[发明专利]基于单水听器的匀速直线运动直升机三维参数估计方法

说明书

本发明公开一种基于单水听器的匀速直线运动直升机三维参数估计方法，该方法针对空中匀速飞行运动目标所激发的水声信号特征，采用单水听器解决了空中快速飞行目标状态三维参数估计问题。首先以直升机离散线谱为特征声源，建立其在空气—水介质的三维多普勒传播模型。然后根据多普勒频率曲线及其一阶、二阶导数的不对称性，推导出水下探空的三维参数估计方法。最后，通过分析单水听器接收的实测信号，本发明验证了该算法在海洋噪声场景下的估计性能。

技术领域

本发明涉及水下探空领域，具体涉及一种基于单水听器的匀速直线运动直升机三维参数估计方法。

背景技术

反潜直升机对于水下潜艇具有很大威胁，为了提高水下潜艇对抗反潜机的能力，有必要尽快解决水下对空探测的技术问题。航空反潜多采用螺旋桨飞机或直升机，它们的辐射噪声是由离散谐波信号与宽带连续谱信号组成的，其中在15Hz—200Hz低频段内离散线谱的能量最为显著。线谱信号具有频率较低、功率集中、稳定性强的特点，可以传输较远距离，是水听器检测和识别空中目标的主要信息载体。当反潜机以一定高度匀速通过水面上方时，水听器接收的信号将会产生多普勒频率，频率变化曲线与目标固有频率、速度、距离等参数信息有关，这为目标运动参数的估计提供了可能。近年来，在水听器估计空中声源运动信息问题上，学者们已经做出了大量研究。Buckingham(M.J.Buckingham,E.M.Giddens,F.Simonet,T.R.Hahn.Propeller noise from a light aircraft for low-frequency measurements of the speed of sound in a marine sediment.Journal ofComputational Acoustics.2002；10(04):445—64.)实测直升机过顶飞行数据，分别获取了空气、海水和海底沉积层中的音频信号，实测数据表明过顶信号具有时变特性，验证了在水中可以有效接收到空气中声源产生的多普勒频率信号，为水下探空提供可能性。随后，学者们对水下探空的建模分析和理论研究主要在单个水听器或水听器阵列两个领域。在单个水听器方面，Ferguson(B.G.Ferguson.A ground-based narrow-band passive acoustictechnique for estimating the altitude and speed of a propeller-drivenaircraft.The Journal of the Acoustical Society of America.1992；92(3):1403—1407.)使用射线理论分析了空气—水两种介质的声传播模型，并根据二维域的多普勒频率公式推导出空中目标过顶飞行参数的方法。随着水声探测设备的不断进步，具有“∞”型指向性的矢量水听器被应用于探测空中目标。与传统的标量水听器相比，矢量水听器不仅能获得目标信号标量场信息(如声压)，还可获得矢量场信息(如振速)。采用合理的数学模型对矢量信息进行处理，即可确定目标方位和其他飞行参数。在水听器阵列方面，Ferguson和Lo(K.W.Lo,B.G.Ferguson.Broadband passive acoustic technique for target motionparameter estimation.IEEE Transactions on aerospace and electronicsystems.2000Jan；36(1):163—75.)采用宽孔径水听器阵列获取空中目标的方位信息，对空气中飞行的直升机进行参数估计和定位，实现了目标运动信息由二维域到三维域的扩展。彭朝晖等(刘凯悦,彭朝晖,张灵珊,王光旭.水下水平阵对空中运动声源的线谱探测.声学学报,2019；.44(4):567—575.)针对水下探测空中运动声源的干扰问题，提出一种稳健可靠的基于水听器阵列的线谱检测方法。在这些研究中，基于传统单水听器的水下探空算法仅能估计二维平面上的声源飞行参数问题，即假定直升机刚好从水听器顶部飞过，而没有考虑三维域上的偏航距离等信息。单矢量水听器可以估计方位信息，但存在指向性盲区，实际应用中也更易受背景噪声干扰。而水听器阵列虽然能够估计出方位信息，但成本较高、布置不便，不适用于小体积的水下探测平台。

发明内容