基于矢量水听器的单目标方位估计

基于矢量水听器的单目标方位估计

1水下目标方位估计技术水下目标的检测主要通过噪音进行。声呐分为主动式和被动式两种。虽然声呐有主动式和被动式之分,但从本质上讲,水下目标探测是利用声波的水下传播,声呐在水下获得目标信号,将声信号转换成电信号,处理电信号来实现水下目标方位等信息的估计的技术。虽然声波在水中有较好的传播性能,但是海水介质存在复杂和多变的特性,使得声呐接收到的信号掺杂了海洋噪声。目前,在考虑抑制噪声干扰的基础上,提出了相干干扰合成能量流抑制原理(CoherentInterferenceEnergySuppress,CIES),而用声压和振速互谱处理器来实现CIES,使得检测目标线谱能力更强。基于互谱法,已经提出用直方图统计方位估计来分辨多目标。笔者在互谱法的基础上,讨论单目标方位估计的精度问题,比较了两种方位估计方法对单目标方位估计精度提高的效果,期望能对水下目标方位估计的研究有所帮助。2声压振速的计算压差式矢量水听器的构成如图1所示,下面根据其结构简要说明一下其获取信息的原理。压差式矢量水听器由两对偶极子(即4个声压水听器)组成,设每对偶极子的距离为d(d<<λ),目标信号频率为f,声速为c,每一个单极子都输出一个声压信息Pi,i=1,2,3,4。则可以得到声压振速从理论上来说,可以直接用自谱法计算得到目标方位但由于水听器在拾取实际目标信息的同时,也拾取了海洋噪声,这些噪声大部分是非相干干扰源,所以考虑用互谱法来消除非相干噪声。互谱法目标方位估计3两种方向感估计方法(1)单谱法的方程估算在宽带中找出最大线谱,利用此线谱的声压和振速信息,基于互谱法来估计方位。(2)估计方位估计的方法在宽带中找出多根线谱,分别利用每一根线谱的声压和振速信息来分别估计方位,最后将得到的多个方位值进行处理,得到最终的目标方位估计。对于多线谱法方位估计,主要关注两点:一是如何找到所需的线谱;二是怎样处理这些线谱所估计得到的多个方位,才能比较准确地估计最终方位。在宽带中找线谱的方法有多种,本实验采用周期图法得到声压以及振速的功率谱,最后认为具有较大声压谱处存在线谱。在多线谱法方位估计中,对得到的多个方位估计值也有多种处理方法。一种是将所有线谱估计得到的多个方位直接作平均处理来得到最终目标方位估计;另一种是将这些方位作加权平均处理来得到最终目标方位估计,此处的权重选择为对应线谱的较大的声强分量,即max(Ix,Iy),Ix=VxP*,Iy=VyP*。4模拟与湖泊试验的结果4.1多线谱法方位估计仿真条件:目标信号为宽带信号,噪声为高斯白噪声,采样频率为fs=6kHz,分辨率为0.5Hz。设目标方位60°,作20次统计计算标准差。下面是在不同信噪比下,采用单线谱法方位估计,多线谱法方位估计,5根线谱平均估计,5根线谱加权平均估计对目标方位进行仿真估计,采用20次统计分析来降低信号和噪声的随机性带来的影响。图2(a)是在不同信噪比下,单线谱法和多线谱法对目标方位估计误差的比较。可见,单线谱法可以估计出信号方位,而采用多线谱法的话,能进一步提高方位估计的准确度。由图可见,在信噪比大于0dB时,多谱线法方位估计的误差在2°以内;图2(b)是在不同信噪比下,对于多线谱法(此处取出最强的5根线谱),采用平均和加权平均两种方法处理后的误差结果比较。由图可见,在信噪比较低的时候,加权平均比直接平均的目标估计精度高;在信噪比较高的时候,两者的差别不大。4.2目标方位估计湖试条件:信号是带宽为2.5~4.5kHz的宽带加噪信号,fs=48kHz,分辨率为0.5Hz。每秒对目标作一次方位估计。比较图3的(a)(b)两图,可以看出,在实际湖试时,显然多谱线法比单谱线法对目标方位跟踪的效果好。从(b)(c)两图可看出:在目标方位0°以前,两种方法对目标方位跟踪的效果差不多;但在0°以后,由于目标运动的尾留等影响,使得方位估计的准确度普遍不高的情况下,加权平均的效果比直接平均的效果明显好得多。5估计局部方法的比较基于互谱法进行方位估计对于确定水下目标方位有重大意义,在此基础上如何提高方位精度是值得研究的问题。笔者比较了单线谱法和多线谱法对单目标信号方位的估计能力,并在多线谱法估计的基础上提出直接平均和加权平均两种处理方法