[发明专利]一种针对低速运动声源的被动声学测速测距方法

权利要求书

1.一种针对低速运动声源的被动声学测速测距方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、获取传感器的接收信号s(n)：目标在匀低速直线运动过程中自身噪声信号被传感器捕获，传感器将声信号转换为电信号记为s(n)；

步骤2、根据STFT确定待分析谱线所在的频率范围：对s(n)做短时傅里叶变换STFT得到时频分布，从中选择一条能量最强的瞬时频率变化曲线，确定其最大频率偏移和最小频率偏移的频率范围；

步骤3、设定待定参数的初始值：

频移模型

式中n＝0,1,…,N-1指示离散时间变化，N表示离散信号s(n)的长度，声速c和采样间隔Δt为已知常量，待定的参数共有4个，分别是原始线谱的频率f₀、噪声源的速度v、CPA时刻τ_c和CPA距离R_c；

初始待定参数中频率f₀⁰设定为步骤2得到的频率范围的中心频率；

噪声源的初始速度v⁰、CPA时刻τ_c⁰和CPA距离R_c⁰设定为大于0的任意值；

步骤4、输入待定参数，通过D-C-CZT方法得到s(n)的时频分布：

D-C-CZT定义：

所述

式中k＝0,1,…,N_w-1指示离散频率变化，N_w代表加窗的长度，D＝(f₀,v,τ_c,R_c)代表迭代过程中不断更新的4个参数，是旋转算子，是频移算子，两个算子起提高时频聚集度的作用，w_σ是窗函数，A＝exp(j2πf_b)，W＝exp(j2πΔf)，其中f_b代表频率细化的起始频率，Δf代表频率细化的间隔；

所述频率细化的范围即为步骤2)中待分析谱线所在的频率范围；

高斯窗函数w_σ(n)＝exp(-0.5(n/σ)²)

式中，σ＝(N_w-1)/5表示高斯窗的标准差，|n|＞(N_w-1)/2时w_σ(n)＝0；

步骤5、从时频分布中提取瞬时频率变化：从步骤4得到的s(n)时频分布中提取谱峰得到一组不同时刻下的谱峰频率f(n)，即为瞬时频率变化；

步骤6、基于最小二乘准则得到待定参数估计值：基于最小二乘准则，利用频移模型拟合瞬时频率变化f(n)获取频移模型中待定参数的估计值：频率f₀^s、噪声源速度v^s、CPA时刻τ_c^s和CPA距离R_c^s，其中上角标s代表D-C-CZT迭代次数；

基于最小二乘准则，利用频移模型拟合瞬时频率变化f(n)的问题写作如下形式：

该优化问题可以采用高斯牛顿迭代方法解决，迭代公式如下：

D^s+1＝D^s-(J^TJ)^-1J^T(f-f_Ds)

上式中s代表迭代次数，代表雅可比矩阵；当高斯牛顿迭代算法收敛后可得到待定参数估计值；

步骤7：将待定参数估计值作为下次迭代的待定参数输入值，重复步骤4～步骤6，当满足终止迭代的判定条件时，即得到准确的速度估计值；

所述终止迭代的判定条件：

2.根据权利要求1所述针对低速运动声源的被动声学测速测距方法，其特征在于：所述步骤5中选取n在N_w/2到N-N_w/2-1之间的瞬时频率变化。

3.根据权利要求1所述针对低速运动声源的被动声学测速测距方法，其特征在于：阈值δ为