[发明专利]基于差分优化的四面体阵目标方位估计方法

说明书

一种基于差分优化的四面体阵目标方位估计方法，属于水声目标方位估计技术领域。本发明针对利用声强估计方法估计目标声源方位，存在冗余声学信息利用不足的问题。包括将四基元接收的声压时域信号转换为对应的频域信号；再分别由四面体阵模型中选取三基元作为预处理单元，获得四个不相重复的预处理单元；对每个预处理单元对应的三个频域信号分别进行预处理，共获得沿直角坐标系相应坐标轴方向波数的八个线性方程；求解得到直角坐标系三个坐标轴方向波数的相关稳健估计；根据所述波数的相关稳健估计计算获得目标方位角和目标俯仰角，从而实现对目标方位的估计。本发明利用最小二乘优化思想将线性方程组超定化来提升四面体阵目标方位估计的稳健性。

技术领域

本发明涉及基于差分优化的四面体阵目标方位估计方法，属于水声目标方位估计技术领域。

背景技术

水下小型声呐平台，如小型无人水下航行器(UUV)、滑翔机等，由于其空间挂载能力限制或特殊声学要求，其配置的声学基阵基元数或几何尺寸往往是有限的。其中四面体阵作为水下小型声呐平台常用的声学感知配置，其目标参数获取能力一直受到水声学者的关注。

现有基于四面体阵(或类似四面体阵)的目标方位估计方法中，一种是五元体积阵低信噪比下目标方位估计，其提出了一种基于互相关处理的最小方差无失真响应方位估计方法，利用基元间互相关处理的虚拟阵列思想提升目标方位估计性能，存在数据处理计算量大的缺陷；另有一种四元正交阵声强方向向量估计方法的性能分析与优化，其利用声强估计方法(声压差分近似质点振速)实现对目标声源方位的估计；它利用声强的方向矢量提升目标方位估计性能，存在冗余声学信息利用不足的缺陷。

发明内容

针对现有目标方位估计方法中，利用声强估计方法对目标声源方位进行估计，存在的冗余声学信息利用不足的问题，本发明提供一种基于差分优化的四面体阵目标方位估计方法。

本发明的一种基于差分优化的四面体阵目标方位估计方法，所述四面体阵包括采用四个声压水听器作为四基元形成的四面体阵模型，所述四面体阵模型用于接收水下平面波声压时域信号；

所述目标方位估计方法包括以下步骤：

步骤一：将所述四基元接收的声压时域信号转换为对应的频域信号；

步骤二：分别由四面体阵模型中选取三基元作为预处理单元，获得四个不相重复的预处理单元；对每个预处理单元对应的三个频域信号分别进行预处理，共获得沿直角坐标系相应坐标轴方向波数的八个线性方程；

步骤三：对所述八个线性方程利用最小二乘优化思想进行求解，得到直角坐标系三个坐标轴方向波数的相关稳健估计；

步骤四：根据所述波数的相关稳健估计计算获得目标方位角和目标俯仰角，从而实现对目标方位的估计。

根据本发明的基于差分优化的四面体阵目标方位估计方法，所述四基元分别设定为A、B、C、D，并形成四面体阵模型ABCD；

步骤一中四基元接收的声压时域信号依次为p₁(t)、p₂(t)、p₃(t)和p₄(t)，对p₁(t)、

p₂(t)、p₃(t)和p₄(t)进行快速傅里叶变换，得到对应的频域信号P₁(f)、P₂(f)、P₃(f)和P₄(f)。

根据本发明的基于差分优化的四面体阵目标方位估计方法，步骤二中所述直角坐标系包括以四面体阵模型的中心O为原点建立的直角坐标系xyz，其中z轴沿OD方向，y轴与BC平行，x轴满足右手坐标系。