景。
文檔編號G01S15/08GK101915922SQ20101023500
公開日2010年12月15日 申請日期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 申請人:哈爾濱工程大學(xué)