一种基于交叉阵列的目标三维信息测量方法及系统

1.一种基于交叉阵列的目标三维信息测量方法，该方法基于一个交叉阵列实现，所述交叉阵列包括：接收基阵和发射基阵，所述接收基阵包括水平接收基阵和垂直接收基阵，两者共用一个发射基阵；所述方法包含：对接收基阵的阵元域回波数据分别进行动态聚焦波束形成，形成水平-距离二维声图和垂直-距离二维声图；采用信号幅度和目标模型对水平-距离二维声图进行联合检测，得到目标水平向信息；在垂直-距离二维声图中融合目标水平向信息，采用能量中心和动态门限联合检测，估计出多个疑似目标点的垂直向信息；对多个疑似目标点采用动态门限检测，剔除非疑似点，获得目标点；结合交叉阵列的俯仰角和结构，估计出海底海面分布，进而估计出目标的深度；将目标的深度结合目标水平向信息，得到目标三维信息；所述对接收基阵的阵元域回波数据分别进行动态聚焦波束形成，形成水平-距离二维声图和垂直-距离二维声图；具体为：所述水平接收基阵阵元个数为M h ，线性均匀阵列，相邻阵元间距为d h ，所述垂直接收基阵的阵元个数为M v ，线性均匀阵列，相邻阵元间距为d v ，接收到的回波信号分别为x h (t)和x v (t)，进行动态聚焦接收预成多波束形成：其中， 和 分别为水平接收基阵和垂直接收基阵的加权矢量，θ i 表示多波束指向角，角度范围为[θ min ,θ max ]，θ min 为最小角度，θ max 为最大角度， 和 分别为水平-距离声图数据和垂直-距离声图数据，形成二维图像；所述采用信号幅度和目标模型对水平-距离二维声图进行联合检测，得到目标水平向信息，具体包括：计算目标的回波信号强度EL 0 ：EL 0 ＝SL 0 -TL 0 (R 0 )+TS 0其中，SL 0 为发射阵列的声源级；TS 0 为其探测目标的目标强度，目标与交叉阵列的距离为R 0 ，TL 0 (R 0 )为与目标点距离有关的传播损失；根据水平接收基阵的接收灵敏度，计算出目标回波信号电压V 0 ：V 0 ＝10^((S h +20logP a )/20)其中，S h 表示水平接收基阵的接收灵敏度，P a 为接收信号EL 0 对应的声压；根据接收电路系统增益放大和波束形成的增益，估计得到波束域目标出的信号幅度A 0 ；将信号幅度A 0 作为检测门限，结合目标模型像素点数N 0 ，实现水平阵目标的动态门限检测，从而估计得到目标的水平向距离位置 和水平角度信息 所述在垂直-距离二维声图中融合目标水平向信息，采用能量中心和动态门限联合检测，估计出多个疑似目标点的垂直向信息；对多个疑似目标点采用动态门限检测，剔除非疑似点，获得目标点；具体包括：在区域 内，r 0 为根据试验应用场景设定的距离，根据接收信号类型和发射脉宽，计算得出距离向时间分辨率为τ；选定能量估计区间T d ，T d ＝4τ，利用能量估计区间T d 将距离区间 划分为K个能量区间，每个区间的能量表示为其中，t j 为第j个能量区间的起始时刻， 为垂直向第i个波束第j个能量区间的幅度值；对K个区间的能量值进行排序，得到能量最大值E max 对应的第k个能量集中区间为[t k ,t k +T d ]；对[t k ,t k +T d ]区间内的数据幅值求取平均值进行动态门限检测，剔除能量区间中的非目标点，最终采用幅度时间加权方法，估计得到多个波束目标散射回波的到达时间到达时刻t a_m ：其中，N b 是水平接收波束个数；由此估计出每个波束上的疑似目标的时刻值t a_m 以及对应幅度值；对多个波束的疑似目标点进行动态门限检测，将大于此门限的波束数和小于此门限的波束数的目标作为非疑似目标点，剔除非疑似目标点后得到N s 个疑似目标，估计出N s 个疑似目标回波的到达时刻值和对应的波束角度，在垂直-距离声图中画出目标点曲线。 2.根据权利要求1所述的基于交叉阵列的目标三维信息测量方法，其特征在于，所述结合交叉阵列的俯仰角和结构，估计出海底海面分布，进而估计出目标的深度，具体包括：将垂直-距离向矩形声图数据转化为扇形声图显示数据：其中，rr v 为扇形声图中的距离信息，C为水下声速，T v 为声波传播时间，θ u,v 为扇形图中的角度信息，x u 为垂直-距离向矩形声图中的横坐标；u,v为正整数；海面在扇形图中的深度坐标x m0 和海底在扇形图中的深度坐标x d0 分别为：其中，H m 为交叉阵列距离海面的深度；H d 为交叉阵列距离海底的深度，交叉阵列基阵的俯仰角为 φ min 和φ max 分别为垂直向扇形图的最小角和最大角；将N s 个疑似目标回波的到达时刻值和对应的波束角度，转换为扇形图中的深度为 根据下述判断条件x m0 ＜x si ＜x d0 ,i＝1,2,3,…,N s进一步排除在海面和海底之外的疑似目标；对筛选出的疑似目标，再进行动态门限检测，估计得到幅度最大值的点对应的垂直向距离和角度(r s0 ,φ s0 )，并根据交叉阵列的三角几何关系，获得目标的深度信息 为： 3.根据权利要求2所述的基于交叉阵列的目标三维信息测量方法，其特征在于，所述估计出目标的深度后还包括：利用声线弯曲修正目标深度的步骤：根据目标垂直向信息距离和角度(r s0 ,φ s0 )，并结合声速剖面，将深度方向均匀分层，将深度分为N H 层，每层深度为ΔH；计算各层的传播时间：Δt l ＝ΔH/c l其中，c l 表示第l个梯度层对应的声速；1≤l≤N H则各层传播时间的累加时间t z 为：当t z ≥2r s0 /C时，求解出对应的梯度层的层数为n s ；则修正之后的目标深度 为： 表示第n s 梯度层对应的声速， 为最终估计得出的水中目标的深度。 4.根据权利要求3所述的基于交叉阵列的目标三维信息测量方法，其特征在于，所述将目标的深度结合目标水平向信息，得到目标三维信息，具体为：以交叉阵列为本体，建立一个体坐标系，原点在水平基阵和垂直基阵的交叉点，水平基阵向右为x方向，垂直基阵向下为z方向，按照右手法则确定y方向；则在该坐标系下，目标的三维位置为： 5.一种基于交叉阵列的目标三维信息测量系统，其特征在于，所述系统包括：一个交叉阵列，所述交叉阵列包括：接收基阵和发射基阵，所述接收基阵包括水平接收基阵和垂直接收基阵，两者共用一个发射基阵；二维多波束图像生成模块，用于对接收基阵的阵元域回波数据分别进行动态聚焦波束形成，形成水平-距离二维声图和垂直-距离二维声图；目标水平信息估算模块，用于采用信号幅度和目标模型对水平-距离二维声图进行联合检测，得到目标水平向信息；垂直向目标点检测模块，用于在垂直-距离二维声图中融合目标水平向信息，采用能量中心和动态门限联合检测，估计出多个疑似目标点的垂直向信息；对多个疑似目标点采用动态门限检测，剔除非疑似点，获得目标点；深度信息估算模块，用于结合交叉阵列的俯仰角和结构，估计出海底海面分布，进而估计出目标的深度；目标三维信息计算模块，用于将修正后的目标深度结合目标水平向信息，得到目标三维信息；所述二维多波束图像生成模块的具体实现过程为：所述水平接收基阵阵元个数为M h ，线性均匀阵列，相邻阵元间距为d h ，所述垂直接收基阵的阵元个数为M v ，线性均匀阵列，相邻阵元间距为d v ，接收到的回波信号分别为x h (t)和x v (t)，进行动态聚焦接收预成多波束形成：其中， 和 分别为水平接收基阵和垂直接收基阵的加权矢量，θ i 表示多波束指向角，角度范围为[θ min ,θ max ]，θ min 为最小角度，θ max 为最大角度， 和 分别为水平-距离声图数据和垂直-距离声图数据，形成二维图像；所述目标水平信息估算模块的具体实现过程为：计算目标的回波信号强度EL 0 ：EL 0 ＝SL 0 -TL 0 (R 0 )+TS 0其中，SL 0 为发射阵列的声源级；TS 0 为其探测目标的目标强度，目标与交叉阵列的距离为R 0 ，TL 0 (R 0 )为与目标点距离有关的传播损失；根据水平接收基阵的接收灵敏度，计算出目标回波信号电压V 0 ：V 0 ＝10^((S h +20logP a )/20)其中，S h 表示水平接收基阵的接收灵敏度，P a 为接收信号EL 0 对应的声压；根据接收电路系统增益放大和波束形成的增益，估计得到波束域目标出的信号幅度A 0 ；将信号幅度A 0 作为检测门限，结合目标模型像素点数N 0 ，实现水平阵目标的动态门限检测，从而估计得到目标的水平向距离位置 和水平角度信息 所述垂直向目标点检测模块包括：垂直向疑似目标检测子模块和动态检测子模块，所述垂直向疑似目标检测子模块，用于在垂直向检测出每个波束上的疑似目标；具体为：在区域 内，r 0 为根据试验应用场景设定的距离，根据接收信号类型和发射脉宽，计算得出距离向时间分辨率为τ；选定能量估计区间T d ，T d ＝4τ，利用能量估计区间T d 将距离区间 划分为K个能量区间，每个区间的能量表示为其中，t j 为第j个能量区间的起始时刻， 为垂直向第i个波束第j个能量区间的幅度值；对K个区间的能量值进行排序，得到能量最大值E max 对应的第k个能量集中区间为[t k ,t k +T d ]；对[t k ,t k +T d ]区间内的数据幅值求取平均值进行动态门限检测，剔除能量区间中的非目标点，最终采用幅度时间加权方法，估计得到多个波束目标散射回波的到达时间到达时刻t a_m ：其中，N b 是水平接收波束个数；由此估计出每个波束上的疑似目标的时刻值t a_m 以及对应幅度值；所述动态检测子模块，用于对多个波束的疑似目标点进行动态门限检测，将大于此门限的波束数和小于此门限的波束数的目标作为非疑似目标点，剔除非疑似目标点后得到N s 个疑似目标，估计出N s 个疑似目标回波的到达时刻值和对应的波束角度，在垂直-距离声图中画出目标点曲线。 6.根据权利要求5所述的基于交叉阵列的目标三维信息测量系统，其特征在于，所述深度信息估算模块的具体实现过程为：将垂直-距离向矩形声图数据转化为扇形声图显示数据：其中，rr v 为扇形声图中的距离信息，C为水下声速，T v 为声波传播时间，θ u,v 为扇形图中的角度信息，x u 为垂直-距离向矩形声图中的横坐标；u,v为正整数；海面在扇形图中的深度坐标x m0 和海底在扇形图中的深度坐标x d0 分别为：其中，H m 为交叉阵列距离海面的深度；H d 为交叉阵列距离海底的深度，交叉阵列基阵的俯仰角为 φ min 和φ max 分别为垂直向扇形图的最小角和最大角；将N s 个疑似目标回波的到达时刻值和对应的波束角度，转换为扇形图中的深度为 根据下述判断条件x m0 ＜x si ＜x d0 ,i＝1,2,3,…,N s进一步排除在海面和海底之外的疑似目标；对筛选出的疑似目标，再进行动态门限检测，估计得到幅度最大值的点对应的垂直向距离和角度(r s0 ,φ s0 )，并根据交叉阵列的三角几何关系，获得目标的深度信息 为： 7.根据权利要求6所述的基于交叉阵列的目标三维信息测量系统，其特征在于，所述系统还包括深度信息估算模块，具体实现过程为：根据目标垂直向信息距离和角度(r s0 ,φ s0 )，并结合声速剖面，将深度方向均匀分层，将深度分为N H 层，每层深度为ΔH；计算各层的传播时间：Δt l ＝ΔH/c l其中，c l 表示第l个梯度层对应的声速；1≤l≤N H则各层传播时间的累加时间t z 为：当t z ≥2r s0 /C时，求解出对应的梯度层的层数为n s ；则修正之后的目标深度 为： 表示第n s 梯度层对应的声速， 为最终估计得出的水中目标的深度。 8.根据权利要求7所述的基于交叉阵列的目标三维信息测量系统，其特征在于，所述目标三维信息计算模块的具体实现过程为：以交叉阵列为本体，建立一个体坐标系，原点在水平基阵和垂直基阵的交叉点，水平基阵向右为x方向，垂直基阵向下为z方向，按照右手法则确定y方向；则在该坐标系下，目标的三维位置为：