本發(fā)明屬于水下目標探測技術領域，具體涉及在平臺條件受限的情況下應用蝙蝠雙耳定位模型提升水下目標方位分辨力的方法。

背景技術：

對于主動聲吶來說，往往需要很高的方位分辨力來精確探測目標。傳統(tǒng)方法經常借助水聲換能器陣列，并通過波束形成來獲取空間增益、估計目標方位。但換能器陣列一般是以半波長為間距布置的，若要獲得高的方位估計精度，則需增加陣元個數或增大發(fā)射聲波的頻率。然而由于平臺尺寸的限定，所能布置陣元的個數往往不能滿足要求，且增大聲波的頻率會增大傳播衰減，縮短探測距離。

蝙蝠可以利用自身的精簡“陣列”(雙耳)及特有的神經信號處理方法估計獵物的方位，且能達到良好的方位分辨力，這一特性為主動聲吶在平臺條件受限的情況下提升方位分辨力提供了可能性。對此，日本東北大學的Ikuo Matsuo于2002年提出了蝙蝠在三維空間中利用雙耳進行多目標定位的模型，本發(fā)明中稱該模型為雙耳定位模型。雙耳定位模型模擬了蝙蝠的信號處理方法，提升了精簡陣列下目標的方位分辨力，但蝙蝠的發(fā)聲信號以雙曲調頻信號為主，而模型是以大帶寬線性調頻信號為基準建立的，這導致該模型不適用于處理雙曲調頻信號，無法利用雙曲調頻信號的非線性特性進一步提升方位分辨力。此外，大帶寬信號對水聲換能器的制作也提出了巨大的挑戰(zhàn)。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發(fā)明提供一種基于蝙蝠雙耳定位模型的水下目標方位估計方法，根據主動聲吶的工作頻段及雙曲調頻信號的非線性特點對雙耳定位模型進行改進，提升了雙耳定位模型的方位分辨力，并利用改進的雙耳定位模型提升主動聲吶的方位分辨力，使得主動聲吶能夠在雙陣元的情況下達到良好的方位分辨力，且性能遠遠優(yōu)于常規(guī)波束形成法。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：根據發(fā)射信號的頻段，計算出適用于處理雙曲調頻信號的雙耳定位模型參數，并結合回波信號中干涉峰谷值點的理論位置來確定外耳谷值頻率區(qū)間和水聲換能器的頻率響應，最后根據模型所估計出的外耳谷值頻率來計算目標的方位，具體包括以下步驟：

1)根據聲吶系統(tǒng)所要求的發(fā)射信號頻段，計算發(fā)射信號的雙曲調頻參數K＝Tf_maxf_min/B，T為發(fā)射信號持續(xù)時間，f_max、f_min為發(fā)射信號的頻率最大值和最小值，B為發(fā)射信號帶寬；

2)根據處理頻段設置改進的雙耳定位模型的通道數目，平均每1KHz設置一個通道，并將通道中心頻率設置為雙曲變化；根據各通道中心頻率f_i(t)計算各通道間的中心時間差δp＝1/f_i+1(t)-1/f_i(t)，f_i+1為相鄰通道的中心頻率；結合δp求解提升外耳谷值頻率區(qū)間頻率分辨力的頻率要求，式中p_i為各通道的中心時間；

根據頻段內干涉峰值點理論位置和谷值點理論位置結合頻率要求確定外耳谷值頻率區(qū)間的頻率最大值，保證每個回波時延差至少對應外耳谷值頻率區(qū)間外的一個峰值點或者谷值點；式中，m、n為正整數，Δτ為回波間的時延差；

根據方位估計范圍和外耳傳輸函數計算外耳谷值頻率區(qū)間的頻率跨度，并結合頻率最大值計算外耳谷值頻率區(qū)間；EEDNF_L、EEDNF_R分別為左耳、右耳的外耳谷值頻率，A為方位角，E為俯仰角，F為頻率常數，等于外耳谷值頻率區(qū)間的中心頻率；

設置改進的雙耳定位模型的帶通濾波器組的階數、低通濾波器組階數及截止頻率，使得帶通濾波器輸出波形平滑、無極值點；帶通濾波器組階數不超過8階，低通濾波器組階數不超過2階，低通濾波器組截止頻率不超過3KHz；

設置濾波器組中各帶通濾波器的中心時間帶寬為各通道中心時間差δp的4到5倍；

3)仿真確定濾波器組積分時間變化范圍，取各通道積分時間的平均值作為積分時間；

4)計算改進的雙耳定位模型在通道融合時使用的參數PSR＝δp×K，通道間的融合初始模式通道間的融合偏移模式式中，p_n為各通道的中心時間，PD為相鄰通道間的中心時間，B_on、B_off分別為各通道的初始模式和偏移模式；

5)根據雙曲調頻信號參數設置全通基向量W_all(p_n,d)及選通基向量W_sel(p_n,d)，

式中A(p_n)為通道選擇函數，N為通道數目；

6)利用改進的雙耳定位模型處理回波信號，獲得左右耳估計出的目標回波的外耳谷值頻率，并計算出目標方位角的估計值A＝EEDNF_L-EEDNF_R和俯仰角的估計值

本發(fā)明的有益效果是：

第一，本發(fā)明改進了現有的雙耳定位模型，充分利用了雙曲調頻信號的非線性特性，在通道密度不變的情況下增加了模型外耳谷值頻率區(qū)間內的通道數，提升了雙耳定位模型的方位分辨力；

第二，本發(fā)明應用改進的雙耳定位模型估計目標方位，大大提升了精簡陣列下主動聲吶的方位分辨力；

第三，本發(fā)明對主動聲吶發(fā)射信號的帶寬要求不高，降低了水聲換能器的研制成本；

第四，本發(fā)明采用改進的雙耳定位模型估計目標參數，只需要兩個陣元，且工作在低頻段，因此大大降低了陣列復雜度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的雙耳定位模型結構圖和子模塊結構圖，其中，(a)是雙耳定位模型結構圖，(b)是耳蝸單元結構圖，(c)是譜相關單元結構圖，(d)是譜變換單元結構圖。

圖2是本發(fā)明的20KHz～60KHz頻段內峰谷值點位置圖。

圖3是本發(fā)明的20KHz～60KHz頻段內各通道積分時間示意圖。

圖4是環(huán)境中存在兩個目標時本發(fā)明外耳谷值頻率估計值曲線。

圖5是雙陣元下標準線列陣的波束圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施例。

本發(fā)明的實現步驟如下：

1)根據聲吶系統(tǒng)所要求的發(fā)射信號頻段，計算發(fā)射信號的雙曲調頻參數K的值，運算公式如下：

K＝Tf_maxf_min/B (1)

式中T為信號持續(xù)時間，f_max，f_min為發(fā)射信號的頻率最大值和最小值，B為信號帶寬。改進的雙耳定位模型的處理頻段與發(fā)射信號頻段一致。

2)改進模型的基本參數：

2.1)根據處理頻段設置改進的雙耳定位模型的通道數目，通常情況下，平均每1KHz設置一個通道，并將通道中心頻率設置為雙曲變化。通道數目確定后，根據各通道中心頻率f_i(t)計算各通道間的中心時間差δp＝1/f_i+1(t)-1/f_i(t)，f_i+1為相鄰通道的中心頻率；隨后結合δp求解提升外耳谷值頻率區(qū)間頻率分辨力的頻率要求，運算公式如下：

式中p_i為各通道的中心時間。

2.2)根據頻段內干涉峰谷值點的理論位置，計算外耳谷值頻率區(qū)間的頻率最大值，需保證每個回波時延差至少對應外耳谷值頻率區(qū)間外的一個峰值點或者谷值點；頻段內干涉峰值點理論位置f_p、谷值點理論位置f_n可表示為

式中，m、n為正整數，Δτ為回波間的時延差。結合式(2)中求解出的頻率范圍要求，可確定外耳谷值頻率區(qū)間的頻率最大值。

2.3)根據方位估計范圍和外耳傳輸函數計算外耳谷值頻率區(qū)間的頻率跨度，并結合2.2)中計算出的頻率最大值計算外耳谷值頻率區(qū)間，外耳傳輸函數可表示為

式中EEDNF_L、EEDNF_R分別為左耳、右耳的外耳谷值頻率，A為方位角，E為俯仰角，F為頻率常數，一般等于外耳谷值頻率區(qū)間的中心頻率。

2.4)設置改進的雙耳定位模型的帶通濾波器組的階數、低通濾波器組階數及截止頻率，使得帶通濾波器輸出波形平滑、無極值點；一般來說，帶通濾波器組階數不超過8階，低通濾波器組階數不超過2階，低通濾波器組截止頻率不超過3KHz。

2.5)設置濾波器組中各帶通濾波器的中心時間“帶寬”，一般為各通道中心時間差δp的4到5倍。

3)模型基本參數改進后，通過計算機仿真確定濾波器組積分時間變化范圍，取各通道積分時間的平均值作為積分時間。

4)結合參數K及δp，計算改進的雙耳定位模型在通道融合時使用的參數PSR＝δp×K，通道融合可表示為

式中，p_n為各通道的中心時間，PD為相鄰通道間的中心時間，B_on、B_off分別為各通道的初始模式和偏移模式；INT_on、INT_off分別為通道間的融合初始模式和融合偏移模式。

5)根據雙曲調頻信號參數設置全通基向量W_all(p_n,d)及選通基向量W_sel(p_n,d)，運算公式如下：

式中A(p_n)為通道選擇函數，N為通道數目。

6)利用改進的雙耳定位模型處理回波信號，獲得左右耳估計出的目標回波的外耳谷值頻率，并計算出目標方位角和俯仰角的估計值，運算公式如下：

為了提升主動聲吶平臺在低頻段(頻率小于60KHz)、低帶寬信號(帶寬小于50KHz)、精簡陣列下的方位分辨力，本發(fā)明結合主動聲吶特點對蝙蝠雙耳定位模型進行改進，并應用改進的雙耳定位模型估計目標方位，有效提升了主動聲吶在平臺條件受限時的方位分辨力。該方法的實施主要通過改進雙耳定位模型來實現，雙耳定位模型的結構圖及子模塊結構圖如圖1所示。

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

1)某主動聲吶系統(tǒng)要求的發(fā)射信號頻段為20KHz～60KHz，信號持續(xù)時間T＝2ms；計算可得雙曲調頻參數K＝60；改進的雙耳定位模型的處理頻段與發(fā)射信號頻段一致，為20KHz～60KHz。

2)改進模型的基本參數：

2.1)改進的雙耳定位模型處理頻段為20KHz～60KHz，平均每1KHz設置一個通道，共41個通道，將通道中心頻率設置為雙曲變化，根據通道中心頻率計算各通道間的中心時間差δp≈0.83μs，結合δp求解提升外耳谷值頻率區(qū)間頻率分辨力的頻率范圍要求可得p_i＞28.5μs，對應到中心頻率有f_i＜35KHz。

2.2)20KHz～60KHz頻段內干涉峰谷值點的理論位置如圖2所示，從圖中可以看出，為保證20KHz到60KHz內每個時延差上都存在至少一個峰值點或谷值點，外耳谷值頻率需小于29KHz。結合2.1)中的頻率要求，可知外耳谷值頻率的最大值為29KHz。

2.3)考慮方位估計范圍為方位角[-6°6°]、俯仰角[0°10°]，帶入到式(4)中可得外耳谷值頻率的變化范圍為[-5KHz 3KHz]，頻率變化跨度為8KHz，故設置外耳谷值頻率區(qū)間為[21KHz 29KHz]，其中心頻率為25KHz，則外耳傳輸函數中的頻率常數F＝25KHz，外耳傳輸函數可表示為

2.4)設置帶通濾波器組為8階，低通濾波器為2階，低通濾波器截止頻率為3KHz。

2.5)各通道中心時間差δp≈0.83μs，設置帶通濾波器的中心時間“帶寬”為3.5μs。

3)通過計算機仿真濾波器組積分時間變化范圍，如圖3所示，從圖中可以看出積分時間的變化范圍為230μs～510μs，取平均值可得濾波器組的積分時間為370μs。

4)結合參數K及δp，計算模型在通道融合時使用的參數PSR＝49.8μs；通道融合可表示為

5)根據雙曲調頻信號參數設置全通基向量W_all(p_n,d)及選通基向量W_sel(p_n,d)，運算公式如下：

6)利用改進的雙耳定位模型處理回波信號，獲得左右耳估計的目標回波的外耳谷值頻率，并計算出目標方位角和俯仰角的估計值，運算公式如下：

本發(fā)明的有益效果可通過以下仿真進一步說明：

1、仿真條件

a)發(fā)射信號頻段為20KHz～60KHz，信號持續(xù)時間為2ms；b)環(huán)境中存在兩個目標，相對換能器的方位角分別為0°、1°，俯仰角均為0°，對應到左耳的外耳谷值頻率理論值分別為25KHz、25.5KHz。

2、仿真內容和結果

為了驗證本發(fā)明應用改進的雙耳定位模型估計目標方位的性能優(yōu)越性，在上述仿真條件下，對環(huán)境中兩個目標的方位進行估計。圖4給出了雙耳定位模型和改進的雙耳定位模型估計出的外耳谷值頻率曲線。

從圖4可以看出，雙耳定位模型估計出的外耳谷值頻率分別為25KHz、26KHz，改進的雙耳定位模型估計出的外耳谷值頻率分別為25KHz、25.5KHz；改進的雙耳定位模型準確的估計出了兩個目標回波對應的外耳谷值頻率，而雙耳定位模型將25.5KHz的理論值估計為26KHz，說明本發(fā)明改進的雙耳定位模型的外耳谷值頻率分辨力更高，對應的，本發(fā)明的方位分辨力也優(yōu)于雙耳定位模型。

為了進一步說明本發(fā)明改進的雙耳定位模型的方位分辨力，圖5給出了雙陣元下標準線列陣的波束圖。從圖中可以看出，兩個陣元下，波束主瓣寬度大約為50°，說明傳統(tǒng)方法在兩個陣元下的方位分辨力約為50°；而從圖4的結果可知，本發(fā)明的外耳谷值頻率分辨力為0.5KHz，對應的本發(fā)明的方位分辨力為1°～2°。說明本發(fā)明與傳統(tǒng)方法相比大大提升了精簡陣列下目標的方位分辨力。