配置參考聲源的水下運(yùn)動(dòng)聲源柱面矢量聚焦定位方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種配置參考聲源的水下運(yùn)動(dòng)聲源柱面矢量聚焦定位方法。（a）獲取矢量陣接收信號(hào)；（b）獲取整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中各時(shí)間段下的聲源運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)結(jié)果；（c）根據(jù)分段數(shù)據(jù)以及定位結(jié)果生成稀疏虛擬陣列參數(shù)及虛擬矢量陣數(shù)據(jù)矩陣，并得到虛擬陣列采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣；（d）在聲源所在柱面進(jìn)行聚焦掃描，生成虛擬矢量陣聚焦導(dǎo)向矢量；（e）對(duì)虛擬矢量陣聚焦導(dǎo)向矢量施加最差性能優(yōu)化約束條件，進(jìn)而得到掃描點(diǎn)處優(yōu)化后的聚焦輸出功率；（f）設(shè)置合適步長，重復(fù)（d）至（e）的步驟，進(jìn)行完整柱面搜索并比較輸出功率譜圖，定位結(jié)果指示聲源與參考聲源之間的空間位置關(guān)系。本發(fā)明穩(wěn)健性高，且適用于非勻速及存在運(yùn)動(dòng)傾角的測(cè)試條件。
【專利說明】配置參考聲源的水下運(yùn)動(dòng)聲源柱面矢量聚焦定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種對(duì)運(yùn)動(dòng)聲源進(jìn)行聚焦定位的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]利用被動(dòng)合成孔徑原理對(duì)運(yùn)動(dòng)聲源進(jìn)行聚焦定位，在提高測(cè)試效率的同時(shí)，由于沿運(yùn)動(dòng)方向上的虛擬陣列孔徑得到擴(kuò)展，在該方向上的空間分辨率也可得到明顯提高。實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)聲源輻射面的特點(diǎn)，獲取柱面上的空間分布特征。同時(shí)，理想條件下的勻速運(yùn)動(dòng)條件在實(shí)際應(yīng)用中很難滿足，實(shí)際遇到的大部分是非勻速運(yùn)動(dòng)以及與基陣存在運(yùn)動(dòng)傾角的復(fù)雜情況，由此得到的虛擬陣列均屬于非規(guī)則陣列，即稀疏陣列。因此，近場(chǎng)聲全息及運(yùn)動(dòng)聲全息等一類應(yīng)用于規(guī)則陣列的定位識(shí)別方法均會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的定位偏差甚至失效。
[0003]與傳統(tǒng)的聲場(chǎng)分析和聲源識(shí)別方法相比，聲聚焦陣列信號(hào)處理方法物理意義清晰，可綜合利用聲波的強(qiáng)度和相位信息反演聲場(chǎng)，并可通過設(shè)計(jì)高分辨聚焦處理器以獲得較高的空間分辨能力，較聲全息方法具有物理意義明確，工程實(shí)現(xiàn)寬容性好的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合MVDR高分辨處理器可以降低聚焦空間譜圖的旁瓣級(jí)并獲得尖銳的譜峰。然而，MVDR高分辨聚焦算法走向工程實(shí)用化的技術(shù)瓶頸在于該類算法在存在失配誤差的情況下會(huì)出現(xiàn)明顯的性能下降甚至失效，亟待研究可提高該類方法穩(wěn)健性的新型手段和方法。
[0004]目前針對(duì)運(yùn)動(dòng)聲源的聚焦定位方法研究結(jié)果較少。時(shí)潔等人研究了基于最差性能優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)聲源穩(wěn)健聚焦定位識(shí)別方法(時(shí)潔，楊德森，時(shí)勝國.基于最差性能優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)聲源穩(wěn)健聚焦定位識(shí)別方法研究.物理學(xué)報(bào)，2011,60 (6):064301,1_11),但由于未配置標(biāo)準(zhǔn)聲源，從而無法查找輻射聲源與標(biāo)準(zhǔn)聲源之間的空間位置，這為查找輻射聲源位置帶來了困難，另外，該方法無法適用于具有柱面分布特性的聲源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)健性高，適用于非勻速及存在運(yùn)動(dòng)傾角的測(cè)試條件，具有較強(qiáng)的寬容性和工程實(shí)用性的配置參考聲源的水下運(yùn)動(dòng)聲源柱面矢量聚焦定位方法。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007](a)根據(jù)基于矢量陣的水下運(yùn)動(dòng)聲源測(cè)試系統(tǒng)模型，應(yīng)用被動(dòng)合成孔徑原理，在球面波傳播規(guī)律及點(diǎn)聲源假設(shè)條件下，獲取矢量陣接收信號(hào)。
[0008](b)針對(duì)普遍存在的非勻速運(yùn)動(dòng)及與基陣存在運(yùn)動(dòng)傾角的情況，采取配置參考聲源fo的方式，利用矢量陣最大似然聚焦定位算法，對(duì)等時(shí)間間隔下的分段數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，獲取整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中各時(shí)間段下的聲源位置、速度和傾角等運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)結(jié)果。
[0009](c)根據(jù)(b)中獲得的分段數(shù)據(jù)以及定位結(jié)果生成稀疏虛擬陣列參數(shù)及虛擬矢量陣數(shù)據(jù)矩陣，并得到虛擬陣列采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣。
[0010](d)根據(jù)聲源輻射面特點(diǎn)，針對(duì)分析頻率fi，在聲源所在柱面進(jìn)行聚焦掃描，生成虛擬矢量陣聚焦導(dǎo)向矢量。
[0011](e)對(duì)(d)中生成的虛擬矢量陣聚焦導(dǎo)向矢量施加最差性能優(yōu)化約束條件，并將其轉(zhuǎn)化為具有單一非線性約束的二次最小化問題，利用二階錐規(guī)劃方法對(duì)該優(yōu)化條件下的最優(yōu)權(quán)矢量進(jìn)行求解，進(jìn)而得到該掃描點(diǎn)處優(yōu)化后的聚焦輸出功率。
[0012](f)設(shè)置合適步長，重復(fù)(d)至(e)的步驟，進(jìn)行完整柱面搜索并比較輸出功率譜圖，由譜峰位置確定噪聲源所在位置，定位結(jié)果可指示聲源與參考聲源&之間的空間位置關(guān)系。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:通過配置參考聲源，并對(duì)虛擬矢量陣聚焦導(dǎo)向矢量施加最差形成最優(yōu)約束優(yōu)化條件，提高了 MVDR高分辨聚焦定位方法在存在失配誤差下的穩(wěn)健性。新方法在失配條件下可以獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍、更尖銳的聚焦峰尺度以及更強(qiáng)的背景噪聲級(jí)抑制能力，新方法適用于非勻速及存在運(yùn)動(dòng)傾角的測(cè)試條件，便于查找各噪聲源與參考聲源的空間相對(duì)位置關(guān)系，具有較強(qiáng)的寬容性和工程實(shí)用性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1實(shí)船測(cè)試中水平矢量陣布放情況示意圖；
[0015]圖2運(yùn)動(dòng)聲源定位過程示意圖；
[0016]圖3各個(gè)時(shí)間段聲源的運(yùn)動(dòng)速度；
[0017]圖4分段數(shù)據(jù)定位結(jié)果；
[0018]圖5虛擬陣列坐標(biāo)；
[0019]圖6(a)-圖6(b)運(yùn)動(dòng)聲源聚焦空間譜(MVCFB)，其中圖6 (a)為偽彩圖、圖6(b)為等聞線圖；
[0020]圖7(a)-圖7(b)運(yùn)動(dòng)聲源聚焦空間譜(MVMVDRFB)，其中圖7 (a)為偽彩圖、圖7(b)為等聞線圖；
[0021]圖8(a)-圖8(b)運(yùn)動(dòng)聲源聚焦空間譜(RMVMVDRFB)，其中圖8 (a)為偽彩圖、圖8(b)為等高線圖；
[0022]圖9y向聚焦空間譜切片對(duì)比效果圖；
[0023]圖10周向聚焦空間譜切片對(duì)比效果圖；
[0024]圖11(a)-圖11(b)參考聲源聚焦空間譜，其中圖11(a)為偽彩圖、圖11(b)為等聞線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0026](a)根據(jù)基于矢量陣的水下運(yùn)動(dòng)聲源測(cè)試系統(tǒng)模型，應(yīng)用被動(dòng)合成孔徑原理，在球面波傳播規(guī)律及點(diǎn)聲源假設(shè)條件下，獲取矢量陣接收信號(hào)。
[0027]以水平矢量陣測(cè)試系統(tǒng)為例(如圖1和圖2所示)，水平陣在整個(gè)測(cè)量過程中保持靜止。各聲源分布于柱面S上，并隨該柱面一起以相同的速度和方向運(yùn)動(dòng)，聲源以低速V從y = -L/2處運(yùn)動(dòng)到位置y = L/2處，運(yùn)動(dòng)距離為L ;相對(duì)的，可認(rèn)為聲源不動(dòng)，矢量陣以相同的速度V由y = O處反向運(yùn)動(dòng)到y(tǒng) = -L處，即在空間上形成了一個(gè)快拍數(shù)為I的連續(xù)面陣，虛擬陣列孔徑在運(yùn)動(dòng)方向擴(kuò)展為L。[0028]柱面半徑為A，聲源面上共分布有Q個(gè)非相干聲源，頻率為&第i號(hào)點(diǎn)聲源的空間位置SsJyi, Θ,);配置參考聲源的頻率為&，其空間位置為S(l(ytl，θ0);水平陣由凡個(gè)水聽器組成，陣元間距ΛΖ，令中心陣元位于坐標(biāo)系原點(diǎn)0，柱面中軸線與基陣之間的距離
為 OO = Xs。
[0029]對(duì)于觀測(cè)時(shí)刻t，根據(jù)莫爾斯運(yùn)動(dòng)聲源理論及點(diǎn)聲源假設(shè)條件，則矢量陣中第m個(gè)水聽器測(cè)量到的第i號(hào)聲源的聲壓信號(hào)和振速信號(hào)vf(/)、V?f(/)以及if呦可表
示為:
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種配置參考聲源的水下運(yùn)動(dòng)聲源柱面矢量聚焦定位方法，其特征是: Ca)在球面波傳播規(guī)律及點(diǎn)聲源假設(shè)條件下，獲取矢量陣接收信號(hào)； (b)采取配置參考聲源&的方式，利用矢量陣最大似然聚焦定位算法，對(duì)等時(shí)間間隔下的分段數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，獲取整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中各時(shí)間段下的聲源位置、速度和傾角運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)結(jié)果； (C)根據(jù)(b)中獲得的分段數(shù)據(jù)以及定位結(jié)果生成稀疏虛擬陣列參數(shù)及虛擬矢量陣數(shù)據(jù)矩陣，并得到虛擬陣列采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣； (d)針對(duì)分析頻率，在聲源所在柱面進(jìn)行聚焦掃描，生成虛擬矢量陣聚焦導(dǎo)向矢量； (e)對(duì)(d)中生成的虛擬矢量陣聚焦導(dǎo)向矢量施加最差性能優(yōu)化約束條件，并將其轉(zhuǎn)化為具有單一非線性約束的二次最小化問題，利用二階錐規(guī)劃方法對(duì)最優(yōu)權(quán)矢量進(jìn)行求解，進(jìn)而得到掃描點(diǎn)處優(yōu)化后的聚焦輸出功率； (f)設(shè)置合適步長，重復(fù)(d)至(e)的步驟，進(jìn)行完整柱面搜索并比較輸出功率譜圖，由譜峰位置確定噪聲源所在位置，定位結(jié)果指示聲源A與參考聲源&之間的空間位置關(guān)系。
【文檔編號(hào)】G01S5/16GK103543438SQ201310282873
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月8日
【發(fā)明者】時(shí)潔, 楊德森, 時(shí)勝國 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)