一种高分辨偏振滤波弹性波极地方位估计方法

1.本发明属于极地声学测向领域，具体涉及一种高分辨偏振滤波弹性波极地方位估计方法。


背景技术：

2.近年来，各国围绕北极角力逐渐升温，更加重视北极地理位置的战略资源，并陆续在北极展开联合演习等活动，北极地区正成为世界军备密度较高的区域之一。北极海域常年被海冰覆盖，具有独特的水声环境，使北极水声学成为水声研究的重要课题之一。快速变化的北极给水声信号处理带来的既是挑战，也是机遇，促使我国不断开展水声研究新的课题，弥补在北极水声学的研究空白。极地声学探测是北极水声学的热点研究内容之一，对于保障我国北极科学考察冰上人员的安全、北极航道船舶航行、极地海冰突发事件监测具有重大意义。
3.冰层近似为一种弹性固体，与海水中声波传播的物理特性不同，导致现有的依赖于海水声传播原理的声学探测方法和声呐设备可能无法直接应用于极地冰区声学探测场景。冰层限制了海洋监测卫星和水面舰艇对冰下目标的探测。另外，北极海域常年被数米厚的海冰覆盖，导致声呐设备可能在海面或海底布放条件困难以及基线单元坐标校准等问题。
4.冰声传播理论得到了很好的发展，冰层中主要存在粒子运动与声传播方向一致的纵波(p)、粒子运动方向与传播方向垂直的垂直偏振波(sv)，以及具有横向粒子运动的水平偏振波(sh)。海水中的方位估计通常利用矢量水听器或者常规水听器阵列，基于水中p波的方位估计方法，但是在冰层中除了p波，还有sv波以及sh波，其中横向分量sh波是声源方位估计的干扰因素。
5.本发明提出了一种基于单个冰面三轴传感器估计极地声源方位的方法。单个冰面传感器具有布放方便、经济的特点。利用偏振滤波法可以抑制其中的非径向分量。同时考虑单个传感器的方位分辨能力，提出了一种矢量反卷积方法来提高测向分辨力。


技术实现要素：

6.本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种高分辨偏振滤波弹性波极地方位估计方法，通过仿真和外场实验数据结果证明，本发明提出的方法能有效实现对极地声源的方位估计。
7.为了解决技术问题，本发明的技术方案是：
8.在冰面上布放一个三轴传感器，三轴传感器用于采集冰面的振动，比如检测冰面振动速度或位移的地震检波器，检测加速度的加速度计；三轴传感器的x轴和y轴与水平面平行，z轴垂直于冰面；设t时刻采集的信号形式分别为x(t)，y(t)和z(t)；
9.当冰面采集到极地环境中声源发出的声波时，假设目标水平方位为γ，幅度为a(t)，冰面粒子二维运动表示为：
10.x(t)＝a(t)cosγ，y(t)＝a(t)sinγ
11.常规旋转分析法的方位输出为
12.b0(θ,t)＝|x(t)cosθ+y(t)sinθ|2＝a2(t)cos2x
13.其中x＝θ-γ，θ为估计的角度，当估计角度与真实角度一致(或者相差180
°
)时，b0(θ,t)有最大值。
14.受极地冰层的不均匀性影响，冰层中产生的非径向分量，如sh波，会干扰旋转分析法的输出结果。本文采用偏振滤波法实现进行声源方位的初步估计。偏振滤波法将水平分量与垂直分量及其导数相乘，该方法可以抑制非径向分量，方位估计的初步结果表示为：
[0015][0016]
其中min表示取最小值。
[0017]
b1(θ,t)＝|x(t)z(t)cosθ+y(t)z(t)sinθ|2[0018][0019]
单个传感器的指向性函数为cos2θ的形式，方位分辨能力不足。除了增加传感器的数目形成阵列外，本发明提出了一种矢量反卷积方法提高单个传感器的方位分辨能力。
[0020]
偏振滤波法方位输出的积分形式为
[0021][0022]
其中对应声信号能量和方位，仅当角度时，其他角度值，为0。
[0023]
矢量反卷积基于贝叶斯迭代方法，从b(θ,t)中恢复原本的函数t时刻的原始方位估计结果形式如下：
[0024][0025]
其中点散射函数矢量反卷积迭代表示为
[0026][0027]
式中当n＝0时，随着n的增加，矢量反卷积方法的输出函数趋向于精确的方位估计函数
[0028]
单个传感器的方位结果存在固有的180
°
模糊问题，本发明利用径向分量与垂直分量的关系，确定声源的方位。假设矢量反卷积方法最大输出估计的声源方位为γ，得到径向分量
[0029]
r(t)＝x(t)cosγ+y(t)sinγ
[0030]
最终方位估计结果表示为：
[0031][0032]
其中α(t)＝z(t)r(t+1)-z(t)r(t-1)，e(α)表示α的期望值。
[0033]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0034]
本发明的优点在于：在冰面布放传感器，相比于在海水以及海底布放，具有布放方便，坐标可调的优势；相比于传统基于阵列的方法，采用单个传感器就可以实现高分辨的方位估计结果。基于单检波器的声源方位的初步结果可以使用旋转分析法和偏振滤波法实现，利用冰面粒子运动的垂直分量抑制非径向分量，并提出了使用矢量反卷积方法来提高单检波器方位估计的分辨力，使得极地单检波器具备高分辨的方位估计能力。
附图说明
[0035]
图1、极地声源测向流程图；
[0036]
图2、采集的三轴信号分量；
[0037]
图3、矢量反卷积方位估计；
[0038]
图4、90
°
方位估计结果；
[0039]
图5、180
°
方位估计结果。
具体实施方式
[0040]
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
[0041]
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0042]
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0043]
实施例1：
[0044]
如图1所示，本发明提供的极地水下测距流程图并通过外场实验进行方法验证。具体步骤如下：
[0045]
步骤1在冰面布放了三分量加速度传感器用于采集冰面运动分量并进行滤波。如图2所示，为外场实验获取的三轴加速度分量，设t时刻采集的信号形式分别为x(t)，y(t)和z(t)。
[0046]
步骤2偏振滤波法初步估计声源方位。受极地冰层的不均匀性影响，冰层中产生的非径向分量，如sh波，会干扰旋转分析法的输出结果。本文采用偏振滤波法实现进行声源方位的初步估计。偏振滤波法将水平分量与垂直分量及其导数相乘，该方法可以抑制非径向分量，方位估计的初步结果表示为
[0047]
[0048]
其中min表示取最小值。
[0049]
b1(θ,t)＝|x(t)z(t)cosθ+y(t)z(t)sinθ|2[0050][0051]
步骤3矢量反卷积法获得高分辨测向结果。偏振滤波法方位输出的积分表示为
[0052][0053]
其中对应声信号能量和方位，仅当角度时，对于其他角度值，为0。
[0054]
矢量反卷积基于贝叶斯迭代方法实现，从偏振滤波法输出的b(θ,t)中恢复原本的函数t时刻的原始方位估计结果形式如下
[0055][0056]
其中点散射函数矢量反卷积迭代表示为
[0057][0058]
式中当n＝0时，
[0059]
随着n的增加，矢量反卷积方法的输出函数趋向于精确的声源方位
[0060]
如图3所示，声源方位包含了0
°
、30
°
和60
°
三个方向，其中30
°
和60
°
为弱目标。没有进行矢量反卷积操作时，初步的方位估计存在模糊，估计目标方位约为22
°
。经过10次反卷积迭代后，0
°
强目标的估计方位为3
°
，经过50次反卷积迭代后实现了两个弱目标的分辨，估计角度分别为30
°
和60
°
，因此矢量反卷积方法能够提高单检波器方位估计分辨力，检测弱目标的作用。
[0061]
步骤4基于径向与垂向分量确定最终方位。单个传感器的方位结果存在固有的180
°
模糊问题，本发明利用径向分量与垂直分量的关系，确定声源的方位。假设矢量反卷积方法最大输出估计的声源方位为γ，得到径向分量
[0062]
r(t)＝x(t)cosγ+y(t)sinγ
[0063]
最终方位估计结果表示为
[0064][0065]
其中e(α)表示α(t)的平均值，α(t)＝z(t)r(t+1)-z(t)r(t-1)。
[0066]
如图4所示，为外场冰区声源测向实验结果，声源方位为90
°
。实验中采用了5个中心频率分别为32hz，64hz，125hz，250hz和500hz的倍频程滤波器对信号进行了滤波，从上到
下依次对应的声源距离为10m-50m，间隔10m。极坐标曲线图为步骤3的矢量反卷积方位输出结果，黑点为基于步骤4确定的声源方位的最终估计值。如图5所示，为180
°
测向结果，对应关系与图4一致。表1给出了90
°
和180
°
声源跨冰测向的误差。总的来看，基于单个三轴传感器实现了对声源的测向，测距误差随着频率增加而增大，频率为32hz的信号平均测向误差为5
°
左右，而500hz的测向误差在10
°
以上。
[0067]
表1-50米内90
°
分频段误差
[0068][0069][0070]
结果证明，在旋转分析与偏振滤波的基础上，本发明提出的高分辨矢量反卷积方法，提高单检波器方位估计的分辨能力，仿真和冰区外场试验验证了方法的有效性，本发明能有效的实现极地声源的方位估计。
[0071]
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
[0072]
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

技术特征：
1.一种高分辨偏振滤波弹性波极地方位估计方法，其特征在于，所述方法包括：在冰面上利用单个三轴传感器获取三轴加速度分量；基于获取三轴加速度分量，利用偏振滤波法，初步估计声源方位；利用矢量反卷积法获取高分辨率测向数据；基于径向与垂向分量确定最终方位。2.根据权利要求1所述的一种高分辨偏振滤波弹性波极地方位估计方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：在冰面布放了三分量加速度传感器采集三轴加速度分量并进行滤波，其中，传感器的x轴和y轴与水平面平行，z轴垂直于冰面，设t时刻采集的信号形式分别为x(t)，y(t)和z(t)。3.根据权利要求1所述的一种高分辨偏振滤波弹性波极地方位估计方法，其特征在于，所述偏振滤波法将水平分量与垂直分量及其导数相乘，该方法可以抑制非径向分量，方位估计的初步结果表示为：其中min表示取最小值；b1(θ,t)＝x(t)z(t)cosθ+y(t)z(t)sinθ2；4.根据权利要求1所述的一种高分辨偏振滤波弹性波极地方位估计方法，其特征在于，利用矢量反卷积法获得高分辨测向结果，具体包括：首先将偏振滤波法方位输出的积分表示为：其中对应声信号能量和方位，仅当角度时，对于其他角度值，为0；矢量反卷积基于贝叶斯迭代方法实现，从偏振滤波法输出的b(θ,t)中恢复原本的函数t时刻的原始方位估计结果形式如下：其中点散射函数矢量反卷积迭代表示为式中当n＝0时，随着n的增加，矢量反卷积方法的输出函数趋向于精确的声源方位5.根据权利要求1所述的一种高分辨偏振滤波弹性波极地方位估计方法，其特征在于，
基于径向与垂向分量确定最终方位，具体包括：利用径向分量与垂直分量的关系，确定声源的方位；设矢量反卷积方法最大输出估计的声源方位为γ，得到径向分量：r(t)＝x(t)cosγ+y(t)sinγ最终方位估计结果表示为：其中e(α)表示α(t)的平均值，α(t)＝z(t)r(t+1)-z(t)r(t-1)。

技术总结
本发明公开了一种高分辨偏振滤波弹性波极地方位估计方法，属于极地声学测向方法领域，在冰面布放传感器，相比于在海水以及海底布放，具有布放方便，坐标可调的优势；相比于传统基于阵列的方法，采用单个传感器就可以实现高分辨的方位估计结果。基于单检波器的声源方位的初步结果可以使用旋转分析法和偏振滤波法实现，利用冰面粒子运动的垂直分量抑制非径向分量，并提出了使用矢量反卷积方法来提高单检波器方位估计的分辨力，使得极地单检波器具备高分辨的方位估计能力。备高分辨的方位估计能力。备高分辨的方位估计能力。


技术研发人员：殷敬伟 刘建设
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/10/20