一种用于深海水平线列阵的多径辨识与目标距离估计方法

1.一种用于深海水平线列阵的多径辨识与目标距离估计方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：S1：建立三维空间坐标系并获得线列阵的声压信号：令线列阵首基元投影到海面的位置为坐标原点，线列阵所在方向为x轴，垂直于线列阵方向为y轴，建立直角坐标系，第n个基元的坐标为l n ＝[(n-1)d,0,H] T ,n＝1,…,N，其中N为总的基元个数；d为基元间距；H为已知的海深；声源深度为z s ，到达线列阵阵首的水平距离和水平方位角分别为r s 和α s ，其中水平方位角α s 定义为目标投影到xoy平面上与阵列正横方向之间的角度；目标与线列阵阵首的水平距离不超过5倍海深，即r s ≤5H；设时刻t第n个基元接收到的声压信号频谱为p n (f,t)，其中f表示信号频率，f L ≤f≤f H ，f L 、f H 分别是关心信号频段的最低和最高频率，那么可将N个基元接收到的声压信号以矢量形式表示为N×1维列向量：p(f,t)＝[p 1 (f,t),…,p N (f,t)] T (1)其中上标T表示向量的转置；S2：开展基于平面波的波束形成：对线列阵接收的声压信号p(f,t)进行基于平面波的常规波束形成处理，获得指向θ的波束域信号B(θ,f,t)：B(θ,f,t)＝w H (θ)p(θ,f,t)    (2)其中w(θ)＝[1,exp(-ikdsinθ),...,exp[-ik(N-1)dsinθ]] T ；上标H表示共轭转置；θ为导向角；i表示虚数单位，k表示波数，k＝ω/c，ω表示圆频率，c为声速；指向θ的波束域信号B(θ,f,t)的宽带波束形成的方位历程图为：深海环境中，当位于海底的接收器与靠近海表的声源之间水平距离在5倍海深以内时，接收器接收到的本征声线来自直达路径D、海面一次反射路径S、海底一次-海面一次反射路径B1S1这三条路径，与海面海底作用次数更多的高阶声线则由于传播损失很大而难以被探测到；对于大孔径水平线列阵，当目标位于阵列端射方向附近，经过路径D和路径S到达阵列的两声线俯仰角差异可忽略，而路径B1S1的俯仰角与D、S两路径的俯仰角差异较大，因此阵列的方位历程图E bb (θ,t)将在经过路径D与路径B1S1传播的两本征声线方向出现极值，即有：其中 为声线与线列阵之间的立体角，φ l 为不同路径本征声线的俯仰角，l＝D,B1S1；上面描述的现象即为深海线列阵的波束分裂现象；S3：在方位历程图E bb (θ,t)上，从图中目标轨迹中手动点选其中感兴趣目标的初始角度为θ 0 ，搜索该时刻角度范围θ 0 ±b内能量最大值对应的角度为θ s1 (0)，并记录为下一时刻的初始角度，b表示搜索角度范围；然后在之后的每一时刻均按照该方法记录最大值对应的角度为θ s1 (1),θ s1 (2),θ s1 (3),...，直至获得全部时刻的角度序列θ s1 (t)；此时θ s1 (t)即为感兴趣目标的主波束方向序列，该方向处波束域信号为B(θ s1 (t),f,t)；S4：将指向感兴趣目标主波束方向的波束域信号B(θ s1 (t),f,t)与全空间任意导向角θ的波束域信号B(θ,f,t)进行互相关，具体步骤如下：S4.1，将B(θ s1 (t),f,t)与B(θ,f,t)进行互谱G(θ,f,t)，即G(θ,f,t)＝B(θ,f,t)B * (θ s1 (t),f,t)    (5)S4.2，计算广义互相关函数c(θ,τ,t)：其中H(θ,f,t)为滤波器；对于每一时刻t，广义互相关函数c(θ,τ,t)都是角度θ-时延τ的二维互相关矩阵；显然，该矩阵的最大值位于θ＝θ s1 (t)且τ＝0处，此处等价于感兴趣目标方向波束域信号B(θ s1 (t),f,t)的自相关函数；在多径情况下，指向直达路径的B(θ s1 (t),f,t)与来自同一目标不同角度处其他多径到达的信号相关性仍然很强，因此c(θ,τ,t)将在其他角度和时延位置处出现极大值，同时由于不同舰船的辐射噪声信号通常互不相关，因此c(θ,τ,t)在干扰舰船对应角度处互相关系数很小；S5：获得多径到达角度轨迹和直达路径与其他多径之间的多径时延差：计算如下积分其中τ min 、τ max 分别对应时延的最小值和最大值；函数g(θ,t)表示t时刻，不同导向角θ的信号与期望目标D路径到达信号的互相关系数之和，为了便于极值提取，将g(θ,t)利用其最大值进行了归一化；f(τ,t)表示t时刻，全空间方位上与期望目标D路径到达信号具有一定时延τ的互相关系数之和，为了便于后续极值提取，将f(τ,t)利用其最大值进行了归一化；互相关系数之和的值越大，表明该位置处的峰值就越有可能来自于期望目标通过多径到达阵列的信号；由步骤S4.2可知，g(θ,t)的最大值位于θ＝θ s1 (t)，f(τ,t)的最大值位于τ＝0；针对多径辨识这一目标，给定时刻t，提取g(θ,t)的第2个极大值对应的角度序列θ B1S1 (t)，该角度即为目标经过路径B1S1到达阵列的角度，该信息可用于多径辨识；给定时刻t，提取f(τ,t)的第2个极大值对应的时延 该时延即为感兴趣目标的直达路径D与路径B1S1到达阵列的传播时间差，即两路径之间的传播时延，该信息可用于目标距离估计；为了达到多径辨识的目的，可将θ B1S1 (t)的结果叠加绘制在方位历程图E bb (θ,t)之上，当该轨迹与方位历程图中存在目标轨迹重叠的情况时，说明此时该轨迹来自于期望目标的多径信号，如果不存在轨迹重叠的情况，则说明方位历程图的轨迹来自于其他舰船目标；S6：利用时延 计算目标距离：在直达声区，声线弯曲在近距离可忽略，可以得到声源沿着直达路径D与路径B1S1到达线列阵阵首的斜距分别为：其中z r 为阵列深度；对于深海海底阵，z r ＝H，而声源深度不超过百米，因此相对于海深忽略不计，从而有由此可得到声源沿着路径D与路径B1S1到达线列阵阵首的理论时延值为其中c为线列阵所处深度的声速值；为了获得上述理论时延值，采用遍历法，将声源距离r s 从最小值0到最大值5H每隔Δr s 建立距离网格点，即r sj ＝jΔr s ，其中Δr s 为网格分辨率，j＝1,2,...,J，J＝5H/Δr s 为网格点数；遍历每个网格点对应的距离r sj 代入公式(11)和(12)计算得到R D 、R B1S1 ，随后按照公式(13)得到理论时延值τ D-B1S1 (r sj )；构建如下代价函数，即最小化实测时延值 与理论时延值τ D-B1S1 (r sj )得到距离估计值 代价函数C(r sj )达到最小时对应的网格距离点即为期望目标到达阵列首距离r s 的估计值 2.一种根据权利要求1所述用于深海水平线列阵的多径辨识与目标距离估计方法，其特征在于：S1中，海深H通过阵列布放海域实际测量或者从海图上得到。 3.一种根据权利要求1所述用于深海水平线列阵的多径辨识与目标距离估计方法，其特征在于：S1中，水平方位角α s 取值为-90度到90度。 4.一种根据权利要求1所述用于深海水平线列阵的多径辨识与目标距离估计方法，其特征在于：S3中，搜索角度范围b取不大于5度的任意正数。 5.一种根据权利要求1所述用于深海水平线列阵的多径辨识与目标距离估计方法，其特征在于：S6中，网格分辨率Δr s ＝1m。