一種多線譜多普勒頻移數(shù)據(jù)測距方法

一種多線譜多普勒頻移數(shù)據(jù)測距方法

利用多點無源測距進行多線譜分析測量水下目標之間的距離是艾滋魯姆技術(shù)的一項重要功能。此目的通常由有源聲吶系統(tǒng)完成。但有源聲吶系統(tǒng)隱蔽性極差。從上世紀60年代起,三點無源測距方法開始發(fā)展,目前這種方法仍然有廣泛的應(yīng)用。在潛艇艇身上安裝三組基陣,基陣之間的間距盡量大些,基于基陣接收到被測目標聲音的時間差,可估計出目標的距離。無源定位的另一種方法是匹配場處理,一般利用由多水聽器的陣來實現(xiàn)。單點無源測距總是很因難的,一般需要利用水聲信道或運動目標的特征。文獻3-文獻6討論了多途方法,利用輻射噪聲從水面和海底反射來的不同到達時間進行目標測距。然而,這些方法要求知道一些環(huán)境參數(shù),如海深。利用單點無源測距困難但有廣泛的需求,特別在有源測距方法和三點無源測距無法或很難實施時。單點無源測距可廣泛應(yīng)用于聲吶浮標測距、水雷、水聲實驗中目標的運動分析和水下目標聲源級測量中的目標測距。文獻7用Dopplerlet方法估計目標速度和距離,缺點是計算量大和利用單根線譜。文獻8發(fā)展了一種方法,利用接收到的聲信號的多普勒頻移來估計飛行器的飛行參數(shù)(高度、速度和距離),在這項應(yīng)用中Wigner-Ville分布被利用來作為瞬時頻率估計器。本文發(fā)展出一種利用多線譜的多普勒頻移估計目標正橫距離的單點無源測距方法,多線譜的處理會提高輸出信噪比。在這篇文章中Wigner-Ville分布也被利用來作為瞬時頻率估計器。此方法基于單點無源測距,且不要求知道海深等環(huán)境信息。1顯著匹配投影算法艦船輻射噪聲譜有兩種類型,一種是連續(xù)譜的寬帶噪聲,另一種是非連續(xù)譜的單頻噪聲,這種噪聲由出現(xiàn)在離散頻率上由正弦成分的線譜組成。這種線譜被利用來測距測速。我們的實驗所分析的一個勻速直線運動的水下目標呈現(xiàn)有明顯的多線譜特征。圖1示出該水下運動目標中最強三根線譜隨時間的變化。圖1中水平軸為時間軸,垂直軸為頻率軸,圖像的灰度表示譜強度。從圖1中可以看到,目標橫穿過接收點最近距離時(5s附近)多普勒引起的線譜頻率發(fā)生急劇變化。本文利用這種線譜多普勒頻率的變化來估計目標的正橫距離和速度。文獻10介紹了一種匹配投影算法,它把任何信號波形分解為一系列基信號的線性組合,此分解的基信號集是冗余的。為了與信號結(jié)構(gòu)匹配得最好,需要選擇這些基信號波形。匹配投影算法提供信號的結(jié)構(gòu)的一種解釋。如果信號結(jié)構(gòu)不與任何一個基函數(shù)相關(guān),它被分解為幾個基函數(shù),那么信號信息就不突出。用這種方法時基函數(shù)選取非常重要。首先對輻射噪聲作時頻分析,用文獻8中WignerVille分布的瞬時頻率估計器獲得每個正弦分量線譜隨時間變化的中心頻率。圖2示出上述勻速直線運動的水下目標最強三根線譜中心頻率隨時間的變化情況,這些時變中心頻率就是要分析的信號。定義多普勒頻移的基函數(shù)為:其中l(wèi)為水聽器到運動聲源的垂直距離,t0為聲源橫穿過水聽器時到最近距離的時刻,v為聲源的速度,c為聲速,wAt為矩形窗加權(quán)函數(shù):上面式(1)定義的多普勒頻移的基函數(shù)是五維函數(shù)。參量分別為時間中心t0,頻率中心f0,時寬Δt,接收點與聲源運動方向的垂直距離l,目標的速度v。而水中的聲速c假設(shè)為常數(shù)。請注意:時間窗寬度為2倍的時寬Δt。依據(jù)文獻10的匹配投影算法,需計算被分析信號與各基函數(shù)在五維空間中的距離,尋找到最小的空間距離。但五維空間中搜尋最小距離,又要足夠的估計精度,如果沒有優(yōu)秀的搜索策略,會很費時間的。以下提出一種很優(yōu)秀的搜索方法。2搜索策略用于獲取距離和速度獲得被分析信號與各基函數(shù)在五維空間中最小距離的搜尋策略如下:(1)圖像參量的確定第1步是求空間距離和時間中心t0變化關(guān)系,以便粗估計時間中心t0。這種工作次序是基于時間中心的搜索最敏感,可以省時間。具體過程如下:①確定搜索距離范圍及距離中間值lmid,②確定搜索速度范圍及速度中間值vmid,③時寬Δt初始值取2lmid/vmid(本文稱它為參考時寬),可以證明(見附錄)當時寬Δt等于2l/v時,即時間窗寬度為4倍的l/v時,信號段約復(fù)蓋最大多普勒頻移范圍Δf的百分之九十(Δf=2(v/c)f0)。取定這三個參量后,空間距離只與時間中心t0和頻率中心f0二個參數(shù)有關(guān)。取定某一時間中心t0,把被分析信號中t0對應(yīng)的頻率值設(shè)為頻率中心f0,于是空間距離只與時間中心t0一個參數(shù)有關(guān)了,這樣只要找二維曲線的最小值就可以粗估計出時間中心t0。(2)兩步兩步搜索在以上估計的基礎(chǔ)上(即取定時間中心t0估計值和時寬Δt后),在線譜頻率f0,速度v和距離l構(gòu)成的三維空間進行第二步三維搜索。搜索到空間最小距離,得到相應(yīng)的基函數(shù),速度v和距離l。搜索中采用可變步長,開始時搜索范圍大,步長大;逐步縮小搜索范圍,減小步長,提高估計精度。(3)中心to與三維中心to在上面獲得的時間中心t0估計值附近變化時間中心to,再次在三維空間尋找空間最小距離。用與上一步相同的搜索方法,尋找到更小的空間最小距離,更精確時間中心t0,速度v和距離l。(4)多線譜算法的空間距離修正以上討論的方法針對聲源的一個線譜分量。而在實際應(yīng)用中,聲源通常含有多線譜分量。為了充分利用信號能量,需利用多線譜。對多線譜情況,算法需作修正。這時的空間距離為各線譜的空間距離之和。尋找最小距離時,依據(jù)各線譜的空間距離之和進行,其它算法與上面都一樣。所找到最小距離的基函數(shù)對應(yīng)于目標距離和速度的估計值。3水下目標信號頻率為了獲得好的算法和檢查程序的正確性,應(yīng)用計算機模擬。設(shè)某一水下目標作勻速直線運動。水下目標橫穿過接收點,聲源為單頻信號,其頻率為f0。由于多普勒現(xiàn)象,接收點的信號頻率f(t)應(yīng)為:由于信號傳播過程中會有干擾噪聲,假設(shè)檢測到信號中心頻率fn為式中n(t)假設(shè)為白色高斯分布的頻率噪聲。下面給出計算機模擬的一個例子。3.1聲速、聲源及時間中心t0假設(shè)水下目標的速度為50kn,正橫距離為40m(目標橫穿過接收點時最近距離)。聲速為1500m/s。單頻聲源的頻率為140Hz,加標準差σ=0.1Hz的頻率噪聲,即(4)式中n(t)的標準差為0.1Hz。時間中心t0精確值為33.2514s。每個樣點間隔為0.1638s。算法次序如下:(1)基于信號分析的約束關(guān)系①根據(jù)先驗知識確定搜索距離范圍為10m到100m,則算出距離中間值lmid=55m。②根據(jù)先驗知識確定搜索速度范圍為4kn到70kn。則可算出速度中間值vmid=37kn。③時寬t初始值取2lmid/vmid,即時間窗寬度為4lmid/vmid=11.568s。④以時間中心t0為自變量,依據(jù)取定的時間中心t0和時寬Δt,可從被分析信號(即正弦分量隨時間變化關(guān)系中心頻率,如圖2所示)中切下一段長2Δt(11.568s)的曲線,此曲線中點對應(yīng)的頻率值設(shè)為頻率中心f0。這時可依椐已假定的五個參量(時間中心t0,頻率中心f0,時寬Δt,距離中間值lmid=55m,速度中間值vmid=37kn)去調(diào)出對應(yīng)的基函數(shù)。⑤下一步是尋找此信號段和對應(yīng)的基函數(shù)之間的空間距離r,這就獲得空間距離和時間中心t0變化關(guān)系曲線中的一個點。不斷變化時間中心t0,可獲得空間距離和時間中心t0變化關(guān)系整條曲線。該關(guān)系曲線如圖3所示。圖3中空間距離r最小時對應(yīng)的時間就是粗估計到的時間中心。⑥搜索結(jié)果:空間最小距離r為0.73128,時間中心t0估計值誤差0.1638s,誤差等于一個時間抽樣點(即等于不斷變化時間中心t0時的一個步長)。這樣粗估時間中心t0完成。(2)個體搜索策略此方法就是在第2節(jié)“獲取距離和速度的搜尋策略”第2步中所敘述的方法。在搜索中,采用可變步長。初始搜索范圍大,步長大。然后逐步縮小搜索范圍,減小步長,以提高估計精度。(3)空間最小距離基于上一步估計到的速度v和距離l,再修改時間中心t0,再次在三維空間尋找空間最小距離。應(yīng)用上一步相同的搜索方法。得到更小的空間最小距離,更精確時間中心t0,速度v和距離l。圖4給出本例中空間最小距離與目標運動速度、距離的關(guān)系圖。在本例子中空間最小距離為0.011。目標運動速度估計值為50kn。目標正橫距離估計值為40m。與計算機模擬的原始速度、距離相符。3.2時寬長度的確定以上例子中時寬Δt取2lmid/vmid,即時間窗寬度取4lmid/vmid=11.5684s。為固定值,在搜索過程中沒有變化。那么時寬長度與距離、速度估計精度有什么關(guān)系?本文不能給出理論上的結(jié)論,只能給出計算機模擬的統(tǒng)計結(jié)果,給出不同強度干擾噪聲下的測距測速精度的統(tǒng)計誤差。為了方便,把2lmid/vmid時寬值稱為時寬參考值,也就是時間窗寬度為4lmid/vmid,信號段約復(fù)蓋雙邊最大多普勒頻移范圍(-Δf到Δf)的百分之九十(Δf=(v/c)f0)。海上實測數(shù)據(jù)多數(shù)是多線譜分量。在本節(jié)的模擬實驗中,聲源被假設(shè)為含有三根線譜分量。計算機模擬的具體參數(shù)如下:速度為50kn,正橫距離為40m,聲速為1500m/s,三個單頻信號的中心頻率分別為f1=140Hz,f2=96Hz,f3=275Hz。在模擬實驗中,接收點的信號的中心頻率混有白噪聲,白噪聲的標準差分別為最大多普勒頻移的百分之一、三、五、八和十。在此可能用相對值更合理些。計算機模擬中取五種時寬長度,①0.21倍的時寬參考值(時間窗寬度1.31s),②0.474倍的時寬參考值(時間窗寬度2.95s),③0.7453倍的時寬參考值(時間窗寬度4.64s),④約1倍的時寬參考值(時間窗寬度6.2244s),⑤1.4733倍的時寬參考值(時間窗寬度9.17s)。計算機模擬Moncar環(huán)為40次,即40次平均。表1給出不同噪聲強度下的相對誤差,即距離、速度估計的標準差與精確值之比。共25種情況。在處理海上實測數(shù)據(jù)時,不能取很長的時寬,因為太長的時寬將偏離已采用的模型——目標作勻速直線運動。所以在我們的計算機模擬中,選取了五種最有用的時寬長度。從表1中可看到:(1)時寬愈大,測距測速誤差愈小。(2)噪聲標準差愈小,距離、速度估計誤差愈小。這符合常理,可以理解。(3)這種方法的測速精度要比測距精度高。(4)當干擾噪聲的標準差為最大多普勒頻移的10%以下,此搜索方法可收斂為正確值。4運動目標距離和速度估計某一水下運動目標作勻速直線運動。此目標呈現(xiàn)明顯的多線譜特征(見圖1)。本文中線譜提取的門限值取10dB。即高于10dB的線譜參加水下目標的運動速度和距離估計。當門限值取10dB,共有3根線譜,分別是f1,f2,f3。圖1已示出該3根線譜強度隨時間的變化。先把3根線譜的中心頻率隨時間變化關(guān)系提取到,示于圖2。然后用上一節(jié)“計算機模擬”中所說明的搜索方法和程序,水下運動目標的速度和距離可以被估計到。從圖2可以清楚看到,在5s時,即對應(yīng)目標正橫位置時,頻率呈現(xiàn)急劇變化,這是由多普勒引起的。這一段就是被用來估計距離和速度。時寬Δt取2.95s,即時間窗寬為5.9s。在5.9s時間窗寬時,目標勻速運動的模型是可以接受的,5.9s時間窗寬也復(fù)蓋了多普勒頻移急劇變化一段。上一節(jié)中所述的算法被應(yīng)用來估計運動目標的距離和速度。在這個實際實驗中,距離搜索范圍從10m到90m,速度搜索范圍10到70kn。最終搜索結(jié)果的空間最小距離為0.023。目標運動速度估計值為53kn。目標正橫距離估計值為42m。海上實驗中由于測速測距設(shè)備的限制,只已知此目標標稱速度為50kn,人為目測距離為40～50m,可以說這些結(jié)果與實驗中水下目標的速度和距離相符。圖5示出最小空間距離與目標運動速度、距離之間的關(guān)系圖。圖5(a)用的是三維圖形,而圖5(b)用的是二維灰度圖像。此兩幅圖中的最小峰值對應(yīng)的距離和速度就是要估計的目標距離和速度。兩種圖各有優(yōu)點,圖5(a)可清楚看到最大峰值的高度,而圖5(b)可清楚看到走勢的離散情況。5無源測距方法的實驗驗證本文提出的這種利用輻射噪聲多線譜的多普勒頻移去估計直線勻速運動目標正橫距離的方法是有效的,最小空間距離的搜索策略為此方法的工程實現(xiàn)提供了保障,計算機仿真全方位測試了此方法的性能和統(tǒng)計誤差,海上實驗數(shù)據(jù)檢驗了此方法的實用性和有效性。此單點無源測距方法可應(yīng)用于聲吶浮標、水雷、水聲實驗中水聲目標的運動分析及水下目標聲源級測量等應(yīng)用領(lǐng)域。這種方法的理論模型是建立在勻速運動和聲源中心頻率固定不變的基礎(chǔ)上。顯然任何速度和聲源頻率的變化會增加誤差。若速度和聲源頻率變化不大,則影響不大。時間窗寬度要根據(jù)實際