[发明专利]基于差分进化算法的水听器阵列定位方法

说明书

本发明属于水声信号分析处理领域，公开了一种基于短时傅里叶变换和差分进化算法的多个标量水听器测点对噪声源进行定位的方法，首先，对各个水听器接收的时域信号进行短时傅里叶变换，提取有效窄带能量、对应频率以及对应水听器坐标位置等有效参数；其次，针对查找噪声声源位置问题设计目标优化函数以及相应待优化变量；然后，利用差分进化法对声源位置和相应参数进行优化，最后完成对每一条谱线对应噪声源坐标的求解。本发明引入了差分进化优化算法，构造了目标优化函数和待优化参数，舍弃了传统LOFIX方法假设传播损失因子并计算和选取定位圆交点的方法，具有定位精度较传统方法更为精确和可靠的优点。

技术领域

本发明属于信号分析处理领域，更进一步涉及水声信号处理技术领域中的一种基于短时傅里叶变换和差分进化算法的目标定位方法。本发明可用于对水听器中的信号进行定位，可在利用水听器阵列监测信号排除水面目标、查找水下目标等方面发挥重要作用。

背景技术

水听器阵列是监听海面情况和查找噪声声源目标的一种工程技术，水听器具有造价低、经济性好的优点。多在搜索噪声源的初始阶段使用，常在军事领域或是海洋测量中得到应用。其特点是在海域中利用布设的水听器阵对附近的辐射噪声源进行监听和定位。

传统的水听器阵列主要采用LOFIX定位方法[刘桂瑜等.基于LOFIX定位估算目标运动信息的算法研究[C].2017年装备技术发展论坛论文集.]，主要是对各个水听器采集到的时域信号进行短时傅里叶变换，选取某一窄带频段内能量较强的数个水听器，假定海域内传播衰减系数，利用选定水听器的能量和假定传播衰减系数对辐射噪声源进行定位，该方法主要思路如下：

假设测点和噪声声源距离与能量的传播衰减关系：

两个测点可以定义一个圆，噪声声源处于圆上，圆的圆心为：

定位圆的半径为：

通过多个圆相交，产生多个可能的目标解，然后选择距离所有相交点距离最近的交点(x_i,y_i)为所求解。

该方法在水听器阵列声源定位方面起到重要作用，通过4枚水听器的选定能确定声源的大致位置。但该方法也存在一定的问题，主要需要定义传播损失因子，一般人为设定在1-2之间，没有进行精确的优化求解，在实际中常取经验值，如文献[刘桂瑜等.基于LOFIX定位估算目标运动信息的算法研究.舰船电子工程.38卷.第5期.2018年]中提到的我国海区采用定位系数为1.33，这在实际中会带来偏差。其次是在求解结果中采用的是所有圆相交点中寻找距离各个交点最近的交点，这样的求解方法使得求解结果在假设的声传播系数模型中所求的也不是最优解，只是在各个交点中相对优的解。因此有必要对水听器阵列的定位方法做出改进，以提高定位方法的精度以及可信度。

本发明利用的差分进化优化算法，由Storn等人提出[StornR.PriceK.Differential evolution–A simple and efficient adaptive scheme for globaloptimization over continuous spaces.Berkeley[R],CS.Tech.Rep.TR-95-012,1995.]，是一种基于种群的随机搜索算法，主要通过变异、交叉和选择等操作来进行智能搜索。与其他进化算法相比，具有较好的收敛速度和全局性能。