一種基于雙隨機基陣被動定位的大橋防撞方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于雙隨機基陣被動定位的大橋防撞方法，該方法基于大橋防撞裝置實現(xiàn)，所述裝置包括兩個隨機換能器基陣，分別安裝在大橋兩側(cè)的橋墩上，用于接收通航船舶的輻射噪聲信號；所述方法包括：兩個隨機換能器基陣對接收到的通航船舶的輻射噪聲信號進行預(yù)處理、頻譜分析和帶通濾波，得到船舶輻射噪聲的有用信號；采用寬帶頻域非相干處理方法對船舶輻射噪聲的有用信號進行角度估計，得到船舶相對于兩個隨機換能器基陣的角度θ1和θ2；從而計算出船舶的坐標；根據(jù)大橋兩側(cè)橋墩到船舶的距離判定船舶是否進入大橋防撞危險局域。本發(fā)明提出的方法測量精度高，裝置安裝簡單方便，成本較低。
【專利說明】
-種基于雙隨機基陣被動定位的大橋防撞方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種海洋領(lǐng)域的水聲信號處理方法，具體設(shè)及一種基于雙隨機基陣被 動定位的大橋防撞方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 跨河跨海大橋的建設(shè)，極大的緩解了路上交通的擁擠。但是大量跨河跨海橋梁的 修建，相當于給水上交通制造了許多障礙物，并且隨著船舶向大型化發(fā)展和船舶通航密度 逐漸增大，導(dǎo)致通航船舶碰撞橋梁事故頻繁發(fā)生，對海上交通造成了極大的威脅?，F(xiàn)階段應(yīng) 用在防撞預(yù)警系統(tǒng)的方法主要有:激光感應(yīng)、雷達定位、視頻監(jiān)控和水聲定位等。
[0003] 水聲目標定位主要分為被動目標定位和主動目標定位，與主動目標定位相比，被 動定位的隱蔽性較好。常用的被動定位方法有傳統(tǒng)的被動定位方法、目標運動定位分析法、 匹配場被動定位方法、多基陣聯(lián)合的純方位被動跟蹤方法等。但上述方法存在一定的不足， 如傳統(tǒng)的被動定位方法，包括=子陣法和球面內(nèi)插法，但其需要預(yù)先知道時延差，存在較大 的誤差；目標運動定位分析法，在實時跟蹤時應(yīng)用困難;匹配場被動定位方法，在信道環(huán)境 復(fù)雜的條件下存在較大的誤差;多基陣聯(lián)合的純方位被動跟蹤方法，其設(shè)備較復(fù)雜，成本較 局等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服目前水聲目標被動定位方法存在的上述缺陷，提出了一種 基于雙隨機基陣被動定位的大橋防撞方法，該方法將兩條隨機換能器基陣安裝在大橋兩側(cè) 的橋墳上，被動接收靠近大橋的通航船舶的福射噪聲，然后利用頻域角度估計方法，對福射 噪聲信號進行處理，進行船舶角度估計，最后根據(jù)雙基陣間距W及與船舶的角度信息，融合 估計出船舶與橋墳的距離，并判斷是否進入危險區(qū)，及時發(fā)出預(yù)警。該方法能實時檢測出船 舶距離橋墳的距離，及時發(fā)出預(yù)警，檢測精度高，并且簡單方便，易于安裝和維護，成本較 低。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種基于雙隨機基陣被動定位的大橋防撞方 法，該方法基于大橋防撞裝置實現(xiàn)，所述裝置包括兩個隨機換能器基陣，分別安裝在大橋兩 側(cè)的橋墳上，用于接收通航船舶的福射噪聲信號;所述方法包括:兩個隨機換能器基陣對接 收到的通航船舶的福射噪聲信號進行預(yù)處理、頻譜分析和帶通濾波，得到船舶福射噪聲的 有用信號;采用寬帶頻域非相干處理方法對船舶福射噪聲的有用信號進行角度估計，得到 船舶相對于兩個隨機換能器基陣的角度和02;從而計算出船舶的坐標(x〇，y〇);根據(jù)大橋 兩側(cè)橋墳到船舶的距離判定船舶是否進入大橋防撞危險局域。
[0006] 上述技術(shù)方案中，所述方法具體包括：
[0007] 步驟1)兩個隨機換能器基陣被動接收通航船舶的福射噪聲信號，對船舶福射噪聲 信號進行功率放大、帶通濾波預(yù)處理；
[000引步驟2)對預(yù)處理之后的船舶福射噪聲信號進行頻譜分析，得到船舶福射噪聲信號 的顯著頻率分布范圍；
[0009] 步驟3)根據(jù)船舶福射噪聲信號的顯著頻率分布范圍，對船舶福射噪聲信號進行帶 通濾波，去除其它頻率的無用噪聲，篩選出船舶福射噪聲的有用信號；
[0010] 步驟4)采用寬帶頻域非相干處理方法，對步驟3)得到的輸出信號進行角度估計， 得到船舶相對于兩個隨機換能器基陣的角度和02;
[ocm]步驟5)根據(jù)兩個角度值01和02,求解船舶的坐標(xo，yo)。
[0012] 步驟6)計算得到船舶距離兩個橋墳的長度：
[0013]
[0014]
[001引其中，（財，71)，（料，72)分別為兩個橋墳的坐標；
[0016] 步驟7)設(shè)定大橋避撞危險局域半徑為D，若ri《D或n《D，則發(fā)出警報信息。
[0017] 上述技術(shù)方案中，所述步驟4)具體包括：
[0018] 步驟401)對步驟3)輸出的數(shù)據(jù)進行時域數(shù)據(jù)分段，分為K個數(shù)據(jù)段，每段數(shù)據(jù)的采 樣點數(shù)為J;對每段數(shù)據(jù)進行J點的FFT變化處理，取K個數(shù)據(jù)段中相同頻率柜的數(shù)據(jù)組成頻 域快拍數(shù)據(jù)，則寬帶信號模型可W用頻域表示為：
[0019] X(fj)=A(fj)S(fj)+N(fj) j = J
[0020] 式中，A(fj)是MXN的導(dǎo)向矢量矩陣，S(fj)為接收信號復(fù)包絡(luò)，N(fj)為無用信號噪 聲，M為陣元個數(shù)，N為信號源個數(shù)，船舶福射噪聲頻段共分為J個頻率柜，f J為第j個頻率柜；
[0021] 步驟402)根據(jù)最大似然估計定理，估計出每個頻率柜上的采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣：
[0022] R(fj)=X(fj)X^(fj)/K
[0023] 步驟403)對協(xié)方差矩陣進行信號到達角度估計處理，估計得到每個頻率柜所對應(yīng) 的角度功率譜：
[0024]
[0025] 其中，a(0)為來波方向為0時，隨機換能器基陣所對應(yīng)的導(dǎo)向矢量；
[0026] 步驟404)對所有頻率柜的角度功率譜進行累加求和，得出寬帶船舶福射噪聲的總 功率譜為：
[0027]
[0028] 步驟405)估計兩個隨機換能器基陣與船舶之間的角度；
[0029] 船舶福射噪聲角度功率譜的尖峰對應(yīng)著船舶相對于第一個隨機換能器基陣的角 度：
[0030]
[0031] 通過上述步驟求解出船舶相對于第二個隨機換能器基陣的角度02。
[0032] 本發(fā)明的優(yōu)勢在于：
[0033] 1、本發(fā)明提出的法可W對通航船舶進行定位，適合于對各類船舶；
[0034] 2、本發(fā)明提出的方法測量精度高，安裝簡單方便，成本較低。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發(fā)明中計算船舶位置的示意圖；
[0036] 圖2a為實例1的基陣1的功率譜圖；
[0037] 圖化為實例1的基陣2的功率譜圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
[0039] 如圖1所示，一種基于雙隨機基陣被動定位的大橋防撞方法；該方法實現(xiàn)的條件 是:在大橋兩側(cè)的橋墳上分別安裝一個隨機換能器基陣;根據(jù)實際工程所需，合理設(shè)計隨機 換能器基陣的參數(shù)，在兩個陣列陣元個數(shù)相同的情況下，與傳統(tǒng)的半波長布陣的均勻線陣 相比，隨機換能器基陣的角度分辨率遠大于均勻陣的角度分辨率;所述方法具體包括：
[0040] 步驟1)兩個隨機換能器基陣被動接收通航船舶的福射噪聲信號，對船舶福射噪聲 信號進行功率放大、帶通濾波等預(yù)處理；
[0041] 步驟2)對預(yù)處理之后的船舶福射噪聲信號進行頻譜分析，得到船舶福射噪聲信號 的顯著頻率分布范圍；
[0042] 采用FFT變換，并采用頻譜檢測方法，檢測出船舶福射噪聲的頻率分布范圍；
[0043] 步驟3)根據(jù)船舶福射噪聲信號的顯著頻率分布范圍，對船舶福射噪聲信號進行帶 通濾波，去除其它頻率的無用噪聲，篩選出船舶福射噪聲的有用信號；
[0044] 步驟4)采用寬帶頻域非相干處理方法，對噪聲信號進行角度估計;具體包括：
[0045] 步驟401)對步驟3)輸出的數(shù)據(jù)進行時域數(shù)據(jù)分段，分為K個數(shù)據(jù)段，每段數(shù)據(jù)的采 樣點數(shù)為J;對每段數(shù)據(jù)進行J點的FFT變化處理，取K個數(shù)據(jù)段中相同頻率柜的數(shù)據(jù)組成頻 域快拍數(shù)據(jù)，則寬帶信號模型可W用頻域表示為：
[0046] X(fj)=A(fj)S(fj)+N(fj) j = J
[0047] 式中，A(fj)是MXN的導(dǎo)向矢量矩陣，S(fj)為接收信號復(fù)包絡(luò)，N(fj)為無用信號噪 聲，M為陣元個數(shù)，N為信號源個數(shù)，船舶福射噪聲頻段共分為J個頻率柜，f J為第j個頻率柜；
[0048] 步驟402)根據(jù)最大似然估計定理，估計出每個頻率柜上的采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣：
[0049] R(fj)=X(fj)X^(fj)/K
[0050] 步驟403)對協(xié)方差矩陣進行信號到達角度估計處理，估計得到每個頻率柜所對應(yīng) 的角度功率譜：
[0化1 ]
[0052] 其中，a(0)為來波方向為0時，隨機換能器基陣所對應(yīng)的導(dǎo)向矢量；
[0053] 步驟404)對所有頻率柜的角度功率譜進行累加求和，得出寬帶船舶福射噪聲的總 功率譜為：
[0化4]
[0055] 步驟405)估計兩個隨機換能器基陣與船舶之間的角度；
[0056] 船舶福射噪聲角度功率譜的尖峰對應(yīng)著船舶相對于第一個隨機換能器基陣的角 度：
[0化7]
[0058] 通過上述步驟求解出船舶相對于第二個隨機換能器基陣的角度02。
[0059] 步驟5)根據(jù)兩個角度值01和02,求解船舶的坐標(xo，yo);
[0060] 如圖1所示，實際橋墳的地理位置在位置規(guī)劃時是已知的，分別為（XI，yi)，（X2， 72);根據(jù)；角形幾何關(guān)系所得，1曰11目1=(7日-71)/(則-義1)，1:曰]1目2=(7日-72)/(則-如，結(jié)合；角 關(guān)系式，可W求得船舶的坐標(XO，yo);
[0061 ] 巧驢6 )結(jié)合橋謝的化理仿置，計貸得到船舶距離兩個橋墳的長度分別為
[0062] 步驟7)設(shè)定大橋避撞危險局域半徑為D，若ri《D或n《D，則會發(fā)出警報，使得船舶 遠離大橋，避免船舶碰撞大橋事故的發(fā)生。
[0063] 實例 1:
[0064] 系統(tǒng)參數(shù)為:兩個隨機換能器基陣的陣元個數(shù)為10個;船舶福射噪聲的頻譜設(shè)為 25曲Z-35曲Z，采樣率為400曲Z，基陣1的坐標為(2,5)米，基陣2的坐標為（10，1)米。
[0065] 由圖2a和圖化可知，兩個基陣對接收的船舶福射噪聲進行處理，得到的角度功率 譜可W檢測出，船舶偏離基陣1的角度為40%偏離基陣2的角度為120%并根據(jù)基陣1和基陣 2的位置聲標可得：
[0066]
[0067]
[0068] 可計算得出船舶的位置坐標為(8.92,10.8)。
[0069] 進而求得船舶距離基陣1的距離
米，船舶距離基陣2 的距離天
。
[0070] 最后，將ri，n與實際的危險半徑進行比較，得出是否需要發(fā)出警報。
【主權(quán)項】
1. 一種基于雙隨機基陣被動定位的大橋防撞方法，該方法基于大橋防撞裝置實現(xiàn)，所 述裝置包括兩個隨機換能器基陣，分別安裝在大橋兩側(cè)的橋墩上，用于接收通航船舶的輻 射噪聲信號;所述方法包括:兩個隨機換能器基陣對接收到的通航船舶的輻射噪聲信號進 行預(yù)處理、頻譜分析和帶通濾波，得到船舶輻射噪聲的有用信號;采用寬帶頻域非相干處理 方法對船舶輻射噪聲的有用信號進行角度估計，得到船舶相對于兩個隨機換能器基陣的角 度Θ#ΡΘ 2;從而計算出船舶的坐標;根據(jù)大橋兩側(cè)橋墩到船舶的距離判定船舶是否進入大橋 防撞危險局域。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙隨機基陣被動定位的大橋防撞方法，其特征在于，所述 方法具體包括： 步驟1)兩個隨機換能器基陣被動接收通航船舶的輻射噪聲信號，對船舶輻射噪聲信號 進行功率放大、帶通濾波預(yù)處理； 步驟2)對預(yù)處理之后的船舶輻射噪聲信號進行頻譜分析，得到船舶輻射噪聲信號的頻 率分布范圍； 步驟3)根據(jù)船舶輻射噪聲信號的頻率分布范圍，對船舶輻射噪聲信號進行帶通濾波， 去除其它頻率的無用噪聲，篩選出船舶輻射噪聲的有用信號； 步驟4)采用寬帶頻域非相干處理方法，對步驟3)得到的噪聲信號進行角度估計，得到 船舶相對于兩個隨機換能器基陣的角度Θ#ΡΘ2; 步驟5)根據(jù)兩個角度值01和02，求解船舶的坐標(XQ，yo); 步驟6)計算得到船舶距離兩個橋墩的長度：其中，（XI，yi)，（ X2，y2)分別為兩個橋墩的坐標； 步驟7)設(shè)定大橋避撞危險局域半徑為D，若ri$DSr2<D，則發(fā)出警報信息。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙隨機基陣被動定位的大橋防撞方法，其特征在于，所述 步驟4)具體包括： 步驟401)對步驟3)輸出的數(shù)據(jù)進行時域數(shù)據(jù)分段，分為K個數(shù)據(jù)段，每段數(shù)據(jù)的采樣點 數(shù)為J;對每段數(shù)據(jù)進行J點的FFT變化處理，取K個數(shù)據(jù)段中相同頻率柜的數(shù)據(jù)組成頻域快 拍數(shù)據(jù)，則寬帶信號模型可以用頻域表示為： X(fj)=A(fj)S(fj)+N(fj)j = l,2,··· ,J 式中，A(fj)是MXN的導(dǎo)向矢量矩陣，S(fj)為接收信號復(fù)包絡(luò)，N(fj)為無用信號噪聲，Μ 為陣元個數(shù)，Ν為信號源個數(shù)，船舶輻射噪聲頻段共分為J個頻率柜，t為第j個頻率柜； 步驟402)根據(jù)最大似然估計定理，估計出每個頻率柜上的采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣： R(fj)=X(fj)XH(fj)/K 步驟403)對協(xié)方差矩陣進行信號到達角度估計處理，估計得到每個頻率柜所對應(yīng)的角 度功率譜：其中，a( Θ)為來波方向為Θ時，隨機換能器基陣所對應(yīng)的導(dǎo)向矢量； 步驟404)對所有頻率柜的角度功率譜進行累加求和，得出寬帶船舶輻射噪聲的總功率 譜為：步驟405)估計兩個隨機換能器基陣與船舶之間的角度； 船舶輻射噪聲角度功率譜的尖峰對應(yīng)著船舶相對于第一個隨機換能器基陣的角度：通過上述步驟求解出船舶相對于第二個隨機換能器基陣的角度θ 2。
【文檔編號】G01S15/18GK105954755SQ201610371527
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】閆路, 許楓, 唐浩, 安旭東, 王夢賓
【申請人】中國科學(xué)院聲學(xué)研究所