基于矢量水听器的水下目标定位系统

　　引言

　　实现对水下目标准确及时的定位是获取水下作战优势的关键技术之一,利用目标产生的噪声,实现对目标的被动定位技术具有隐蔽性好、功耗低等优点,因而备受重视[1]。传统的定位系统需要利用大量声压水听器构成阵列,对声场进行空间采样,并通过阵列信号处理的方法获得目标位置。近年来,矢量水听器被越来越多地被应用到阵列构成中去,不同于传统的声压水听器,不仅可以给出声压信息,还可以提供振速信息,信息量的增加必然可以提高目标的定位精度。文献[2]指出:在相同阵元条件下,矢量水听器阵列具有更低的克拉美罗下限(CRLB);在相同的CRLB情况下,矢量水听器阵列具有更少的阵元;矢量水听器没有左右模糊性,改善了射端的DOA估计性能。但是,目前矢量水听器成本较高,实际中大量使用组成阵列存在一定困难,而单个矢量水听器在测定俯仰角时精度较低,特别是当声源位于矢量水听器顶上方附近时,方位估计误差是很大的。此外,单个矢量水听器无法实现目标距离估计,造成探测目标信息不完整。

　　本文提出了一种基于矢量水听器的三元线阵被动定位新方法,将一个矢量水听器和两个声压水听器组成三元阵,采用改进的广义互相关法获取时延信息,测定目标俯仰角和距离。同时利用矢量水听器获取的目标声源声强信息,测定目标的方位角。这就获得了目标的俯仰角、方位角及距离信息,从而实现对目标的定位。

　　1　定位原理

　　1.1　基于矢量水听器目标方位估计

　　本文采用直方图统计法进行方位估计,该方法在共轭互谱的基础上对每个频点进行方位估计,而后对所有频点的方位估计进行直方图统计得到某一时刻的方位估计曲线,曲线的最大值对应方位即为目标方位估计[3]。较之传统的声强平均法,该方法抗干扰能力更强,在实际环境中的使用价值更高。其原理如图1所示:

　　其中,P,Vx,Vy分别是矢量水听器输出的声压和X,Y方向上的振速。Ix(f)和Iy(f)分别为信号在X,Y方向上的声强。

　　方位估计的表达式为:

　　从式(1)中可以看出,方位是关于频率值的一个函数,直方图统计是对各频点的方位估计值统计,结果即为方位估计结果。

　　1.2　俯仰角及距离估计

　　系统采用柔性垂直三元阵,即阵元之间用特殊的柔性电缆相连,在压重块重力的牵引下,三个阵元排成一个垂直线阵,如图2所示。其中:S为目标声源,H1为矢量水听器,用于估计目标方位角。H2和H3为普通的声压水听器。设H1H2=H2H3=d,待测的目标距离为r,SH2与水平面的夹角为A,即待测的俯仰角。水中声速为c,通过获得声信号到达H1、H2的时延S12,到达H2、H3的时延S23,可由下列公式求取声源目标的距离和俯仰角[4]: