一種波導(dǎo)不變量的被動(dòng)定位方法

黃冠欽, 楊坤德

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一種波導(dǎo)不變量的被動(dòng)定位方法

黃冠欽, 楊坤德

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

波導(dǎo)不變量; 干涉條紋; Sobel銳化算子

0 引言

1 波導(dǎo)不變量

聲場(chǎng)中傳播的聲信號(hào)具有空-時(shí)相干性, 這種相干性產(chǎn)生了確定性分量, 即不變性特征。

Brekhovskikh等人提出了聲場(chǎng)中由于不同簡(jiǎn)正模之間的干涉引起了水平方向上的變化, 并定義了一個(gè)稱(chēng)為波導(dǎo)不變量來(lái)表征聲強(qiáng)隨距離-頻率變化的條紋特征[2]。

圖1 波導(dǎo)不變量條紋圖

根據(jù)相速度和群速度的關(guān)系可得一個(gè)不變量

2 距離估計(jì)的邊緣檢測(cè)方法

2.1 邊緣檢測(cè)方法

由于條紋圖案的特殊性, 計(jì)算條紋的斜率可以通過(guò)計(jì)算其邊緣斜率來(lái)實(shí)現(xiàn), 因此通過(guò)圖像銳化來(lái)突出和加強(qiáng)條紋的邊緣, 可以更加容易計(jì)算條紋的斜率。Sobel銳化算子就是圖像銳化和邊緣檢測(cè)中最常用的算子之一。

2.2 Sobel銳化算子

Sobel銳化算子就是將上式定義

其中:

2.3 仿真驗(yàn)證

在上文給出的波導(dǎo)不變量特性和邊緣檢測(cè)處理方法的基礎(chǔ)上, 仿真環(huán)境假定為深度8 m、聲速1500m/s的Pekeris波導(dǎo), 底層介質(zhì)聲速為1700 m/s、密度為1750kg/m3。假定聲源、接收換能器的深度都為4 m, 聲源與接收換能器距離0~300m、頻率為5000~ 10000 Hz的聲強(qiáng), 即可得波導(dǎo)不變量條紋圖, 如圖2。

圖2 仿真波導(dǎo)不變量條紋圖

圖3 條紋圖

圖4 梯度角分布圖

圖5 波導(dǎo)不變量距離估計(jì)與真實(shí)距離對(duì)比

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算得到的距離估計(jì)結(jié)果良好, 誤差在10%以?xún)?nèi), 證明本方法穩(wěn)定、簡(jiǎn)單、有效。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)本文方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。湖試現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)約700 m, 寬約400 m, 平均水深8 m, 如圖6所示。圖7給出了試驗(yàn)的基本配置。試驗(yàn)的基本流程為, 發(fā)射換能器發(fā)射線(xiàn)性調(diào)頻脈沖, 做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng), 由此得到波導(dǎo)不變量的條紋圖案。將接收端采集得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)傅里葉變換得到波導(dǎo)不變量條紋圖案, 如圖8所示。

由于試驗(yàn)信號(hào)源是由小船拖曳進(jìn)行均勻直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的, 利用GPS記錄試驗(yàn)小船的實(shí)時(shí)位置以及對(duì)應(yīng)的時(shí)刻和信號(hào)接收端的位置, 就可計(jì)算得到試驗(yàn)小船與信號(hào)接收端之間的時(shí)間和對(duì)應(yīng)的距離。那么, 時(shí)間-頻率圖像就可以轉(zhuǎn)換成與前文相同的距離-頻率圖像。

圖6 湖試所在地衛(wèi)星圖

圖7 試驗(yàn)配置示意圖

圖8 湖試波導(dǎo)不變量條紋圖

4 結(jié)束語(yǔ)

由不同簡(jiǎn)正波之間的相互干涉, 聲場(chǎng)強(qiáng)度刻畫(huà)在以水平距離和聲源頻率為坐標(biāo)的2D平面上會(huì)出現(xiàn)干涉條紋圖案。本文提出的利用Sobel銳化算子的邊緣檢測(cè)方法計(jì)算干涉條紋圖案的斜率, 并利用波導(dǎo)不變量理論通過(guò)計(jì)算得到的斜率實(shí)現(xiàn)目標(biāo)被動(dòng)定位。仿真結(jié)果表明, 該方法在距離估計(jì)上的最大誤差在10%以?xún)?nèi)。通過(guò)湖上試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn), 該方法的最大誤差在25m以?xún)?nèi), 證明該方法簡(jiǎn)單、有效, 具有良好的應(yīng)用前景。

圖9 湖試距離估計(jì)與真實(shí)距離對(duì)比

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A Passive Positioning Method Using Waveguide Invariant

HUANG Guan-qin, YANG Kun-de

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

waveguide invariant; interference stripes; Sobel sharpening operator

TJ630.34; TB566

A

1673-1948(2013)04-0268-04

2012-11-15;

2012-12-14.

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(11174235).

黃冠欽(1989-), 男, 在讀碩士, 研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)