基于单基元几何交汇法的被动目标测距测速分析

　　1 引 言

　　水下目标辐射噪声谱是由连续谱和线谱叠加而成的混合谱, 线谱通常在谱图上位于低频段 [1] , 由于其频率低、传播距离远, 是现代声纳设备探测和捕捉的重要对象。在水声测量中一个重要的参数是目标距离的测定, 对于具有稳定线谱的高速目标, 可利用线谱的信息进行测距。

　　哈尔滨工程大学的杨德森教授等提出了在目标速度已知的条件下利用单只水听器对目标进行测距的模型 [2] , 该方法对平稳化以后的目标辐射噪声数据进行较长时间的线谱跟踪, 对多普勒频率曲线进行拟合后迭代求解方程组来估计目标的正横距离, 达到了一定的测距精度, 但此模型必须已知目标速度, 限制了自身的适用范围。只利用频率信息对目标进行测距、跟踪或定位是 TMA 问题的一个分支, Y.T.CHAN 和 J.J.TOWERS [3] 提出了一种基于多基元测量频率来对目标进行顺序定位的模型, 此模型采用二维栅格搜索的方法来获得相应于每个基元的多普勒参数, 然后利用各个基元的参数并结合一定几何关系来对目标进行定位, 其误差基本接近 C-R 下界。对于具有稳定线谱的高速目标, 用单个无指向性传感器对目标辐射噪声进行线谱频率搜索和测量, 从而对目标进行测距是水声信号处理中一个重要的研究方向。

　　本文提出了一种基于多普勒频移原理而构建的几何交汇模型, 结合一定的栅格搜索策略, 从而对目标进行距离和速度的估计。如果已知先验方位信息, 则可同时估计出目标的运动轨迹。几何交汇模型主要利用了目标线谱的多普勒频率, 对线谱频率的估计精度直接决定了速度和距离的测量精度。根据 Heisenberg 不确定性原理 [7] , 为得到较高的频率分辨率, 时间窗长应尽可能地大, 而信号线谱频率是随着时间以多普勒规律变化的, 为得到一个误差较小的频率估计, 时间窗长应尽可能地小。由于这对矛盾的存在, 补零 FFT、平均周期图 [5] 、拷贝相关 [6] 搜索频率等通过谱估计来进行频率测量的方法均得不到较高的频率分辨率。笔者经过大量的研究和仿真发现, 把过零法 [4] 和 Hilbert 变换法 [8] 这两种时域信号处理方法用于频率估计, 可以得到相对较高的频率分辨率( 可达到 0.1Hz), 从而为高精度的距离、速度估计提供了可能。

　　3 测频方法

　　由以上对交汇模型的阐述可以看出, 只有做到对 fr高精度的测频, 才可能有高精度的速度、距离估计。在对信号样本进行降噪处理之后, 利用过零法[4]和 Hilbert 变换法[8]这两种时域处理方法可做到较准确的频率估计。

　　3.1 小波降噪