[发明专利]一种基于双Duffing振子正交系统的水中弱目标矢量声定向方法

说明书

本发明提供了一种基于双Duffing振子正交系统的水中弱目标矢量声定向方法，利用双正交Duffing振子，通过改变已知内置策动力的大小，实现了对矢量声信号X与Y通道信号幅度与相位值的估计。同时利用Duffing振子对高斯白噪声的鲁棒性，大大提高了对水中弱目标方向估计的精度与距离。结果表明，采用本发明公开的方法对水中弱目标进行定向是一种行之有效的方法，具有估计精度高、距离远等优点。

技术领域

本发明涉及水声信号处理技术领域，具体为一种水中弱目标矢量声定向方法。

背景技术

为了应对“海洋世纪”带来的新的机遇与挑战，进一步振兴海洋事业，要按照“建设海洋强国”的战略思想，着力发展海洋科技，提高我国海防实力。其中水中弱目标的探测与参数确定是海洋安全领域一个重要的研究方向。

相比于传统声压水听器，矢量水听器接收的矢量声场，声场信息更为丰富和完整，并且可以采用更丰富的信号处理方法；同时单个矢量水听器具有与频率无关的偶极子指向性，能够在三维空间里分辨出两个不相干的目标，并且可以排除左右舷模糊对目标声源进行方向确定；在相同的技术指标条件下，矢量水听器能够做到更小的体积更轻的重量。因此矢量声信息在水声领域具有广阔的前景。

目标声源方向确定是水声领域的一个重要方向，其以确定目标声源到达水听器的方向角参数为目的，目前国内外已经有众多学者将矢量水听器用于目标方向计算的研究，并且取得了不错的成绩。但是在声源距离水听器较远，信号信噪比很低的情况下，使用单矢量水听器进行目标方向计算误差较大，不能满足方向计算精度的要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于双Duffing振子正交系统的水中弱目标矢量声定向方法，通过构建双Duffing振子正交检测模型，精确计算矢量声信号x与y通道中目标信号的幅度及相位，并通过矢量声信号方向估计方法，实现对水下弱小目标的远距离方向估计。本发明能够精确计算水中弱目标的方向，具有距离远、精度高等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一，在Duffing振子基础上建立双Duffing振子正交系统数学模型，调节模型参数使模型处于临界状态，双Duffing振子正交系统数学模型为：

其中，δcos(wt)为内置策动力，δ为内置策动力初始的幅度值，w为内置策动力角频率，-x(t)+x(t)³为非线性恢复力，x₁表示Duffing振子内策驱动力为余弦信号系统的变量，x₂表示Duffing振子内策驱动力为正弦信号系统的变量，γ为阻尼系数，f(t)为输入信号，参数设置为w＝1rad/s，γ＝0.5，δ＝0.85，使系统处于临界状态；

步骤二，将含噪信号输入到步骤一所建立的模型中，不断调节内置策动力的大小直到模型输出信号的相空间表现为在x₁∈[-1 1]和x₂∈[-0.5 0.5]的区域内不出现数值点，且曲线轮廓为大周期状态，记下此时的值设定为跃变值A₀，其中，A₁为信号的幅度值，为信号的相位值，n(t)为高斯白噪声；

步骤三，采集矢量声信号，并对矢量声信号进行归一化处理，将声信号归一化为方差为1、均值为0的数据；将归一化后的矢量声信号x通道信号作为待测信号f₁(t)，并输入到步骤一建立的模型中，如下式：

利用四阶龙格库塔方法，调节内置策动力的大小，直到正交系统输出信号相空间的形态与步骤二中的形态一致，记下此时正交模型内置策动力δ₁与δ₂的大小，其中，δ₁为内置策动力为正弦函数且相空间处于步骤二状态时内置策动力幅度值，δ₂为内置策动力为余弦函数且相空间处于步骤二状态时内置策动力幅度值；