基于線譜幅值起伏的目標被動定位技術(shù)研究

魏德凱 朱代柱 郭浩泉

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108）

近年來，隨著各國減震降噪技術(shù)和機械推進技術(shù)的不斷進步，水下目標輻射噪聲級呈逐年降低趨勢，這意味著對目標的定位變得越來越困難?？紤]到水下目標諸如魚雷、潛艇對水面艦艇和海域控制的巨大威脅性，低信噪比目標的被動定位技術(shù)被各國重視起來并逐年加大人力物力的投入。

被動定位以其較好的隱蔽性和抗干擾能力，一直是聲吶致力研究的課題。經(jīng)典的被動測距方法主要有三子陣法、聚焦波束形成方法、目標運動分析及匹配場處理等。三子陣法和聚焦波束形成方法利用了波前曲率僅適用于近程；目標運動分析方法作用距離較遠，但需要較長的積分時間，且估距結(jié)果有一定的發(fā)散概率；匹配場處理因計算量較大以及對環(huán)境參數(shù)比較敏感而影響工程使用。近些年，基于波導(dǎo)不變量的被動定位技術(shù)因良好的定位性能而廣受關(guān)注，但對干涉條紋的自動提取還存在一定的困難[1-2]。

本文提出的一種基于線譜幅值起伏的目標被動定位方法，在寬帶檢測失效、自相關(guān)無法估計出時延的情況下，利用目標輻射噪聲中線譜的幅值與多途時延的關(guān)系，對時延進行估計，在假定目標深度的情況下可以利用單水聽器實現(xiàn)對目標距離的估計，使用雙水聽器或基陣可以實現(xiàn)對目標距離和深度的三維定位。

1 原理

1.1 多途方法距離估計

圖1中，設(shè)兩水聽器r1、r2的深度分別為H1和H2，水平距離L，目標深度為H3，與水聽器r2的水平距離為R。以一個水聽器r2為例，僅考慮直達聲和一次海面反射聲傳播路徑，就可以建立起目標水平距離R和直達聲與海面反射聲之間的時延差τ2之間的函數(shù)關(guān)系[3-5]。

式中，c為水中聲速，因為R>>H1+H2，所以可化簡為

同理可得

此時可得到水平距離的估計公式

同理，對水聽器r1可得

若測得τ1和τ2，則可估計出目標距離R和深度H3。

圖1 淺海多途傳播示意圖

1.2 線譜幅值起伏時延估計

在目標信噪比很低時，寬帶相關(guān)不可用，但此時線譜的信噪比要高于背景噪聲，可以使用線譜的幅值起伏來估計時延τ2。設(shè)水聽器接收端的信號為

設(shè)其中的線譜分量為

式中，fi為某一單頻信號的頻率，A為其幅值。對式（7）求FFT可以求得單頻線譜幅值的平方為

它是一個與時延有關(guān)的量，最大值為

通過式（9）可以求出A，然后代入式（8）求出時延τ2為

計算步驟：

（1）在較遠距離上，時延非常小，用一段數(shù)據(jù)（40 s）統(tǒng)計測量結(jié)果，估計出初始時刻的線譜幅值平方最大值

（3）最后將步驟（2）估計結(jié)果A2(k+1)與觀測得到的線譜幅值平方按照式（10）估計出多途時延值。

1.3 多線譜幅值起伏時延估計

當目標輻射信號中含有多根線譜時，各線譜雖然頻率位置和幅值各不相同，但同一時刻不同fi的時延是相等的，用不同fi可估計出多個時延值，然后對多個時延求平均得到更加平滑的時延曲線，最終求得目標水平距離。仍然以r2接收信號為例，此時接收信號中的線譜分量為

式中，m為線譜的的根數(shù)，對式（11）求FFT得到每一根線譜幅值的平方為

同樣由式（13）估計出每一根線譜的幅值A(chǔ)i，然后估計出各自的時延：

按照單線譜估計距離的步驟，對多線譜估計出的多個時延值求平均，將平均后的時延帶入式（2）估計出水平距離。

1.4 目標距離與深度估計

利用單水聽器估計時，需要先假設(shè)目標深度H3才能實現(xiàn)對目標水平距離R的估計。使用雙水聽器可以聯(lián)合式（4）、（5），用各自估計出的時延值τ1和τ2可同時對目標水平距離R和深度H3進行估計。

2 仿真分析

2.1 單線譜幅值起伏距離估計

單水聽器條件下，假設(shè)目標在深度H3=60 m以速度v1=2m/s向x軸負方向運動，接收水聽器深度H2=40 m，靜止不動，目標與接收水聽器初始水平距離為R0=10 km。目標輻射噪聲中包含一根線譜，頻率為f1=100 Hz，水聽器初始接收端線譜信噪比SNR=10 dB，信號強度按照20lg(R0/R)的規(guī)律隨著運動增加。仿真結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 線譜幅值平方測量值

圖3 時延估計結(jié)果

圖4 目標水平距離估計結(jié)果

2.2 多線譜幅值起伏距離估計

假設(shè)目標輻射噪聲中含有三根線譜成分，頻率分別為f1=100 Hz、f2=150 Hz、f3=200 Hz，初始信噪比分別為10 dB、7 dB、5 dB，衰減規(guī)律與運動狀態(tài)與單線譜時相同。對不同線譜估計出的時延值τ2i，求平均后得出平滑后的時延τ的估計，然后對水平距離進行估計，仿真結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 不同線譜幅值平方測量值

圖6 不同線譜時延估計結(jié)果

圖7 目標水平距離估計結(jié)果

從圖6可以看出，用不同頻率線譜對時延的估計結(jié)果相差無幾，進一步證明了本文提出的方法對時延的估計性能與頻率fi無關(guān)，對比圖7和圖4可以看出，多根線譜估計對時延估計帶來的起伏具有平滑效果。

2.3 目標距離與深度估計

雙水聽器條件下，H1=40 m，L=500 m，其他仿真條件與單水聽器時相同，可以實現(xiàn)對目標方位、距離和深度的三維估計。此處省略方位估計，仿真結(jié)果如圖8～11所示。從圖中結(jié)果可以看出，使用雙水聽器或雙基陣，可以實現(xiàn)對目標方位、距離和深度的三維估計（此處省略方位估計）。

圖8 雙水聽器線譜幅值平方測量值

圖9 雙水聽器時延估計結(jié)果

圖10 深度估計結(jié)果

圖11 目標距離估計結(jié)果

目標距離和深度的估計結(jié)果在前期階段都明顯大于真實值，主要是因為當目標距離較遠時，兩個時延值τ1與τ2的差值很小，如圖9所示，使得式（15）的分母非常小，導(dǎo)致對目標距離和深度的估計值偏大，表明在未知深度的情況下，該方法對遠距離目標的估計值不準確，但同時，也可以據(jù)此推斷目標位于較遠距離，這對預(yù)警、識別和對抗具有重要的意義。

2.4 適用深度仿真

為了分析此方法適用的深度范圍，設(shè)置H1=H3，選擇理論7 000 m處估距誤差隨著H1+H3的變化情況，結(jié)果如圖12所示。

圖12 理論7 000 m處誤差百分比

圖12表明，本方法適用于聲源與接收點在一定深度的應(yīng)用場景，即直達聲與海面反射聲存在一定的聲程差，如潛標對潛預(yù)警。

3 結(jié)論

本文提出了一種利用線譜幅值起伏估計時延的方法，可以實現(xiàn)對目標距離和深度的估計，該方法計算量很小，在信噪比低、寬帶相關(guān)失效的情況下有一定的工程應(yīng)用前景，適用于聲源與接收點在一定深度的場景。當對目標的深度信息具有一定的先驗知識時，定位結(jié)果可以得到顯著的改善。