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基于艦船輻射噪聲的艦船目標(biāo)定位技術(shù)

作者: 時(shí)間:2009-08-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
1 引言
水噪聲分為噪聲和自噪聲兩種,艦船噪聲與有艦船上機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)和艦船運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生并到水中的噪聲,它是由離開艦船一定距離的水聽器接收到的艦船噪聲。航行中的艦船產(chǎn)生的輻射噪聲主要有三大類:(1)由主機(jī)、輔機(jī)、空調(diào)設(shè)備等產(chǎn)生的機(jī)械噪聲;(2)由螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的空化、旋轉(zhuǎn)聲及“唱音”構(gòu)成的螺旋槳噪聲;(3)由水流輻射、附件共振等產(chǎn)生的水動(dòng)力噪聲。艦船輻射噪聲是對方聲探測系統(tǒng)的信息源,它會(huì)把自己的存在暴露給對方,是破壞艦艇隱身性能的主要因素。如何利用這個(gè)信息對艦船目標(biāo)進(jìn)行“隱蔽式”的定位,乃至引導(dǎo)對其的攻擊,這已成為一個(gè)熱點(diǎn)研究問題。
在實(shí)際中遇到的海洋環(huán)境造成以及多種人為噪聲均不是高斯分布,這類噪聲的共同特點(diǎn)是噪聲的某些瞬間幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其均值,具有非常顯著的脈沖特性,且其統(tǒng)計(jì)密度函數(shù)具有較厚的拖尾,為分?jǐn)?shù)低階α穩(wěn)定分布過程這類信號(hào)也稱為分?jǐn)?shù)低階矩信號(hào)。在這種噪聲背景下,用常用的信號(hào)處理方法可能會(huì)帶來許多問題。如何通過測量艦船輻射噪聲來完成對艦船目標(biāo)的定位,就需要尋找一種全新的信號(hào)處理方式。本文提出基于盲源分離的的多步定位方法,這種方法通過盲源分離的引入,可以降低分?jǐn)?shù)低階矩信號(hào)的影響,然后通過時(shí)差估計(jì),最后完成對目標(biāo)位置的估計(jì)。本文結(jié)構(gòu)安排如下:第2部分對本文采用的聲測陣列一五元十字陣結(jié)構(gòu)和聲源定位相關(guān)問題進(jìn)行描述和分析,提出問題;第3部分對基于盲源分離的時(shí)差估計(jì)和定位算法進(jìn)行深入分析;第4部分對本文所采用算法應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析;最后就是對本文進(jìn)行歸納總結(jié)。

2 問題描述
假設(shè)水下聲信道是理想無畸變的信道,忽略點(diǎn)噪聲源在傳播過程中的損耗。假設(shè)由m個(gè)相同的水聽器任意分布在同一面組成傳感器陣列,接收位于陣列遠(yuǎn)場中的n個(gè)點(diǎn)目標(biāo)發(fā)射的信號(hào)波前,目標(biāo)源和基陣位于同一平面。假設(shè)傳播介質(zhì)是均勻且各向同性的,遠(yuǎn)場信號(hào)波前到達(dá)基陣時(shí)可假設(shè)為平面波。
2.1 α穩(wěn)定分布噪聲
α穩(wěn)定分布為具有更尖峰或偶然脈沖類信號(hào)和噪聲提供了非常有用的理論工具,它是廣義上的高斯分布,即高斯分布是它的一個(gè)特例。兩者的主要區(qū)別是穩(wěn)定密度比高斯密度有更厚的拖尾,穩(wěn)定分布的這種特征正是用于對具有沖激特征的信號(hào)和噪聲建模的主要原因之一。α穩(wěn)定分布的信號(hào)沒有封閉表達(dá)式,只能通過如下的特征函數(shù)描述

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/188758.htm


其中α為特征指數(shù),表示α穩(wěn)定分布概率密度函數(shù)拖尾的厚度,α值越小,其拖尾就越厚;γ為分散系數(shù),表示α穩(wěn)定分布的分散程度;β為對稱參數(shù),當(dāng)β=0時(shí),稱為對稱α穩(wěn)定分布,記為SαS;μ表示分布的均值或中值。當(dāng)α=2時(shí),α穩(wěn)定分布的特征函數(shù)與高斯分布的特征函數(shù)完全相同,這表明高斯分布時(shí)α穩(wěn)定分布當(dāng)α=2時(shí)的特例。0α2時(shí)的SαS分布保持了高斯分布的一些特性,但又有明顯的不同。其顯著特征是遠(yuǎn)離均值或中值的樣本數(shù)較多,從而造成了其時(shí)間域波形上較多的尖峰脈沖。通常定義0α2的α穩(wěn)定分布為低階α穩(wěn)定分布以區(qū)別與α=2的高斯分布。
2.2 定位結(jié)構(gòu)
由于十字形陣具有分維特性且陣列冗余度較小,因此十字陣是較為合適的陣形,在陣列尺寸相同的情況下,五元十字陣的定向性能要優(yōu)于四元十字陣。本文選取基于五元十字陣的定位結(jié)構(gòu)如圖l所示。建立以陣元S0為坐標(biāo)原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系,五陣元由坐標(biāo)原點(diǎn)的陣元S0兩個(gè)相互正交的線陣S1,S3和S2,S4組成,S1,S3在x軸上,S2,S4在y軸上。

在圖1坐標(biāo)系中,設(shè)正交陣元間距為D,則五陣元的坐標(biāo)分別為:S0(0,0,0),S1(D/2,0,0),S2(0,D/2,0),S3(一D/2,0,0)和S4(0,一D/2,0),設(shè)目標(biāo)聲源Ti的坐標(biāo)為(xj,yj,zj),球坐標(biāo)為(r,ψ,θ)。目標(biāo)聲源Tj到中心點(diǎn)S0的距離為r,方位角為ψ,俯仰角為θ。假設(shè)聲信道是理想無畸變的信道,忽略點(diǎn)噪聲源在傳播過程中的損耗,目標(biāo)聲源Tj以球面波形式進(jìn)行傳播。則各陣元接收信號(hào)的數(shù)學(xué)模型可表示為:


其中x(t)即為接收信號(hào),即在處理器前的數(shù)據(jù);A為m×n混疊矩陣,它為接收陣列陣元耦合矩陣;s(t)為源信號(hào)包括聲信號(hào)、干擾信號(hào)等;τij為第j個(gè)源信號(hào)到達(dá)第i個(gè)接收陣元的相對時(shí)延;n(t)為m×1維噪聲信號(hào),包括外部噪聲、電噪聲等,通常視為高斯白噪聲。在下面算法中,假設(shè)各信號(hào)問相互獨(dú)立且與噪聲亦相互獨(dú)立。基于時(shí)差定位的關(guān)鍵問題就是如何消除或降低噪聲、干擾信號(hào)及其混疊信號(hào)對相關(guān)求時(shí)差的影響,從而提高定位精度,這正是這種定位技術(shù)需要著重解決的問題。

3 定位算法
定位的步驟分為三步:首先是進(jìn)行盲分離,第二步是時(shí)差估計(jì),第三步是定位計(jì)算。
3.1 盲分離算法
信號(hào)傳播過程會(huì)受到各種外界干擾及內(nèi)部噪聲的影響,測向信號(hào)處理的首要目的就是通過對接收信號(hào)的處理,消除或降低各種各樣的干擾、噪聲及由這些干擾和噪聲引起的不確定性。盲源分離的技術(shù)采用A.Hyvarinen提出的改進(jìn)ICA定點(diǎn)分離算法。
考慮無噪時(shí)的分量wTx的負(fù)熵近似式來求代價(jià)函數(shù),就是尋求使用有噪觀測數(shù)據(jù)x估計(jì)無噪JG(wTx)的方法進(jìn)行有噪ICA。設(shè)z為一個(gè)非高斯隨機(jī)變量,n是一方差為σ2的高斯噪聲變量,問題就轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾魏唵蔚孛枋鯡{G(z)}和E{G(z+n)}之間的關(guān)系。一般來說,這個(gè)關(guān)系比較復(fù)雜,只有通過數(shù)值積分來實(shí)現(xiàn)。選擇G(?)為一個(gè)零均值高斯隨機(jī)變量的概率密度函數(shù)或與之相關(guān)的函數(shù)使之變得相對簡單。零均值、方差為c2的高斯概率密度函數(shù)為:


ψc(x)的k(k>0)階導(dǎo)函數(shù)表示為ψc(k)(x),k階積分函數(shù)為ψc(-k)(x),其中,定義ψ(0)c(x)=ψc(x)(積分下限0可為任意值,但必須固定)??梢缘玫较率剑?/p>


這說明,使用可以通過最大化代價(jià)函數(shù)而由有噪觀測數(shù)據(jù)估計(jì)獨(dú)立分量。這里稱統(tǒng)計(jì)量為數(shù)據(jù)的高斯矩。因此,估計(jì)有噪ICA模型可以通過對擬白化后的數(shù)據(jù)x最大化如下的代價(jià)函數(shù)來實(shí)現(xiàn):

其中X對于式(5)進(jìn)行優(yōu)化求解,可得到改進(jìn)形式的定點(diǎn)算法。可將無噪時(shí)的所有期望(高斯矩),由相應(yīng)的一致估計(jì)(有噪數(shù)據(jù)的高斯矩)代替。因此,可得到擬白化數(shù)據(jù)的定點(diǎn)迭代的初步形式:

其中w*是w的更新值,在每次迭代后被歸一化。在每步迭代之前,調(diào)節(jié)c使可簡化式(6)的算法。最后可得擬白化數(shù)據(jù)關(guān)于偏差消除的定點(diǎn)算法:


其中w*是w的更新值,在每次迭代后被歸一化。上述的公式每次只能得到一個(gè)獨(dú)立分量,使用與無噪時(shí)相同的去相關(guān)方法,就求得所有的獨(dú)立分量,從而完成分離工作。
3.2 時(shí)差估計(jì)
在完成盲分離處理后,就可以得到源信號(hào)的恢復(fù)形式。相關(guān)計(jì)算的工作就是估計(jì)兩組陣列接收源信號(hào)之問的延遲△τ。對于同一個(gè)輻射源信號(hào),由于到達(dá)位置的不同,接收到的時(shí)間也不同,這種情況下,就必須在時(shí)移中考慮兩個(gè)信號(hào)的相似性,把s2(n)延遲時(shí)間τ使之變?yōu)閟2(n一τ),考察s2(n)與s2(n一τ)的相似性,即計(jì)算其相關(guān)系數(shù)rs1s2:


當(dāng)τ從一∞到+∞時(shí),rs1s2(τ)就是τ的一個(gè)函數(shù),稱rs1s2(τ)為s1(n)與s2(n-τ)的互相關(guān)系數(shù),τ為s2(n-τ)的延遲時(shí)間,若|rs1s2(τ)|在τ0達(dá)到最大值,則τ0為這兩個(gè)信號(hào)的時(shí)差即△τ。
3.3 定位計(jì)算
假設(shè)目標(biāo)聲源T到達(dá)陣元S1、S2、S3、S4相對與到達(dá)陣元S0的時(shí)差分別為τ01,τ02,τ03,τ04,可以得到其定位方程:



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