[发明专利]一种近场分布式声源定位方法

说明书

本发明提供一种近场分布式声源定位方法，解决近场情况下分布式声源的定位问题。本发明提出，在近场情况下利用亮点模型，将分布式声源看作一系列空间中分布散射声源的线性叠加。在发射信号为线性调频信号的条件下，本发明利用镜反射回波和棱角反射回波在分数阶傅里叶变换域中峰值处幅度不同，但相位表达式一致的特点，设计了一种空间谱估计器，使得该估计器能够以相同的空间谱估计器得到不同类型几何亮点的位置。

技术领域

本发明涉及一种近场分布式声源定位方法，属于水下目标声散射信号处理领域。

背景技术

水下目标声散射问题是主动声呐系统进行目标探测与识别的重要技术基础。几乎目标的每一部分都参与了散射声场的形成，因而在实际水声环境中任何具有一定体积的目标都可以看作一个分布式散射源，所有的散射源都为水听器接收到的声场产生了贡献。这给声场计算和工程处理上带来了困难，尤其是不规则形状的目标。因此，对于水下目标的定位和定向问题往往需要依赖合理的声场模型。

目前，简单形状目标的声散射问题的理论研究已经完成。对于球、无限长圆柱和有限长圆柱等简单目标，理论计算已经能够对实际环境中的散射场进行精确的预报。但是，对于圆柱球壳等复杂形状的目标，往往难以得到解析解，只能通过数值解和实验对其进行建模。

对于水下复杂形状散射源的声场建模，有限元方法是一种行之有效的方法。有限元方法能够计算复杂形状的声散射场，但是，众所周知，有限元方法需要巨大的计算量，这就降低了有限元方法的工程实用性。

水下目标的亮点模型是一种简化的散射模型。在高频近似情况下，利用该模型可以轻易地将目标回波与目标形状、材料等信息通过一系列参数联系起来。该模型将复杂形状目标看作多个简单形状目标的组合，简单形状目标产生的回波共同组成了接收处的回波信号。这给复杂形状目标的声散射回波的分析和处理带来了较大的便利，具有较高的实用性。利用亮点模型，已经有众多文章对复杂形状目标进行了分析，并从实验的角度验证了该近似模型的可行性。

在亮点模型假设下，共振隔离技术是研究散射回波的一种常用方法。该方法发射极短时间宽度的脉冲，激励目标产生回波。由于脉冲具有极短的时间长度，所以回波中各种类型的回波在时间域上是分离的，可以简单地通过时间上的截断操作得到各个回波并进行分析。但是，(i)极短的脉冲对电路系统、发射和接收换能器提出了较高的要求；(ii)由于信号能量弱，所以该方法往往只能用于实验室中的理论研究。

除了共振隔离技术，信号处理技术也被应用到了声散射信号处理中。传统的基于时间序列和功率谱的信号分析简单而有效。利用声散射信号在不同变换域中的特性，多种变换也在发挥着重要作用。时频分析方法能够同时分析信号的时间和频率信息，所以当激励信号线性调频信号时，即使信号在时域和频域产生了混叠，也能够对接收信号进行分析，因而受到了广泛的关注。

分数阶傅里叶变换是一种时频分析方法，而且是一种可逆变换。分数阶傅里叶变换特别适合处理线性调频信号，频域具有时间宽度和频带宽度的LFM信号，在FrFT中能量被集中到了一个峰值处。通过峰值搜索，即可以计算LFM的调频斜率、中心频率等信息。此外，由于FrFT为线性变换，而且是可逆变换，所以在傅里叶域中难以区分的LFM信号，可以变换到FrFT中进行降噪、分离等操作，然后利用反变换即可得到输出信号。鉴于此特征，FrFT已经被广泛用于声呐、雷达、无线通信和图像处理等领域。