基于矢量水聽器的單目標方位估計

1水下目標方位估計技術水下目標的檢測主要通過噪音進行。聲吶分為主動式和被動式兩種。雖然聲吶有主動式和被動式之分,但從本質上講,水下目標探測是利用聲波的水下傳播,聲吶在水下獲得目標信號,將聲信號轉換成電信號,處理電信號來實現水下目標方位等信息的估計的技術。雖然聲波在水中有較好的傳播性能,但是海水介質存在復雜和多變的特性,使得聲吶接收到的信號摻雜了海洋噪聲。目前,在考慮抑制噪聲干擾的基礎上,提出了相干干擾合成能量流抑制原理(CoherentInterferenceEnergySuppress,CIES),而用聲壓和振速互譜處理器來實現CIES,使得檢測目標線譜能力更強。基于互譜法,已經提出用直方圖統計方位估計來分辨多目標。筆者在互譜法的基礎上,討論單目標方位估計的精度問題,比較了兩種方位估計方法對單目標方位估計精度提高的效果,期望能對水下目標方位估計的研究有所幫助。2聲壓振速的計算壓差式矢量水聽器的構成如圖1所示,下面根據其結構簡要說明一下其獲取信息的原理。壓差式矢量水聽器由兩對偶極子(即4個聲壓水聽器)組成,設每對偶極子的距離為d(d<<λ),目標信號頻率為f,聲速為c,每一個單極子都輸出一個聲壓信息Pi,i=1,2,3,4。則可以得到聲壓振速從理論上來說,可以直接用自譜法計算得到目標方位但由于水聽器在拾取實際目標信息的同時,也拾取了海洋噪聲,這些噪聲大部分是非相干干擾源,所以考慮用互譜法來消除非相干噪聲。互譜法目標方位估計3兩種方向感估計方法(1)單譜法的方程估算在寬帶中找出最大線譜,利用此線譜的聲壓和振速信息,基于互譜法來估計方位。(2)估計方位估計的方法在寬帶中找出多根線譜,分別利用每一根線譜的聲壓和振速信息來分別估計方位,最后將得到的多個方位值進行處理,得到最終的目標方位估計。對于多線譜法方位估計,主要關注兩點:一是如何找到所需的線譜;二是怎樣處理這些線譜所估計得到的多個方位,才能比較準確地估計最終方位。在寬帶中找線譜的方法有多種,本實驗采用周期圖法得到聲壓以及振速的功率譜,最后認為具有較大聲壓譜處存在線譜。在多線譜法方位估計中,對得到的多個方位估計值也有多種處理方法。一種是將所有線譜估計得到的多個方位直接作平均處理來得到最終目標方位估計;另一種是將這些方位作加權平均處理來得到最終目標方位估計,此處的權重選擇為對應線譜的較大的聲強分量,即max(Ix,Iy),Ix=VxP*,Iy=VyP*。4模擬與湖泊試驗的結果4.1多線譜法方位估計仿真條件:目標信號為寬帶信號,噪聲為高斯白噪聲,采樣頻率為fs=6kHz,分辨率為0.5Hz。設目標方位60°,作20次統計計算標準差。下面是在不同信噪比下,采用單線譜法方位估計,多線譜法方位估計,5根線譜平均估計,5根線譜加權平均估計對目標方位進行仿真估計,采用20次統計分析來降低信號和噪聲的隨機性帶來的影響。圖2(a)是在不同信噪比下,單線譜法和多線譜法對目標方位估計誤差的比較。可見,單線譜法可以估計出信號方位,而采用多線譜法的話,能進一步提高方位估計的準確度。由圖可見,在信噪比大于0dB時,多譜線法方位估計的誤差在2°以內;圖2(b)是在不同信噪比下,對于多線譜法(此處取出最強的5根線譜),采用平均和加權平均兩種方法處理后的誤差結果比較。由圖可見,在信噪比較低的時候,加權平均比直接平均的目標估計精度高;在信噪比較高的時候,兩者的差別不大。4.2目標方位估計湖試條件:信號是帶寬為2.5~4.5kHz的寬帶加噪信號,fs=48kHz,分辨率為0.5Hz。每秒對目標作一次方位估計。比較圖3的(a)(b)兩圖,可以看出,在實際湖試時,顯然多譜線法比單譜線法對目標方位跟蹤的效果好。從(b)(c)兩圖可看出:在目標方位0°以前,兩種方法對目標方位跟蹤的效果差不多;但在0°以后,由于目標運動的尾留等影響,使得方位估計的準確度普遍不高的情況下,加權平均的效果比直接平均的效果明顯好得多。5估計局部方法的比較基于互譜法進行方位估計對于確定水下目標方位有重大意義,在此基礎上如何提高方位精度是值得研究的問題。筆者比較了單線譜法和多線譜法對單目標信號方位的估計能力,并在多線譜法估計的基礎上提出直接平均和加權平均兩種處理方法