[发明专利]一种基于负梯度波导下warping变换的单矢量传感器无源测距方法

说明书

本发明是一种基于负梯度波导下warping变换的单矢量传感器无源测距方法。本发明通过矢量声信号的简正波表示和简正波分类，确定升压和振速信号；基于含负梯度波导，保留海底反射相移；确定声压和水平振速与声压和垂直振速的互相关函数，得到频谱；利用含负梯度波导下warping变换，进行无源测距。本发明提出的测距方法主要适用于下发下收的情况，仅利用引导声源和单矢量水听器即可实现对目标的无源测距，估计结果与真实距离符合较好，目标距离在10～30km时，算法测距相对误差在8％以内。

技术领域

本发明涉及无源测距技术领域，是一种基于负梯度波导下warping变换的单矢量传感器无源测距方法。

背景技术

浅海目标无源测距一直是水声学研究的热点问题。现有的无源测距方法主要有三子阵无源测距法、基于目标运动分析(Target Motion Analysis,TMA)的无源测距法、匹配场无源定位方法和基于频率不变性的无源测距方法等。三子阵无源测距方法是一种传统的声呐无源测距方法。早期的测距声呐如噪声测距声呐多采用这一方法进行测距，但由于阵列孔径有限，三子阵无源测距方法在测量远距离目标时波前曲率变化很小，加之浅海信道的影响使得三子阵无源测距方法在远距离定位目标方面存在一定的不足。基于TMA的无源测距方法通过方位和频率等观测量来估计目标运动参数，但基于TMA的无源测距方法大多将声波的传播模型假定为平面波模型，浅海信道的复杂性使得基于TMA的无源测距方法的性能下降，且在实际应用时，算法计算量较大。匹配场无源定位方法将信道特性与信号处理将结合，在先验环境参数准确的条件下，匹配场算法能够精确地定位目标。但实际应用时，匹配场算法常遭遇环境失配问题，这使得算法的性能下降，影响了其目标距离估计能力，并且匹配场算法大多依赖于大孔径的阵列，难以直接应用于单水听器。周士弘等提出的基于频率不变性的无源测距方法有效克服了上述方法的劣势，该方法不要求水听器和目标的运动形式，仅利用单个水听器即可实现目标的距离估计。

基于频率不变性的无源测距方法是以warping变换理论为核心的，该变换由R.G.Baraniuk等首先在信号处理领域提出，之后被应用于水声领域。在水声学中，warping变换通过将信号随时间非线性变化的相位线性化，进而达到分离各阶简正波的目的。虽然早期的warping变换推导是建立在理想波导的简正波理论之上的，但由于其具有较好的稳健性，因而被广泛应用于多个领域，典型的应用有：声学参数反演、海洋生物定位和气泡脉冲的消除等。虽然基于理想波导的warping变换可以应用于非理想波导，但其处理性能会受非理想波导的影响而出现一定程度地下降。warping变换的核心是对信号相位的处理，非理想波导和理想波导中信号相位的差别主要在于波导声速剖面和海底参数的影响。针对非理想波导中warping变换的研究，G.L.Touzé利用波导中群速度v_g、相速度v_p和海水中声速c₀间存在的近似关系即推导了Pekeris波导下的warping变换的表达式，但该近似关系在理想波导中成立，在Pekeris波导中使用却没有理论依据，这也使得信号经该warping变换后，简正波对应的频率并不严格等于其理论截止频率。牛海强等利用波束位移射线简正波(Beam Displacement Ray Mode,BDRM)理论推导了海水声速不变或弱变波导下修正warping变换的表达式，大幅提高了warping变换在非理想波导中的处理效果。上述warping算子主要适用于反射类简正波起主要作用的波导，但对于折射类简正波起主要作用的波导，由于反射类简正波和折射类简正波频散特性的差异性，上述算子均不再适用。戚聿波等讨论了较为简单的海水声速随深度线性下降的波导下简正波的频散特性，并推导了与之对应的warping算子。鹿力成等利用波导不变量与水平波数的关系推导了非理想波导中的warping变换，但其假定波导不变量为常数，事实上，波导不变量为简正波阶数和频率的函数，对于一定频率和简正波阶数范围内的波导不变量才可以视为常数。至此，warping变换均是针对接收信号的，针对接收信号的warping变换要求信号形式为线性调频信号或冲击信号，同时需要估计信号的到达时刻，这些都限制了warping变换的应用。周士弘等提出了针对自相关函数的时域warping算子，针对自相关函数的warping变换不再限制信号的形式，且无需估计信号的到达时刻，即可实现简正波互相关项的分离。在此基础上，他们分析自相关函数经warping变换后得到的F_TW_T谱，据此提出了基于频率不变性的无源测距方法。朱良明等将这一方法与矢量传感器相结合，对声压和水平振速的自相关函数做warping变换，利用两者信息估计目标距离，该方法主要适用于海水中声速不变或弱变的波导具有较好效果，波导中的声场由反射类简正波所主导，但对于折射类简正波起主要作用的声场，该方法性能显著下降。此外，通常矢量传感器各通道接收噪声相关性较低，仅采用自相关处理无法获得这部分处理增益。戚聿波等关注到垂直声能流的实部包含简正波互相关项，据此推导了一种频域warping变换并利用经warping变换后的时延来估计目标距离，该方法与以往思路不同，在时延域上对简正波互相关项进行分离，并且相比于文献中采用自相关的方式处理矢量信号，该方法通过对声压和垂直振速做互相关处理能获得更高的处理增益，但该方法在实际应用时通常需要先测量或估计波导不变量的数值。一般来说，浅海的声速剖面具有比较明显的季节特征，在夏季为负跃层，开始时负跃层的深度较浅，锐度较小，之后，锐度逐渐增加，在8月份左右达到最大，以后逐渐减小，跃层深度逐渐加深，形成上层近似等声速，下层近似负梯度的声速剖面，这种剖面一般在11月份左右消失并进入冬季等温层。对于上发上收、上发下收或者下层梯度较小时下发下收的情况，反射类简正波对声场起主要作用，对于梯度较大条件下的下发下收，折射类简正波对声场起主要作用。根据以上研究背景，本发明研究该声速分布的波导中下发下收时，单矢量传感器无源测距方法，采用上层等声速下层海水声速随深度线性下降的声速剖面来近似该声速剖面，针对声压和振速的互相关函数推导该波导下的warping变换并根据变换后得到的特征频率，结合引导声源距离，对目标进行无源测距。