一种用于运动声源航迹估计的双参考源方法

王 谦,侯 宏,李建辰,陈志菲

(1.西北工业大学航海学院,陕西西安 710072;2.中国船舶重工集团公司第七○五研究所,陕西西安710077;3.中国科学院声学研究所,北京 100190)

一种用于运动声源航迹估计的双参考源方法

王 谦1,侯 宏1,李建辰2,陈志菲3

(1.西北工业大学航海学院,陕西西安 710072;2.中国船舶重工集团公司第七○五研究所,陕西西安710077;3.中国科学院声学研究所,北京 100190)

为了对高速运动状态下的水下航行器的航迹进行估计,提出双脉冲参考源的航迹估计方法.该方法通过对不同时刻下两个连续波脉冲参考源进行定向,结合各脉冲的辐射和接收时刻估计及已知的双源间距,即可估计直线运动中目标的航迹参数和各时刻下的航速.仿真结果表明,该方法提高了传统参考源方法的航迹估计性能.水库模拟实验中,该算法航向估计偏差在1%以内,正横距离估计偏差在9%以内,适用于高速运动水下航行器航迹估计.

水下航行器;直线运动目标;双脉冲参考源;航迹参数;误差

在水下航行器噪声源识别时,一般使用水听器阵列测试实航状态下的水下航行器通过噪声[1].对于噪声源识别工作,首先需要已知水下航行器相对于水听器的准确测试距离.由于实航试验一般在湖、海等条件下进行,吊放水听器测试阵列的测噪船由于受风浪影响,容易导致水听器阵列的位置具有极大的不确定性.同时,高速运动的水下航行会产生多普勒效应,现有的经典阵列信号处理方法多针对静止信号源[2-3],在对水下航行器的辐射噪声处理前有必要进行解多普勒运算[4-5],以改善噪声源识别系统的估计性能[6].因此,在进行噪声源识别工作前,需对水下航行器的航迹信息进行估计,包括与水听器阵的相对距离,及用于解多普勒的航速、航向等参数.

目前较为成熟的运动目标航迹估计方法有阵列信号处理方法和基线定位系统的脉冲定位方法[7]等.水下航行器属于合作目标,一般可加装参考源来进行跟踪定位[8].文献[9]假定目标在二维空间进行匀速直线运动且航速已知,在3个等时间间隔点上对加装的单个连续波(Continuous Wave,CW)[10]参考源进行阵列定向后,利用阵列和航迹的几何关系即可确定参考源在中间时间点时的位置.但CW波的阵列定向所需阵元较多,且高速运动目标定向受多普勒效应的影响.另外,仅采用两个时刻下的定向结果,算法稳健性不好.

为了便于工程实施及减少系统成本,笔者介绍了一种基于基线定位技术的目标航迹估计方法,该方法利用少量水听器阵元及加装在航行器上的两个CW脉冲参考源进行基线定位[11],利用脉冲参考源的定向结果和多普勒效应来估计目标航迹,得到各时刻水下航行器相对于测试水听器阵列的距离、航速及航向信息.

1　算法描述

参考源航迹估计将直线航迹和阵列限定在二维平面内,设航向角为θ,正横距离为R0,则由θ和R0即可确定航迹,两参数取值范围为-π/2＜θ＜π/2,R0＞0,如图1所示.文中参考基线定位方法[12],通过在运动目标上加装两个CW脉冲参考源,分别命名为参考源A和B,两参考源间距设为r0,在不同时刻下对脉冲进行定向处理[13],得到双源定向的角度,分别用α和β来表示.则结合r0即可估计航迹参数,包括航向角θ、正横距离R0,以及各截取时刻间的航速v.

图1　加装双参考源的直线运动目标航迹估计

假设两个同时辐射的CW脉冲周期tc一致,对接收信号滤波后可分离两个CW脉冲.对于某个接收的CW脉冲,按照基线定位方法有[14]

其中,c为声速,(xm,ym,zm)和tm分别是第m个阵元的空间坐标和其接收到的脉冲信号前沿到达时刻,(xs,ys,zs)和ts则是声源辐射该脉冲时的空间坐标和辐射时刻.式(1)中,(xs,ys,zs)和ts未知,阵元坐标(xm,ym,zm)已知,脉冲前沿到达时刻tm可由接收信号的时域处理得到.当有4个以上阵元时,上式成为超定方程组,从而可以解得声源坐标(xs,ys,zs)和辐射时刻ts,文中以七元均匀线列阵为例,估计CW脉冲辐射时刻的方向α、β、ts和tm.

基线定位方法的测距精度不高,但测向精度较好,其测向结果不受运动声源的多普勒效应影响,且所需阵元数较少.

对于某个CW脉冲参考源,其相邻的两个周期的波形存在如图2所示的几何关系.

对于坐标为Sm的第m个阵元的接收信号,其第一参考源的两个脉冲波形前沿时刻的差值tm可由式(1)估计得到,即tm=tm2-tm1.由此得到声程差为

图2　CW脉冲的传播声程示意图

其中,SmA1和SmA2分别是Sm到A1和A2的距离,它们是航迹参数θ和R0的函数.不同阵元下对每组相邻脉冲均可得到与上式类似的结果,从而构造θ和R0的非线性方程组.以残差的倒数为目标函数作二维搜索即可估计航迹参数,定义该方法为基于声程差的直线航迹参数估计方法(linear track estimation based on Path Difference,PD),即

其中,M为阵元数,K为采用的脉冲数;tmk为第m个阵元接收信号中第k和k+1个脉冲之间的时间间隔,即tmk=tm(k+1)-tm(k).

另外,图1中对于第k=1组双脉冲,航迹直线和OAk直线可表示为

将上式中αk替换为βk即得Bk坐标,显然

其中,AkBk为Ak和Bk之间的距离.利用多组双脉冲信号构建上式可以得到θ和R0的非线性方程组,以残差的倒数为目标函数作二维搜索即可估计航迹参数.定义这种方位为基于双源间距的直线航迹参数估计方法(linear track estimation based on Double Source Spacing,DSS),即

其中,K为采用的双脉冲个数.式(7)相当于将文献[11]中的航速估计方法的思想扩展到多点情形下用于航迹参数估计.由航迹参数可以进而得到Ak和Bk坐标,结合式(1)中的ts可以估计相邻脉冲间航速为

其中,AkAk+1为Ak和Ak+1之间的距离.

本质上,PD方法是利用定向结果和多普勒效应;DSS方法则是利用多个时刻下的定向结果和双源间距来估计航迹参数.PD方法则仅需一个参考源,而DSS方法需要双参考源.将PD方法和DSS方法结合起来,同样可以二维搜索后得到航迹参数θ和R0,定义该方法为基于双脉冲源的直线航迹参数估计方法(linear track estimation based on Double Pulse Sources,DPS),即

其中,fPD1和fPD2是分别针对两个CW脉冲声源的PD方法.

2　仿真验证

DPS方法的算子由PD方法和DSS方法的算子构成,其中PD方法算子直接受到相邻周期脉冲的声程差ΔR的偏差Δr的影响,即时延差偏差Δτ=Δr/c的影响;DSS方法的算子则受脉冲基线定位方法的定向偏差Δφ(即α和β的偏差)影响较大.下面仿真给出定向偏差和时延差偏差对DPS方法、PD方法和DSS方法的算子估算航向和正横距离的影响,其中航向定义为水下航行器与测试水听器阵列的夹角,正横距离定义为水下航行器位于水听器阵列正横位置时的相对距离.

在图1所示几何条件下,假定采用均匀线列阵的阵元数M为7,阵元间距d为0.3 m.两个CW脉冲声源载频f0为[6 000 Hz,9 000 Hz],均周期Tc为200 ms,间距r0为0.64 m,水中声速c为1 500 m/s,目标作航速v为20 m/s的匀速直线运动.实际航迹参数θ为10°、R0为31.26 m.从采集信号中截取6组双脉冲进行航迹参数估计.

在100次Monte Carlo实验后[14],不同Δθ和不同Δτ下DSS、PD和DPS这3种方法的航迹参数的平均绝对偏差,其中添加的偏差是定向偏差[-Δθ,Δθ]或时延差偏差[-Δτ,Δτ]内均匀分布的随机数.由仿真结果得到,PD方法主要受时延差偏差的影响,0.1 ms的时延差偏差会造成2.2°的航向偏差和3.6 m的正横距离偏差.DSS方法则主要受定向偏差的影响,0.1°的定向偏差也会造成7.4°的航向偏差和3.3 m的正横距离偏差.DPS方法在0.1°的定向偏差和0.1 ms的时延差偏差下,航向估计偏差为1.8°,在1%以内;正横距离估计偏差为1.6 m,在6%以内,由该结果可看出,DPS方法结合PD和DPS方法,改善了估计性能.

相同仿真条件下,图3进一步给出了不同信噪比下100次Monte Carlo实验后3种方法的航迹参数估计性能,从中可以看到,DSS方法的航向偏差相对偏大,而PD方法的正横距离估计偏差相对较大,DPS方法性能优于DSS方法和PD方法.

由于在航迹估计的过程中,水听器测试阵列会因风浪影响产生漂移,进而使水听器阵列与水下航行器之间的航向角及正横距离产生偏差.为了进一步分析此航迹估计算法的适用范围,下面对同一信噪比多种工况下100次Monte Carlo实验的DPS方法估计结果进行分析.

在水听器阵列与水下航行器的航向在不同测试夹角的条件下进行仿真,航向角和正横距离的估计偏差基本随测试夹角的增大而增大,当测试夹角在40°范围内,偏差较小,航向角偏差基本在0.5°范围内,正横距离估计偏差在1 m以内.

图3　不同信噪比下几种方法的航迹参数估计性能

在水听器阵列与水下航行器之间的测试距离为20～100 m的条件下进行仿真,航向角估计偏差在0.2°～1.2°之间,当测试距离为50 m时,航向角偏差为最小,当测试距离变小或变大,航向角偏差均有所增加;正横距离的估计偏差随测试距离的增大而增大,当测试距离在20～90 m的范围内时,正横距离的估计偏差较小,可控制在0.8～2.5 m内.

3　试验验证

水下运动目标估计试验是在水库中进行的.试验中模拟航行器以简单易行的自由落体方式在水中运动,同时水听器直线阵列也以垂直吊放的方式,在一定深度测量运动目标的通过噪声,检验DPS方法及DSS、PD方法的航迹估计性能,试验示意图如图4所示.

图4　直线运动声源航迹估计实验示意图

模拟航行器中装有两只用以辐射参考声源的水下换能器.两换能器以不同的组合,发射脉冲信号.水听器直线阵列的阵元个数为32,阵列孔径为5 m.水听器阵列平行于航迹垂直吊放,放置在模拟航行器运动速度接近匀速的深度,采集其通过噪声.

两换能器发射的CW脉冲载频分别为7 000 Hz和10 000 Hz,换能器间距r0=0.3 m,发射周期Tc= 200 ms.模拟航行器自由落体运动,水听器阵列垂直吊放,因此航迹参数中θ=0°.使用激光测距仪测得,模拟航行器和水听器阵列吊放点的直线距离R0=31.26 m.由于航迹长度有限,模拟航行器在通过水听器阵列正横位置大致作加速直线运动.通过已知的试验参数解算出模拟航行器在通过水听器阵列所在深度的速度vmax≈7.77 m/s[16].

图5给出了某次实验数据中截取其中一个脉冲进行DPS方法处理后的航迹参数搜索谱图,从图5中可看出,DPS谱峰较为尖锐,结果较为准确.DSS和PD的分析结果是峰脊形状的谱峰,最大峰值在峰脊上游走,降低了其航迹参数估计性能.DPS则利用这两条峰脊的交叉得到较为稳定的谱峰,其航迹参数估计结果相对稳健.

图5　DPS方法的航迹参数估计空间谱

表1为其中两次试验中3种方法详细的航迹估计结果,由表1可以看到,DSS、PD和DPS方法的航迹参数估计性能依次提高,其中DPS算法航向估计偏差在1%以内,正横距离估计偏差控制在9%以内.

表1　直线运动声源实验的航迹估计偏差

4　结束语

笔者提出了DPS双脉冲源的直线航迹参数估计方法,该方法采用CW脉冲定向,利用DSS和PD两种方法的交叉谱峰,所需阵元数更少,并可规避多普勒的影响.通过仿真试验验证了DPS方法的性能及适用范围,并通过水库试验证明了该方法航向估计偏差1%以内、正横距离估计偏差控制在9%,具有较好的工程应用前景.

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(编辑:王 瑞)

Linear track estimation by double pulse sources for moving target

WANG Qian1,HOU Hong1,LI Jianchen2,CHEN Zhifei3
(1.School of Marine Science and Technology,Northwestern Polytechnical Univ.,Xi’an 710072,China; 2.The No.705 Research Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Xi’an 710077,China;3. Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

The double pulse sources method(DPS)is used to estimate the track of the high speed underwater vehicle.The linear track parameters and the speed at each time will be achieved based on the direction estimated by two CW pulse reference sources,the emitted and recorded time of each pulse front,and the dual-source distance which is known in advance.Simulation results show that the DPS method improves the performance of the traditional source estimation reference method.In the reservoir simulation experiments,the deviation of direction estimation is less than 1%and the deviation of distance estimation is controlled to within 9%by the DPSalgorithm.The DPSis suitable for underwater vehicle track estimation.

underwater vehicles;linear moving target;double pulse sources;track parameters;deviation

O427.9

A

1001-2400(2016)05-0111-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.05.020

2015-07-25 网络出版时间:2015-12-10

国家部委预先研究资助项目(4011xxxx0201)

王 谦(1982-),男,高级工程师,西北工业大学博士研究生,E-mail:king2397@126.com.

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20151210.1529.040.html