舰船速度和距离联合测量的被动声多普勒相位方法

摘要

本发明提供了一种舰船速度和距离联合测量的被动声多普勒相位方法，测量被测舰船匀速直线接近测量水听器并离开测量水听器水听器的过程中接收舰船辐射的声信号，并做快速傅立叶变换分析频谱，找到信号中存在的信噪比大于或等于5dB的低频线谱，通过带通滤波器分离出各个低频线谱多普勒信号，复数化得到多普勒解析信号；获得多普勒信号的时变幅度估计值；通过多线谱合成的加权非线性最小二乘估计法得到舰船航行速度的估计值、正横距离的估计值、各线谱声源经过测量水听器时的正横时刻估计值、各线谱声源的频率估计值和多普勒信号的初始相位估计值。本发明实施简单，测量精度较高，计算量相对较小。

主权项

1.一种舰船速度和距离联合测量的被动声多普勒相位方法，其特征在于包括下述步骤：1）测量被测舰船匀速直线接近测量水听器并离开测量水听器水听器的过程中接收舰船辐射的声信号，并将其转换成电压信号s(t),0＜t≤T，通过前放后用数据采集仪记录下来，t表示记录时间，T表示数据记录的时间长度；2）把采集得到的水听器接收信号s(t)做快速傅立叶变换分析频谱，找到信号中存在的信噪比大于或等于5dB的低频线谱，其频率为m＝1,2,…,M，M表示低频线谱的个数；通过带通滤波器分离出存在线谱的频带宽度为各个小区域信号，得到各个低频线谱多普勒信号s_m(t)；将分离出的线谱多普勒信号s_m(t)复数化得到多普勒解析信号z_m(t)，其中z_m(t)＝s_m(t)+jH[s_m(t)]，H[s_m(t)]表示信号s_m(t)的希尔伯特变换；3）多普勒信号的表达式为z_m(t)＝A_m(t)exp[jφ_m(t)]，其中，时变幅度$A_m\left(t\right)=\frac{A_{m0}(c^2-v^2)}{c[\sqrt{{c^2{v}^2(t-t_{m0})}^2+R_0^2(c^2-v^2)}-v^2(t-t_{m0})]},$瞬时相位${\phi }_m\left(t\right)=2\pi f_{m0}\frac{c^2}{c^2-v^2}[t-\frac{v^2}{c^2}{t}_{m0}-\frac{1}{c^2}\sqrt{v^2{c}^2{(t-t_{m0})}^2+R_0^2(c^2-v^2)}]+{\phi }_{m0},$A_m0表示舰船各辐射线谱声信号的幅度，f_m0表示各辐射线谱声信号的频率，t_m0为各线谱声源通过正横位置离测量水听器最近时的正横时刻，φ_m0为多普勒信号z_m(t)的初始相位；将多普勒信号z_m(t)表示为阶数为I的高阶多项式相位信号其中a_mi,i＝0,1,…,I为多普勒信号z_m(t)的多项式相位系数；利用高阶模糊函数算法估计出多项式相位系数i＝0,1,…,I，进而得到多普勒信号z_m(t)的瞬时相位估计值将接收到的多普勒信号z_m(t)乘上对乘积的实部进行低通滤波，获得多普勒信号z_m(t)的时变幅度估计值4）根据步骤(3)中多普勒信号z_m(t)的瞬时相位表达式，并利用获得的瞬时相位估计值和时变幅度估计值通过多线谱合成的加权非线性最小二乘估计法得到舰船航行速度的估计值、正横距离的估计值、各线谱声源经过测量水听器时的正横时刻估计值、各线谱声源的频率估计值和多普勒信号的初始相位估计值：$\{\hat{v},{\hat{R}}_0,{\hat{f}}_{m0},{\hat{t}}_{m0},{\hat{\phi }}_{m0}\}=\underset{(v,R_0,f_{m0},t_{m0},{\phi }_{m0})}{\arg \min }\left\{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\int }_0^T{\hat{A}}_m^2{[{\phi }_m\left(t\right)-{\hat{\phi }}_m\left(t\right)]}^2\mathrm{dt}\right\}.$