一种自适应时间积分的单矢量水听器高精度测向方法

本发明属于单矢量水听器，具体涉及一种自适应时间积分的单矢量水听器高精度测向方法。

背景技术：

1、近年来，水下小微无人平台凭借其噪声水平低、隐蔽性能高、环境适应强、成本低、易操作等优点，在海洋参数测量和水中目标探测方面的应用受到了各国广泛的关注和重视，在水下小微无人平台上搭载单矢量水听器进行目标探测具有较大优势。但随着浮筏、泵喷推进、消声瓦等先进减振降噪措施的广泛应用，潜艇目标的辐射噪声显著降低，这使单矢量水听器在滑翔机、浮标等水下小微无人平台上进行低噪声目标高精度测向受到制约。

技术实现思路

1、本发明针对常规直方图方法对低噪声目标测向性能较差问题，提出了一种自适应时间积分的单矢量水听器高精度测向方法，其可有效解决单矢量水听器对低噪声目标高精度测向技术难题，仿真和试验结果均有效验证了改进直方图算法的优越性。

2、本发明利用声场的总体相干函数特性，获得背景噪声场中相干分量与扩散分量在总能量中所占的比重，根据相干函数值自适应计算得到声强时间积分长度。通过声场相干函数自适应确定的时间积分长度，可在低信噪比情况下，增大信号样板累积长度提高处理增益，而在高信噪比情况下，则可减小时间积分长度，解决目标距离近方位变化率较大情况下时间积分不宜太大的情况。

3、为实现上述目的，本发明的技术方案是：

4、一种自适应时间积分的单矢量水听器高精度测向方法，包括如下步骤：

5、步骤s1：将单矢量水听器采集的声压p信号和质点振速vx、vy、vz信号进行姿态校正预处理；

6、步骤s2：对预处理信号进行fft变换，得到p(f)、vx(f)、vy(f)和vz(f)，对各通道信号进行共轭相乘得互谱，根据得到的互谱计算出声场的总体相干函数

7、步骤s3：根据总体相干函数进一步计算得到声强的自适应时间积分长度tn；

8、步骤s4：根据确定的时间积分长度分别对x、y和z方向声强ix(f)、iy(f)、iz(f)进行积分累积处理，再利用直方图方法确定目标所在方位间隔；

9、步骤s5：最后采用重心法精确获得目标估计方位。

10、优选的，所述的步骤s1具体为：

11、所述的单矢量水听器为低噪声三轴同振式矢量水听器，其兼有声压通道和三个矢量通道；

12、令矢量水听器测量质点振速的笛卡尔坐标系为oxbybzb，单矢量水听器上的姿态传感器所应用的地理坐标系为oxnynzn；若(xb,yb,zb)为在坐标系oxbybzb下的坐标值，(xn,yn,zn)为在地理坐标系oxnynzn下的坐标值，由姿态转换矩阵得两坐标值的映射关系为：

13、

14、式(1)中，为姿态转换矩阵，其表达式为：

15、

16、优选的，所述的步骤s2具体为：

17、将单矢量水听器接收到的声压和质点振速进行傅里叶变换后共轭相乘得到互谱：

18、

19、上式(3)中，符号*表示取共轭，p(f)、vx(f)、vy(f)和vz(f)分别为声压和三个方向质点振速的傅里叶变换；进一步求得声场的总体相干函数为：

20、

21、优选的，所述的步骤s3具体为：

22、由式(4)看出，相干函数在频域上描述了两个随机过程的相关性，其是声场中给定频率上归一化声强的平方，与相关函数相比，相干函数具有更大的信息量，其能够反映背景噪声场中相干分量与扩散分量即非相干分量在总能量中所占的比重；自适应时间积分长度tn通过声场总体相干函数来确定：

23、

24、式(5)中，[]表示向上取整运算；通过式(5)确定的时间积分长度，在低信噪比情况下，增大声强累积样本数来提高处理增益，而在高信噪比情况下，则减小样本累积长度。

25、优选的，所述的步骤s4具体为：

26、设单矢量水听器采集信号第k个样本的复声强表达式为：

27、

28、则经过时间积分后的复声强为：

29、

30、经过k个样本累积后的声强检测器时间增益为：

31、gt＝5·log10(k)                             (8)

32、由式(3)得各频率点目标方位角θ(f)表达式：

33、

34、根据式(9)计算各频率点的方位角，当环境中存在多目标且辐射噪声频率相互重叠的情况下，该式无法得到各目标的真实方位，只能获得各目标声能流的合成方位，此合成方位会偏向强度较大的目标方位；若各目标辐射噪声频率相互不重叠时，则式(9)能分辨多目标方位；

35、由式(9)看出，通过其计算出的目标方位与频率f有关，不同频点处的目标方位估计值不一样，直方图方位统计是将目标估计方位θ(f)按频点数统计在相对应的各个方位区间里，其表达式如下所示：

36、k＝[θ(f)*180/π]                             (10)

37、

38、式(10)中，[]表示取整运算，k∈[1,360]；式(11)中，为直方图在角度θi处的值，其中θi∈[1,360]，δθ为方位统计间隔，最大值对应的角度即为目标方位。

39、优选的，所述的步骤s5具体为：

40、重心法方位计算是根据式(10)和(11)求得后，根据最大值对应的统计间隔进一步采用下式精确获得目标估计方位。

41、

42、式(12)中，rθ为目标方位估计结果，ii为角度θi对应的声强值，θm为目标所在方位的统计间隔。

43、本发明一种自适应时间积分的单矢量水听器高精度测向方法的有益效果为：

44、本发明可有效解决水下小微平台能量、尺寸限制，声学系统空间增益有限，低噪声目标高精度测向难题，相比于常规方位估计算法，具有较窄的谱峰，且在低信噪比条件下测向效果更优，提高了对低噪声目标的探测距离。

45、说明书附图

46、图1为改进直方图算法信号处理流程。

47、图2为相干函数和积分时间随信噪比变化。

48、图3为改进直方图方位估计结果。

49、图4为不同信噪比下改进直方图方位估计结果。

50、图5为不同信噪比下改进直方图方位估计误差。

技术特征：

1.一种自适应时间积分的单矢量水听器高精度测向方法，其特征为：包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种自适应时间积分的单矢量水听器高精度测向方法，其特征为：所述的步骤s1具体为：

3.如权利要求2所述的一种自适应时间积分的单矢量水听器高精度测向方法，其特征为：所述的步骤s2具体为：

4.如权利要求3所述的一种自适应时间积分的单矢量水听器高精度测向方法，其特征为：所述的步骤s3具体为：

5.如权利要求4所述的一种自适应时间积分的单矢量水听器高精度测向方法，其特征为：所述的步骤s4具体为：

6.如权利要求5所述的一种自适应时间积分的单矢量水听器高精度测向方法，其特征为：所述的步骤s5具体为：

技术总结一种自适应时间积分的单矢量水听器高精度测向方法，属于单矢量水听器技术领域，包括：步骤S1：姿态校正预处理；步骤S2：对预处理信号进行FFT变换；步骤S3：根据总体相干函数进一步计算得到声强的自适应时间积分长度TN；步骤S4：根据确定的时间积分长度分别对X、Y和Z方向声强I<subgt;x</subgt;(f)、I<subgt;y</subgt;(f)、I<subgt;z</subgt;(f)进行积分累积处理，再利用直方图方法确定目标所在方位间隔；步骤S5：最后采用重心法精确获得目标估计方位。本发明可有效解决水下小微平台能量、尺寸限制，声学系统空间增益有限，低噪声目标高精度测向难题，相比于常规方位估计算法，具有较窄的谱峰，且在低信噪比条件下测向效果更优，提高了对低噪声目标的探测距离。技术研发人员：王超,李强,袁猛,张延厚,张奇受保护的技术使用者：中国人民解放军海军潜艇学院技术研发日：技术公布日：2024/9/17