一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112098938A(43)申请公布日2020.12.18(21)申请号202010896336.6(22)申请日2020.08.31(71)申请人黑龙江工程学院地址150050黑龙江省哈尔滨市道外区红旗大街999号(72)发明人宋海岩(74)专利代理机构哈尔滨市阳光惠远知识产权代理有限公司23211代理人刘景祥(51)Int.Cl.G01S5/20(2006.01)权利要求书5页说明书11页附图3页(54)发明名称一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法(57)摘要本发明涉及一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，属于水声目标定位技术领域。本发明利用六元锥矢量阵，可获得关于声源的方位角、俯仰角、深度以及水平距离的完备信息，且利用逐次获得的估计信息对最终的水平距离估计进行降维处理，通过空间扫描降维有效提高了估计效率。本发明利用最小规模立体阵—六元锥矢量阵，既具有全空域定位能力，又具有优于线列阵和平面阵的定位精度，同时还保留立体阵的空域分维特性优势，具有良好的对称性和平稳性。CN112098938ACN112098938A权利要求书1/5页1.一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：步骤一、利用六元锥矢量阵接收水中目标发出的声信号，生成声压和振速数据；步骤二、由六元锥矢量阵各阵元的x和y方向的平均复声强得到6×1维方位角矢量步骤三、利用方位角矢量得到六元锥矢量阵合成水平振速步骤四、由六元锥矢量阵各阵元的垂直z方向平均复声强与合成水平平均复声强获得6×1维俯仰角矢量步骤五、对声压平均复声强进行高分辨谱估计获得调制频率并利用调制关系获得6×1维声源深度矢量步骤六、由平均俯仰角，确定声源距离该阵列的参考距离为rc；步骤七、在rc附近感兴趣的声源水平距离范围内进行扫描，利用已得到的俯仰角矢量、方位角矢量和深度矢量，对匹配声场进行降维，在一维空间不同扫描距离rj处生成联合导向矢量Dj；步骤八、在rj处利用联合导向矢量Dj，对声压协方差矩阵利用最小方差无畸变响应处理器获得稳健空间谱估计值P(rj)；步骤九、对全部扫描距离进行空间谱估计，由空间谱矢量PJ的最大值所在距离来确定声源距离。2.根据权利要求1所述的一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，在步骤一中，具体的，海水深度为H，六元锥矢量阵中心阵元的布放深度为zr≈H，阵元间距为d，设置六元锥矢量阵中心阵元为参考阵元，忽略海水声速分层带来的声线弯曲，并由于矢量水听器布放于海底附近而忽略海底反射声的影响，在深度为zs(zr＞＞zs)的水下声源产生的水下声场是直达声和海表面反射声的干涉声场，将声源位置表示为矢量rs＝[rs,zs,θs,φs]，rs为声源与参考阵元之间的水平距离，zs为声源深度，θs为声源入射俯仰角，φs为声源入射方位角，六元锥矢量阵的坐标矢量为xr＝[0,0,0,d,-d,0]，yr＝[0,-d,d,0,0,0]和zr＝[zr,zr,zr,zr,zr,zr-d]，六元锥矢量阵第i(i＝1，2，…，6)个阵元接收到声源发出声波的声压信号表示为：其中正体j表示虚部，Pi1(rs,t)和Pi2(rs,t)分别表示声源到第i个阵元的直达声和海面反射声声压信号，水中声速为c时波数为k＝ω/c，ω为角频率，ρ为海水密度，s(t)是声源时域信号，η是海面反射系数，和是直达声和海面反射声声程，即Rsi为声源到第i个阵元的直达声和海面反射声平均声程，sinθsi＝zr/Rsi，θsi为声源到第i个阵元的直达声和海面反射声的加权平均俯仰角，和分别为声源到第i个阵元的直达声俯仰角和海面反射声俯仰角，有φsi为声源到第i个阵元的方位角，2CN112098938A权利要求书2/5页第i个矢量水听器接收到的水平x方向和y方向，以及垂直z方向的质点振速信号分别表示为：3.根据权利要求1所述的一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，在步骤二中，具体的，计算六元锥矢量阵第i个阵元x和y方向的平均复声强分别为：其中，-表示取时间平均，根据y方向和x方向的平均复声强的比值来确定水平方位角则六元锥矢量阵的6×1维方位角矢量估计结果为：其中*表示复共轭算子，T表示转置，tg-1表示反正切运算。4.根据权利要求1所述的一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，在步骤三中，具体的，对于第i个阵元，由于则指向方向的合成水平振速表示为：5.根据权利要求1所述的一种基于六元锥矢量阵的水声目标降维匹配声场定位方法，其特征在于，在步骤四中，具体的，计算六元锥矢量阵第i个阵元，合成水平平均复声强和垂直平均复声强分别为