一種用于運動聲源航跡估計的雙參考源方法

王 謙,侯 宏,李建辰,陳志菲

(1.西北工業大學航海學院,陜西西安 710072;2.中國船舶重工集團公司第七○五研究所,陜西西安710077;3.中國科學院聲學研究所,北京 100190)

一種用于運動聲源航跡估計的雙參考源方法

王 謙1,侯 宏1,李建辰2,陳志菲3

(1.西北工業大學航海學院,陜西西安 710072;2.中國船舶重工集團公司第七○五研究所,陜西西安710077;3.中國科學院聲學研究所,北京 100190)

為了對高速運動狀態下的水下航行器的航跡進行估計,提出雙脈沖參考源的航跡估計方法.該方法通過對不同時刻下兩個連續波脈沖參考源進行定向,結合各脈沖的輻射和接收時刻估計及已知的雙源間距,即可估計直線運動中目標的航跡參數和各時刻下的航速.仿真結果表明,該方法提高了傳統參考源方法的航跡估計性能.水庫模擬實驗中,該算法航向估計偏差在1%以內,正橫距離估計偏差在9%以內,適用于高速運動水下航行器航跡估計.

水下航行器;直線運動目標;雙脈沖參考源;航跡參數;誤差

在水下航行器噪聲源識別時,一般使用水聽器陣列測試實航狀態下的水下航行器通過噪聲[1].對于噪聲源識別工作,首先需要已知水下航行器相對于水聽器的準確測試距離.由于實航試驗一般在湖、海等條件下進行,吊放水聽器測試陣列的測噪船由于受風浪影響,容易導致水聽器陣列的位置具有極大的不確定性.同時,高速運動的水下航行會產生多普勒效應,現有的經典陣列信號處理方法多針對靜止信號源[2-3],在對水下航行器的輻射噪聲處理前有必要進行解多普勒運算[4-5],以改善噪聲源識別系統的估計性能[6].因此,在進行噪聲源識別工作前,需對水下航行器的航跡信息進行估計,包括與水聽器陣的相對距離,及用于解多普勒的航速、航向等參數.

目前較為成熟的運動目標航跡估計方法有陣列信號處理方法和基線定位系統的脈沖定位方法[7]等.水下航行器屬于合作目標,一般可加裝參考源來進行跟蹤定位[8].文獻[9]假定目標在二維空間進行勻速直線運動且航速已知,在3個等時間間隔點上對加裝的單個連續波(Continuous Wave,CW)[10]參考源進行陣列定向后,利用陣列和航跡的幾何關系即可確定參考源在中間時間點時的位置.但CW波的陣列定向所需陣元較多,且高速運動目標定向受多普勒效應的影響.另外,僅采用兩個時刻下的定向結果,算法穩健性不好.

為了便于工程實施及減少系統成本,筆者介紹了一種基于基線定位技術的目標航跡估計方法,該方法利用少量水聽器陣元及加裝在航行器上的兩個CW脈沖參考源進行基線定位[11],利用脈沖參考源的定向結果和多普勒效應來估計目標航跡,得到各時刻水下航行器相對于測試水聽器陣列的距離、航速及航向信息.

1　算法描述

參考源航跡估計將直線航跡和陣列限定在二維平面內,設航向角為θ,正橫距離為R0,則由θ和R0即可確定航跡,兩參數取值范圍為-π/2＜θ＜π/2,R0＞0,如圖1所示.文中參考基線定位方法[12],通過在運動目標上加裝兩個CW脈沖參考源,分別命名為參考源A和B,兩參考源間距設為r0,在不同時刻下對脈沖進行定向處理[13],得到雙源定向的角度,分別用α和β來表示.則結合r0即可估計航跡參數,包括航向角θ、正橫距離R0,以及各截取時刻間的航速v.

圖1　加裝雙參考源的直線運動目標航跡估計

假設兩個同時輻射的CW脈沖周期tc一致,對接收信號濾波后可分離兩個CW脈沖.對于某個接收的CW脈沖,按照基線定位方法有[14]

其中,c為聲速,(xm,ym,zm)和tm分別是第m個陣元的空間坐標和其接收到的脈沖信號前沿到達時刻,(xs,ys,zs)和ts則是聲源輻射該脈沖時的空間坐標和輻射時刻.式(1)中,(xs,ys,zs)和ts未知,陣元坐標(xm,ym,zm)已知,脈沖前沿到達時刻tm可由接收信號的時域處理得到.當有4個以上陣元時,上式成為超定方程組,從而可以解得聲源坐標(xs,ys,zs)和輻射時刻ts,文中以七元均勻線列陣為例,估計CW脈沖輻射時刻的方向α、β、ts和tm.

基線定位方法的測距精度不高,但測向精度較好,其測向結果不受運動聲源的多普勒效應影響,且所需陣元數較少.

對于某個CW脈沖參考源,其相鄰的兩個周期的波形存在如圖2所示的幾何關系.

對于坐標為Sm的第m個陣元的接收信號,其第一參考源的兩個脈沖波形前沿時刻的差值tm可由式(1)估計得到,即tm=tm2-tm1.由此得到聲程差為

圖2　CW脈沖的傳播聲程示意圖

其中,SmA1和SmA2分別是Sm到A1和A2的距離,它們是航跡參數θ和R0的函數.不同陣元下對每組相鄰脈沖均可得到與上式類似的結果,從而構造θ和R0的非線性方程組.以殘差的倒數為目標函數作二維搜索即可估計航跡參數,定義該方法為基于聲程差的直線航跡參數估計方法(linear track estimation based on Path Difference,PD),即

其中,M為陣元數,K為采用的脈沖數;tmk為第m個陣元接收信號中第k和k+1個脈沖之間的時間間隔,即tmk=tm(k+1)-tm(k).

另外,圖1中對于第k=1組雙脈沖,航跡直線和OAk直線可表示為

將上式中αk替換為βk即得Bk坐標,顯然

其中,AkBk為Ak和Bk之間的距離.利用多組雙脈沖信號構建上式可以得到θ和R0的非線性方程組,以殘差的倒數為目標函數作二維搜索即可估計航跡參數.定義這種方位為基于雙源間距的直線航跡參數估計方法(linear track estimation based on Double Source Spacing,DSS),即

其中,K為采用的雙脈沖個數.式(7)相當于將文獻[11]中的航速估計方法的思想擴展到多點情形下用于航跡參數估計.由航跡參數可以進而得到Ak和Bk坐標,結合式(1)中的ts可以估計相鄰脈沖間航速為

其中,AkAk+1為Ak和Ak+1之間的距離.

本質上,PD方法是利用定向結果和多普勒效應;DSS方法則是利用多個時刻下的定向結果和雙源間距來估計航跡參數.PD方法則僅需一個參考源,而DSS方法需要雙參考源.將PD方法和DSS方法結合起來,同樣可以二維搜索后得到航跡參數θ和R0,定義該方法為基于雙脈沖源的直線航跡參數估計方法(linear track estimation based on Double Pulse Sources,DPS),即

其中,fPD1和fPD2是分別針對兩個CW脈沖聲源的PD方法.

2　仿真驗證

DPS方法的算子由PD方法和DSS方法的算子構成,其中PD方法算子直接受到相鄰周期脈沖的聲程差ΔR的偏差Δr的影響,即時延差偏差Δτ=Δr/c的影響;DSS方法的算子則受脈沖基線定位方法的定向偏差Δφ(即α和β的偏差)影響較大.下面仿真給出定向偏差和時延差偏差對DPS方法、PD方法和DSS方法的算子估算航向和正橫距離的影響,其中航向定義為水下航行器與測試水聽器陣列的夾角,正橫距離定義為水下航行器位于水聽器陣列正橫位置時的相對距離.

在圖1所示幾何條件下,假定采用均勻線列陣的陣元數M為7,陣元間距d為0.3 m.兩個CW脈沖聲源載頻f0為[6 000 Hz,9 000 Hz],均周期Tc為200 ms,間距r0為0.64 m,水中聲速c為1 500 m/s,目標作航速v為20 m/s的勻速直線運動.實際航跡參數θ為10°、R0為31.26 m.從采集信號中截取6組雙脈沖進行航跡參數估計.

在100次Monte Carlo實驗后[14],不同Δθ和不同Δτ下DSS、PD和DPS這3種方法的航跡參數的平均絕對偏差,其中添加的偏差是定向偏差[-Δθ,Δθ]或時延差偏差[-Δτ,Δτ]內均勻分布的隨機數.由仿真結果得到,PD方法主要受時延差偏差的影響,0.1 ms的時延差偏差會造成2.2°的航向偏差和3.6 m的正橫距離偏差.DSS方法則主要受定向偏差的影響,0.1°的定向偏差也會造成7.4°的航向偏差和3.3 m的正橫距離偏差.DPS方法在0.1°的定向偏差和0.1 ms的時延差偏差下,航向估計偏差為1.8°,在1%以內;正橫距離估計偏差為1.6 m,在6%以內,由該結果可看出,DPS方法結合PD和DPS方法,改善了估計性能.

相同仿真條件下,圖3進一步給出了不同信噪比下100次Monte Carlo實驗后3種方法的航跡參數估計性能,從中可以看到,DSS方法的航向偏差相對偏大,而PD方法的正橫距離估計偏差相對較大,DPS方法性能優于DSS方法和PD方法.

由于在航跡估計的過程中,水聽器測試陣列會因風浪影響產生漂移,進而使水聽器陣列與水下航行器之間的航向角及正橫距離產生偏差.為了進一步分析此航跡估計算法的適用范圍,下面對同一信噪比多種工況下100次Monte Carlo實驗的DPS方法估計結果進行分析.

在水聽器陣列與水下航行器的航向在不同測試夾角的條件下進行仿真,航向角和正橫距離的估計偏差基本隨測試夾角的增大而增大,當測試夾角在40°范圍內,偏差較小,航向角偏差基本在0.5°范圍內,正橫距離估計偏差在1 m以內.

圖3　不同信噪比下幾種方法的航跡參數估計性能

在水聽器陣列與水下航行器之間的測試距離為20～100 m的條件下進行仿真,航向角估計偏差在0.2°～1.2°之間,當測試距離為50 m時,航向角偏差為最小,當測試距離變小或變大,航向角偏差均有所增加;正橫距離的估計偏差隨測試距離的增大而增大,當測試距離在20～90 m的范圍內時,正橫距離的估計偏差較小,可控制在0.8～2.5 m內.

3　試驗驗證

水下運動目標估計試驗是在水庫中進行的.試驗中模擬航行器以簡單易行的自由落體方式在水中運動,同時水聽器直線陣列也以垂直吊放的方式,在一定深度測量運動目標的通過噪聲,檢驗DPS方法及DSS、PD方法的航跡估計性能,試驗示意圖如圖4所示.

圖4　直線運動聲源航跡估計實驗示意圖

模擬航行器中裝有兩只用以輻射參考聲源的水下換能器.兩換能器以不同的組合,發射脈沖信號.水聽器直線陣列的陣元個數為32,陣列孔徑為5 m.水聽器陣列平行于航跡垂直吊放,放置在模擬航行器運動速度接近勻速的深度,采集其通過噪聲.

兩換能器發射的CW脈沖載頻分別為7 000 Hz和10 000 Hz,換能器間距r0=0.3 m,發射周期Tc= 200 ms.模擬航行器自由落體運動,水聽器陣列垂直吊放,因此航跡參數中θ=0°.使用激光測距儀測得,模擬航行器和水聽器陣列吊放點的直線距離R0=31.26 m.由于航跡長度有限,模擬航行器在通過水聽器陣列正橫位置大致作加速直線運動.通過已知的試驗參數解算出模擬航行器在通過水聽器陣列所在深度的速度vmax≈7.77 m/s[16].

圖5給出了某次實驗數據中截取其中一個脈沖進行DPS方法處理后的航跡參數搜索譜圖,從圖5中可看出,DPS譜峰較為尖銳,結果較為準確.DSS和PD的分析結果是峰脊形狀的譜峰,最大峰值在峰脊上游走,降低了其航跡參數估計性能.DPS則利用這兩條峰脊的交叉得到較為穩定的譜峰,其航跡參數估計結果相對穩健.

圖5　DPS方法的航跡參數估計空間譜

表1為其中兩次試驗中3種方法詳細的航跡估計結果,由表1可以看到,DSS、PD和DPS方法的航跡參數估計性能依次提高,其中DPS算法航向估計偏差在1%以內,正橫距離估計偏差控制在9%以內.

表1　直線運動聲源實驗的航跡估計偏差

4　結束語

筆者提出了DPS雙脈沖源的直線航跡參數估計方法,該方法采用CW脈沖定向,利用DSS和PD兩種方法的交叉譜峰,所需陣元數更少,并可規避多普勒的影響.通過仿真試驗驗證了DPS方法的性能及適用范圍,并通過水庫試驗證明了該方法航向估計偏差1%以內、正橫距離估計偏差控制在9%,具有較好的工程應用前景.

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(編輯: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 網絡出版時間:2015-12-10

國家部委預先研究資助項目(4011xxxx0201)

王 謙(1982-),男,高級工程師,西北工業大學博士研究生,E-mail:king2397@126.com.

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