一种基于图傅里叶变换的深海水声目标距离估计方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，涉及海洋声学、信号处理等理论，具体涉及一种基于图傅里叶变换的深海水声目标距离估计方法。

背景技术

深海目标测距一直是研究热点问题，传统的目标测距方法主要有四种：一是匹配场定位，通过输入海洋环境参数构建声场计算模型，得到拷贝场，将拷贝场声压与测量场声压进行匹配估计得到目标的位置信息，但这方法需要准确的海洋环境参数，宽容性差，而且计算量大；二是利用波导不变量法测距，在浅海波导中，声场由于不同阶简正波间的叠加发生干涉现象，波导不变量法可以从声场干涉条纹的斜率中提取距离信息，这种方法具有更好的宽容性，但这种方法不适用于深海环境；三是多途时延法测距，利用声信号在深海中的两种主要传播模型：直达声传播、海底反射声传播，计算阵元间时延，结合声信号传播路径的几何机构估计目标距离，利用这种方法进行测距计算量小，但在测距前需要先判断声传播模式，而且得到的距离估计值的准确度较低；四是匹配目标到达角测距法，只需要计算一次声场模型就能构建目标距离与仿真目标到达角的关系式，再通过接收阵信号计算实际信号到达角，通过匹配实际信号到达角与仿真信号到达角就能快速估计得到目标距离，但目前主要通过常规波束形成计算得到信号到达角，主瓣较宽，难以精确估计距离。

发明内容

为了解决深海目标测距问题，本发明提供了一种基于图傅里叶变换法的目标测距方法，可以实现深海目标测距。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种基于图傅里叶变换的深海水声目标距离估计方法，具体包括以下步骤：

步骤1、基于射线模型BELLHOP建立声场模型，计算目标信号到达角和与到达角对应的目标距离；

步骤2、基于水平阵的阵列形态，构建图结构；

步骤3、基于图结构计算邻接阵元间的相位差；

步骤4、基于图结构和邻接阵元间的相位差建立稀疏有向邻接矩阵，稀疏有向邻接矩阵表示相邻顶点间的独立和相似关系；

步骤5、计算阵元相位差邻接矩阵的图傅里叶变换结果，将图傅里叶变换结果与原始数据做匹配，估计得到目标信号到达角；

步骤6、将通过图傅里叶变换法计算得到的目标信号到达角与步骤1中的目标信号到达角和目标距离的对应关系进行匹配，得到目标的估计距离；

所述步骤2的图结构构建过程中，N元水平阵的相邻阵元产生关联关系，首尾阵元间也产生关联关系。

所述步骤3的设计过程中，邻接阵元间的相位差的计算方式为：

w(n)＝exp(iknd sinθ) (1)

式中n表示需要计算阵元间隔数，θ为导向角，k＝2πf/c为信号波数，f为信号频率，c为接收阵附近声速，d为阵元间距，，exp(·)为指数运算符。

所述步骤4的设计过程中，稀疏有向邻接矩阵的构建方式为：

稀疏有向邻接矩阵为对角矩阵，位置(a,b)0＜a,b＜＝N处的元素表示为，第a个阵元与第b个阵元间的相位差。

所述步骤4的设计过程中，邻接矩阵的图傅里叶变换方法为：

对邻接矩阵A作特征分解：

A＝TΛT

其中矩阵

所述步骤5的设计过程中，定义匹配系数M为：

式中M表示匹配程度，

和现有技术相比，本发明提供的基于图傅里叶变换的深海水声目标距离估计方法，准确性更好，能检测更远的距离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅为本发明的一些实施例，对于本领域或普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于图傅里叶变换法的深海水声目标距离估计方法处理流程；

图2为基于N元水平阵的图结构；

图3为仿真环境采用的声速剖面；

图4为仿真目标信号到达角与目标距离的关系图；

图5为常规波束形成方法得到的到达角与目标距离的关系图；

图6为图傅里叶变换法得到的到达角与目标距离的关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地描述。

如图1所示，本发明提供的一种基于图傅里叶变换的深海水声目标距离估计方法，具体包括以下步骤：

步骤1、基于射线模型BELLHOP建立声场模型，计算目标信号到达角和与到达角对应的目标距离；

步骤2、基于水平阵的阵列形态，构建图结构；

步骤3、基于图结构计算邻接阵元间的相位差；

步骤4、基于图结构和邻接阵元间的相位差建立稀疏有向邻接矩阵，稀疏有向邻接矩阵表示相邻顶点间的独立和相似关系；

步骤5、计算阵元相位差邻接矩阵的图傅里叶变换结果，将图傅里叶变换结果与原始数据做匹配，估计得到目标信号到达角；

步骤6、将通过图傅里叶变换法计算得到的目标信号到达角与步骤1中的目标信号到达角和目标距离的对应关系进行匹配，得到目标的估计距离；

所述步骤2的图结构构建过程中，N元水平阵的图可以图2的形式构建，N元水平阵的相邻阵元产生关联关系，首尾阵元间也产生关联关系。

所述步骤3的设计过程中，邻接阵元间的相位差的计算方式为：

w(n)＝exp(iknd sinθ) (1)

式中n表示需要计算阵元间隔数，θ为导向角，k＝2πf/c为信号波数，f为信号频率，c为接收阵附近声速，d为阵元间距，，exp(·)为指数运算符。

所述步骤4的设计过程中，稀疏有向邻接矩阵的构建方式为：

稀疏有向邻接矩阵为对角矩阵，位置(a,b)0＜a,b＜＝N处的元素表示为，第a个阵元与第b个阵元间的相位差。

所述步骤4的设计过程中，邻接矩阵的图傅里叶变换方法为：

对邻接矩阵A作特征分解：

A＝TΛT

其中矩阵

所述步骤5的设计过程中，定义匹配系数M为：

式中M表示匹配程度，

以下通过对本发明方法所得到到达角与目标距离的关系和常规波束形成方法进行比较。图3为仿真环境采用的声速剖面；仿真条件为海深5000m的深海，接收阵为11元水平阵，阵元间距10m，目标深度50m，接收阵深度100m，频率250Hz。

图4为仿真目标信号到达角与目标距离的关系图；通过输入仿真环境参数建立射线声场模型，得到不同目标距离位置处对应的信号到达角，如图4所示，可以看到目标距离与信号到达角是一一对应的关系，因此可以通过计算信号到达角估计得到目标的距离。

图5提供了常规波束形成方法得到的到达角与目标距离的关系图，其中黑色虚线表示实际目标到达角与目标距离的关系。通过常规波束形成方法分别计算不同距离位置目标信号到达接收阵的信号到达角波束输出，做归一化后形成图5，从图中可以看出，常规波束形成方法计算得到的信号到达角主瓣较宽，难以通过计算得到的信号到达角准确估计出目标距离，尤其是目标距离大于20km的位置处的信号到达角主瓣宽度较大导致难以估计距离，仿真条件下，最大的测距距离约为20km。

图6提供了图傅里叶变换法得到的到达角与目标距离的关系，其中黑色虚线表示实际目标到达角与目标距离的关系。通过图傅里叶变换法分别计算不同距离位置目标信号到达接收阵的信号到达角波束输出，做归一化后形成图6，从图中可以看出，相较于常规波束形成方法，图傅里叶变换法计算得到的信号到达角主瓣更窄，在40km距离内可以通过计算得到的信号到达角准确估计出目标距离，最大的测距距离相较于传统方法提升了20km。

需要说明的是，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所作出的等同变换均属于本发明的保护范围。