基于波导不变量的单水平阵被动测距技术-宋雪晶.pdf

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1、第38卷第10期2016年10月系统工程与电子技术Systems Engineering and ElectronicsV0138 No10Olctober 2016文章编号：1001506X(2016)10225206 网址：wwwsyseleCOFll基于波导不变量的单水平阵被动测距技术宋雪晶12，赵安邦12，马 骏12，毕雪洁12(1哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨150001；2哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨150001)摘 要：浅海低频声场具有稳定的干涉特性，水听器接收信号声强图中的干涉条纹包含了目标的运动和距离信息。在推导水平直线阵波束域信号声强表达式的基础

2、上，提出一种可用于单水平直线阵的运动目标被动测距技术。该技术利用波导不变量理论并结合水平阵转向前后的波束域声强信息实现目标的被动测距。在使用Hough变换进行运动参数的估计之前，采用对比度拉伸变换和中值滤波的图像预处理方法，以提高低信噪比条件下参数估计的准确性和稳健性。理论分析和仿真研究结果表明，所提算法能够有效地对运动目标进行被动测距，对目标是否通过最近距离点没有限制，具有更广泛的适用性。关键词：波导不变量；声场干涉现象；水平直线阵；被动测距中图分类号：O 42 文献标志码：A DOI：103969jissn1001506X20161005Passive ranging with horiz

3、ontal array based on waveguide invariantSONG Xuejin91，ZHAO Anban91，MA Junl“，BI Xuejiel2(1Acoustic Science and Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 1 50001，China；2College of Underwater Acoustic Engineering，rHarbin Engineering University，Harbin 1 50001，China)Abstract：There exist

4、stable interference striations in the intensity plot of shallow water low frequency acoustic field，which contain targetS motion and range informationThe beam intensity expression of a horizontal array receiving signal is derivedA moving target passive ranging technique with a horizontal line array i

5、sproposedThe waveguide invariant theory and the horizontal array beam intensity before and after it changes courseduring the motion are used for targetS passive rangingBefore estimating parameters through Hough transformation，image processing methods including contrast stretching transformation and

6、median filtering are used to improve the accuracy and robustness of the parameter estimation in low signalto-noise ratio environmentTheoretical analysis andsimulation results show that the moving targetS range can be estimated effectively by using the algorithm proposedThere is no restriction on whe

7、ther the target moves through the closest range，it is more applicableKeywords：waveguide invariant；acoustic field interference phenomenon；horizontal line array；passive ranging0 引 言浅海波导中宽带连续谱声源的声强图中呈现出稳定的距离一频率干涉条纹。文献-13最早用一个常量参数描述了声源距离、频率和干涉条纹斜率的关系，并将其定义为波导不变量。近年来，波导不变量理论被广泛应用在时间反转镜心3、阵列信号处理n。5、地声反演“、

8、主动声呐探测凹。u等众多水声领域的研究内容中。而关于波导不变量基本理论及其应用也取得了很多重要的研究进展。文献12推导了低频分析与记录(10w-frequency analysis and recording，LOFAR)谱图的二维傅里叶变换的脊公式，并利用其计算波导不变量。文献132提出了一种用模态wKB(WentzelKramers-Brillouin)近似理论计算波导不变量的方法，直接揭示了声速分布与波导不变量的关系。文献143研究表明，对于甚低频声场，波导不变量与模态阶数有关，提出了一种计算每两阶模态对应的波导不变量的方法。文献15-1研究了水平直线阵波束输出的声强表示，声源方位对应的

9、波束输出与单水听器声强具有相似斜率的条纹结构，并且能够分辨不同方位的目标，具有更好的抗噪声效果。由于波导不变量能够直接将声源距离与条纹斜率联系起来，因而波导不变量理论在声源的被动测距上有着大量应用。文献16用实验数据结果表明了水平直线阵干涉谱收稿日期：201511一Ol；修回日期：20160324；网络优先出版日期：20160705。网络优先出版地址：http：wwwcnkinetkcmsdetail112422TN201607051722006htm基金项目：国家自然科学基金(11374072，61371171)资助课题万方数据第10期 宋雪晶等：基于波导不变量的单水平阵被动测距技术 225

10、3 在对远距离、不同方位的多个声源实现被动测距的能力，并验证了Hough变换在估计目标运动参数上的有效性。文献17研究了一种相对于接收阵列作径向运动的宽带声源的测距方法，推导了用于距离估计所需的最小声源带宽和最小阵列孔径，利用信号处理参数和海洋环境参数的关系有效地减小了噪声的影响。文献18利用单水听器在两个不同时刻接收到的信号差的平方所呈现出的类干涉特性，实现对单频声源或宽带声源的速度和距离估计。文献19提出了一种用双水听器接收信号对声源进行测速、测距的方法。在波导不变量已知情况下，文献20通过对水平阵不同阵元的接收信号声强谱进行频移补偿来估计声源距离。文献21利用矢量信号声强干涉谱对目标最近

11、通过距离和波导不变量进行估计。文献22从射线理论角度讨论了波导干涉现象中所隐含的声源距离信息，分析了浅海和深海中的干涉现象在目标被动测距上的潜在应用价值。然而这些公开文献中，所用的测距方法通常需要已知海洋环境参数或需要满足目标通过最近距离点的前提条件。本文基于波导不变量理论，无需已知海洋先验知识，利用单水平直线接收阵列在运动过程中机动(转向)前后的阵列接收信号波束域信息，研究了一种宽带运动声源的被动测距方法。该方法无需声源通过最近通过距离，具有更广泛的适用性和实际应用价值。l波导不变量基本原理当接收水听器与声源之间的距离大于几倍海深时，若声源深度为，频率为叫，则深度z，、距离r处接收到的单个无

12、指向性点源辐射的声场可以表示为如式(1)所示的有限阶模态和的形式。如，w)一笔叭珀叭zr)e1。一A7(1)式中，岛为第m阶模态的水平波数；I；f，。为第m阶模态的本征函数；A。为第坍阶模态的幅值。则对应的声强可以表示为I(r，co)一13Cockrell K L，Schmidt HA modal WentzelKramers Brillouinapproach to calculating the waveguide invariant for nonidealwaveguidesJThe Journal of the Acoustical Society of America，2011，1

13、30(1)：72831 4Gall Y L，Bonnel JPassive estimation of the waveguide invariant per pair of modesJJASA Express Letters，2013，134(2)：EL23023615Yang T CBeam intensity striations and applicationsJTheJournal of the Acoustical Society of America，2003，113(3)：1342135216Turgut A，Orr M，Rouseff DBroadband source l

14、ocalization usinghorizontalbeam acoustic intensity striationsJThe Journal of theAcoustical Society of America，2010，127(1)：73831 7Cockrell K L，Schmidt HRobust passive range estimationusing the waveguide invariantJThe Journal of the Acoustical Society ofAmerica。2010，127(5)：2780278918Rakotonarivo S T，K

15、uperman W AModelindependent range localization of a moving source in shallow waterJThe Journal of theAcoustical Society of America，2012，132(4)：2218222319Yu Y，Hui J Y，Zhao Z Y，et aIPassive ranging based onacoustic field interference structure using double arrays(elements)JActaAcoustica，2012，37(4)：440

16、447(余贽，惠俊英，赵智勇，等基于声场干涉结构的双水平阵(元)被动测距J声学学报，201237(4)：440447)20Ren Y，Qi Y B，Zhou S H，et a1Waveguide invariant andrange estimation hased on frequency。shiftcompensation of un。derwater acoustic intensity spectrogramsJActa Acoustica，2014，39(3)：319323(任云，戚聿波，周士弘，等声强谱频移补偿的波导不变量和距离估计方法J声学学报，2014，39(3)：319323

17、)213 Li J，Sun G Q，Zhang C H，et a1Studies of waveguide invariant passive ranging of acoustics vector sensor line arrayJAppliedAcoustics，2012，31(4)：249255(李建，孙贵青，张春华，等声矢量传感器线阵波导不变量被动测距研究J应用声学，2012，31(4)：249255)22Li Q HA new method of passive ranging for underwater target：distance information extractio

18、n based on waveguide invariantJActa Acoustica，2015，40(2)：138143(李启虎水下目标被动测距的一种新方法：利用波导不变量提取目标距离信息J声学学报，201540(2)：138143)23Gonzalez R C，Woods R EDigital image processingM2nd edNew Jersey：Prentice Hall，2002：7885作者简介：宋雪晶(1988一)，女，博士研究生，主要研究方向为水声工程、水声信号处理。Email：song xuejing163cam赵安邦(1978一)，通信作者，男，教授，博士，主要研究方向为水声工程。Email：zhaoanbanghrbeueducn马 骏(1991一)，男，硕士研究生，主要研究方向为水声工程、水下目标识别。E-mail：majunouchotmailcam毕雪洁(1991一)，女，博士研究生，主要研究方向为水声工程。Email：2220346859qqcom万方数据