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申请/专利权人：中国人民解放军国防科技大学

摘要：为解决深海水平线列阵由于多径效应和波束分裂造成的虚假目标以及目标距离估计困难等现有应用难题，本发明提出一种用于深海水平线列阵的多径辨识与目标距离估计方法，该方法通过期望目标主波束方向输出序列与全空间各个方向的波束序列进行角度‑时延的二维互相关矩阵，该矩阵的峰值位置对应的角度可作为目标的次波束角度值，峰值位置对应的时延差为直达路径D与海底一次海面一次反射路径B1S1之间的时延差，可用于进一步估计目标的距离，海试数据验证了该方法的有效性；该方法适用于宽带目标，复杂度低且简单有效，适合于工程应用实施，可用于支撑深海应用场景下各类水平阵列开展水声目标定位这一任务。

主权项：1.一种用于深海水平线列阵的多径辨识与目标距离估计方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：S1：建立三维空间坐标系并获得线列阵的声压信号：令线列阵首基元投影到海面的位置为坐标原点，线列阵所在方向为x轴，垂直于线列阵方向为y轴，建立直角坐标系，第n个基元的坐标为ln＝[n-1d,0,H]T,n＝1,…,N，其中N为总的基元个数；d为基元间距；H为已知的海深；声源深度为zs，到达线列阵阵首的水平距离和水平方位角分别为rs和αs，其中水平方位角αs定义为目标投影到xoy平面上与阵列正横方向之间的角度，其取值为-90度到90度；目标与线列阵阵首的水平距离不超过5倍海深，即rs≤5H；设时刻t第n个基元接收到的声压信号频谱为pnf,t，其中f表示信号频率，fL≤f≤fH，fL、fH分别是关心信号频段的最低和最高频率，那么可将N个基元接收到的声压信号以矢量形式表示为N×1维列向量：pf,t＝[p1f,t,...,pNf,t]T1其中上标T表示向量的转置；S2：开展基于平面波的波束形成：对线列阵接收的声压信号pf,t进行基于平面波的常规波束形成处理，获得指向θ的波束域信号Bθ,f,t：Bθ,f,t＝wHθpθ,f,t2其中wθ＝[1,exp-ikdsinθ,...,exp[-ikN-1dsinθ]]T；上标H表示共轭转置；θ为导向角；k表示波数，k＝ωc，c为声速；指向θ的波束域信号Bθ,f,t的宽带波束形成的方位历程图为： 深海环境中，当位于海底的接收器与靠近海表的声源之间水平距离在5倍海深以内时，接收器接收到的本征声线来自直达路径D、海面一次反射路径S、海底一次-海面一次反射路径B1S1这三条路径，与海面海底作用次数更多的高阶声线则由于传播损失很大而难以被探测到；对于大孔径水平线列阵，当目标位于阵列端射方向附近，经过路径D和路径S到达阵列的两声线俯仰角差异可忽略，而路径B1S1的俯仰角与D、S两路径的俯仰角差异较大，因此阵列的方位历程图Ebbθ,t将在经过路径D与路径B1S1传播的两本征声线方向出现极值，即有： 其中为声线与线列阵之间的立体角，φl为不同路径本征声线的俯仰角，l＝D,B1S1；上面描述的现象即为深海线列阵的波束分裂现象；S3：在方位历程图Ebbθ,t上，从图中目标轨迹中手动点选其中感兴趣目标的初始角度为θ0，搜索该时刻角度范围θ0±b内能量最大值对应的角度为θs10，并记录为下一时刻的初始角度，b表示搜索角度范围；然后在之后的每一时刻均按照该方法记录最大值对应的角度为θs11,θs12,θs13,...，直至获得全部时刻的角度序列θs1t；此时θs1t即为感兴趣目标的主波束方向序列，该方向处波束域信号为Bθs1t,f,t；S4：将指向感兴趣目标主波束方向的波束域信号Bθs1t,f,t与全空间任意导向角θ的波束域信号Bθ,f,t进行互相关，具体步骤如下：S4.1，将Bθs1t,f,t与Bθ,f,t进行互谱Gθ,f,t，即Gθ,f,t＝Bθ,f,tB*θs1t,f,t5S4.2，计算广义互相关函数cθ,τ,t： 其中Hθ,f,t为滤波器；对于每一时刻t，广义互相关函数cθ,τ,t都是角度θ-时延τ的二维互相关矩阵；显然，该矩阵的最大值位于θ＝θs1t且τ＝0处，此处等价于感兴趣目标方向波束域信号Bθs1t,f,t的自相关函数；在多径情况下，指向直达路径的Bθs1t,f,t与来自同一目标不同角度处其他多径到达的信号相关性仍然很强，因此cθ,τ,t将在其他角度和时延位置处出现极大值，同时由于不同舰船的辐射噪声信号通常互不相关，因此cθ,τ,t在干扰舰船对应角度处互相关系数很小；S5：获得多径到达角度轨迹和直达路径与其他多径之间的多径时延差：计算如下积分 其中τmin、τmax分别对应时延的最小值和最大值；函数gθ,t表示t时刻，不同导向角θ的信号与期望目标D路径到达信号的互相关系数之和，为了便于极值提取，将gθ,t利用其最大值进行了归一化；fτ,t表示t时刻，全空间方位上与期望目标D路径到达信号具有一定时延τ的互相关系数之和，为了便于后续极值提取，将fτ,t利用其最大值进行了归一化；互相关系数之和的值越大，表明该位置处的峰值就越有可能来自于期望目标通过多径到达阵列的信号；由步骤S4.2可知，gθ,t的最大值位于θ＝θs1t，fτ,t的最大值位于τ＝0；针对多径辨识这一目标，给定时刻t，提取gθ,t的第2个极大值对应的角度序列θB1S1t，该角度即为目标经过路径B1S1到达阵列的角度，该信息可用于多径辨识；给定时刻t，提取fτ,t的第2个极大值对应的时延该时延即为感兴趣目标的直达路径D与路径B1S1到达阵列的传播时间差，即两路径之间的传播时延，该信息可用于目标距离估计；为了达到多径辨识的目的，可将θB1S1t的结果叠加绘制在方位历程图Ebbθ,t之上，当该轨迹与方位历程图中存在目标轨迹重叠的情况时，说明此时该轨迹来自于期望目标的多径信号，如果不存在轨迹重叠的情况，则说明方位历程图的轨迹来自于其他舰船目标；S6：利用时延计算目标距离：在直达声区，声线弯曲在近距离可忽略，可以得到声源沿着直达路径D与路径B1S1到达线列阵阵首的斜距分别为： 其中zr为阵列深度；对于深海海底阵，zr＝H，而声源深度不超过百米，因此相对于海深忽略不计，从而有 由此可得到声源沿着路径D与路径B1S1到达线列阵阵首的理论时延值为 其中c为线列阵所处深度的声速值；为了获得上述理论时延值，采用遍历法，将声源距离rs从最小值0到最大值5H每隔Δrs建立距离网格点，即rsj＝jΔrs，其中Δrs为网格分辨率，j＝1,2,...,J，J＝5HΔrs为网格点数；遍历每个网格点对应的距离rsj代入公式11和12计算得到RD、RB1S1，随后按照公式13得到理论时延值τD-B1S1rsj；构建如下代价函数，即最小化实测时延值与理论时延值τD-B1S1rsj得到距离估计值 代价函数Crsj达到最小时对应的网格距离点即为期望目标到达阵列首距离rs的估计值

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