黃冠欽, 楊坤德

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一種波導(dǎo)不變量的被動定位方法

黃冠欽, 楊坤德

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

波導(dǎo)不變量; 干涉條紋; Sobel銳化算子

0 引言

1 波導(dǎo)不變量

聲場中傳播的聲信號具有空-時相干性, 這種相干性產(chǎn)生了確定性分量, 即不變性特征。

Brekhovskikh等人提出了聲場中由于不同簡正模之間的干涉引起了水平方向上的變化, 并定義了一個稱為波導(dǎo)不變量來表征聲強隨距離-頻率變化的條紋特征[2]。

圖1 波導(dǎo)不變量條紋圖

根據(jù)相速度和群速度的關(guān)系可得一個不變量

2 距離估計的邊緣檢測方法

2.1 邊緣檢測方法

由于條紋圖案的特殊性, 計算條紋的斜率可以通過計算其邊緣斜率來實現(xiàn), 因此通過圖像銳化來突出和加強條紋的邊緣, 可以更加容易計算條紋的斜率。Sobel銳化算子就是圖像銳化和邊緣檢測中最常用的算子之一。

2.2 Sobel銳化算子

Sobel銳化算子就是將上式定義

其中:

2.3 仿真驗證

在上文給出的波導(dǎo)不變量特性和邊緣檢測處理方法的基礎(chǔ)上, 仿真環(huán)境假定為深度8 m、聲速1500m/s的Pekeris波導(dǎo), 底層介質(zhì)聲速為1700 m/s、密度為1750kg/m3。假定聲源、接收換能器的深度都為4 m, 聲源與接收換能器距離0~300m、頻率為5000~ 10000 Hz的聲強, 即可得波導(dǎo)不變量條紋圖, 如圖2。

圖2 仿真波導(dǎo)不變量條紋圖

圖3 條紋圖

圖4 梯度角分布圖

圖5 波導(dǎo)不變量距離估計與真實距離對比

經(jīng)過仿真計算得到的距離估計結(jié)果良好, 誤差在10%以內(nèi), 證明本方法穩(wěn)定、簡單、有效。

3 試驗驗證

針對本文方法進(jìn)行試驗驗證。湖試現(xiàn)場長約700 m, 寬約400 m, 平均水深8 m, 如圖6所示。圖7給出了試驗的基本配置。試驗的基本流程為, 發(fā)射換能器發(fā)射線性調(diào)頻脈沖, 做勻速直線運動, 由此得到波導(dǎo)不變量的條紋圖案。將接收端采集得到的試驗數(shù)據(jù)通過傅里葉變換得到波導(dǎo)不變量條紋圖案, 如圖8所示。

由于試驗信號源是由小船拖曳進(jìn)行均勻直線運動的, 利用GPS記錄試驗小船的實時位置以及對應(yīng)的時刻和信號接收端的位置, 就可計算得到試驗小船與信號接收端之間的時間和對應(yīng)的距離。那么, 時間-頻率圖像就可以轉(zhuǎn)換成與前文相同的距離-頻率圖像。

圖6 湖試所在地衛(wèi)星圖

圖7 試驗配置示意圖

圖8 湖試波導(dǎo)不變量條紋圖

4 結(jié)束語

由不同簡正波之間的相互干涉, 聲場強度刻畫在以水平距離和聲源頻率為坐標(biāo)的2D平面上會出現(xiàn)干涉條紋圖案。本文提出的利用Sobel銳化算子的邊緣檢測方法計算干涉條紋圖案的斜率, 并利用波導(dǎo)不變量理論通過計算得到的斜率實現(xiàn)目標(biāo)被動定位。仿真結(jié)果表明, 該方法在距離估計上的最大誤差在10%以內(nèi)。通過湖上試驗數(shù)據(jù)檢驗, 該方法的最大誤差在25m以內(nèi), 證明該方法簡單、有效, 具有良好的應(yīng)用前景。

圖9 湖試距離估計與真實距離對比

[1] Tao H, Hickman G, Krolik J, et al. Single Hydrophone Passive Localization of Transiting Acoustic Sources[R]. IEEE Oceans2007-Europe, 2007.

[2] Yang T C. Beam Intensity Striation and Applications[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 2003, 113 (4): 1342-1352.

[3] 余赟, 惠俊英, 趙安邦, 等. 波導(dǎo)不變量及雙陣(元)被動測距方法研究[J]. 兵工學(xué)報, 2011, 32(3): 274-280.Yu Yun, Hui Jun-ying, Zhao An-bang, et al. Waveguide Invariant and Passive Ranging Using Double Elements[J]. Introducing Journal of China Ordnance, 2011, 32(3): 274- 280.

[4] Cockrell K L, Schmidt H. Robust Passive Range Estimate Using the Waveguide Invariant[J]. Journal of the Acous- tical Society of America, 2010, 127(5): 2780-2789.

[5] Li X C, Guo M F. Effect of Environmental Mismatch on Range Estimation Using Waveguide Invariant[J]. IET Radar Sonar Navigation, 2007, 1(4): 274-280.

[6] Rouseff D, Spindel R. Modeling the Waveguide Invariant as a Distribution[C]//AIP Conference Proceedings, 2002: 137-148.

A Passive Positioning Method Using Waveguide Invariant

HUANG Guan-qin, YANG Kun-de

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

waveguide invariant; interference stripes; Sobel sharpening operator

TJ630.34; TB566

A

1673-1948(2013)04-0268-04

2012-11-15;

2012-12-14.

國家自然基金項目(11174235).

黃冠欽(1989-), 男, 在讀碩士, 研究方向為水聲信號處理.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)