一种深海低信噪比条件下声源深度自主实时跟踪方法技术

本发明专利技术涉及一种深海低信噪比条件下声源深度自主实时跟踪方法，首先中对声速剖面进行了分段线性近似处理，得到信号在垂直阵上的到达角信息，利用该信息在获得了信号自相关函数，其中包含声源深度信息；利用低运算量的若干方程获得了自相关函数的每个时延坐标所对应的声源深度，从而将自相关函数变换为以假设声源深度为自变量的函数，称为深度相关函数；最后将平滑滤波器应用于深度相关函数的时间序列，削弱背景噪声，提取信号的相关峰，跟踪声源深度。与传统基于射线模型的声源深度估计方法相比，计算量得到大幅度降低；用很小的计算量和存储代价便获得了时间累积增益，提高了低信噪比下本发明专利技术的稳健性。

A deep autonomous real-time tracking method for deep source in low SNR condition

The present invention relates to an autonomous real-time sound source depth tracking method under the condition of low signal-to-noise ratio (SNR) in the deep sea. Firstly, a piecewise linear approximation of sound velocity profile is carried out to obtain the angle of arrival (AOA) information of the signal on the vertical array. Some equations obtain the depth of the source corresponding to each delay coordinate of the autocorrelation function, and then transform the autocorrelation function into a function which assumes the depth of the source as an independent variable, called the depth correlation function. Finally, the smoothing filter is applied to the time series of the depth correlation function to weaken the background noise and extract the signal. Correlation peaks are used to track the depth of sound source. Compared with the traditional ray-based depth estimation method, the calculation amount is greatly reduced, and the time accumulation gain is obtained with very small computation amount and storage cost, thus improving the robustness of the invention under low signal-to-noise ratio.

【技术实现步骤摘要】
一种深海低信噪比条件下声源深度自主实时跟踪方法
本专利技术属于水声工程、海洋工程和声纳技术等领域，涉及一种深海低信噪比条件下声源深度自主实时跟踪方法，是一种在深海大深度接收环境中，低信噪比条件下，实现声源深度自主实时跟踪的方法，适用于深海环境中低声源级宽带运动声源深度的自主跟踪。
技术介绍
深海环境中，深海等温层的声速随着深度的增加而增加，至临界深度(典型值为4500m-5500m)，声速与海表面附近的最大声速相同。近海面声源至临界深度以下水听器之间的直达波(和海面反射波)被称为可靠声路径。广义上讲，当不存在临界深度但海深较深时(>2000m)，近海底水听器也可接收到中等距离近海面声源的直达波信号，也可称为可靠声路径，但这种条件下的低频海洋环境噪声级会增加。可靠声路径由于其传播损失低，近海面覆盖范围广且不存在盲区(5倍的海深以内)，将潜标布放在近海底附近，用于水下声源探测，具有重要的军事应用价值。由于这种潜标是无人值守的，声源检测、距离估计和深度估计法均需要自主完成。声源检测和距离估计可以通过同步垂直阵的方位估计结合射线理论自主完成，而声源深度的自主估计难度较大。近海面声源的直达波和海面反射波的时延差随声源深度增加而增加。例如在近距离处，水下50m和5m声源时延差相差近10倍。因此，通过时延差是估计声源深度的一个重要途径。对于信号形式未知的宽带信号，自相关函数会在时延差位置形成峰值(称为时延峰)，从而获得两种路径的时延差。但是，在低信噪比环境下，一次自相关函数的时延峰的幅度和噪声峰值的幅度相差不大甚至更低，因此需要利用时间累积增益。通过滤波方法，以每一个时刻的自相关函数为一次观测，是利用时间累积增益实现时延差估计的一类优化算法。常用的有卡尔曼滤波类方法和粒子滤波类方法。基于粒子滤波的方法参见“Particlefilteringforarrivaltimetrackinginspaceandsourcelocalization”，该文2012年11月发表在《TheJournaloftheAcousticSocietyofAmerican》第132期，起始页码为3041。但这些滤波类方法需要建立声源运动状态方程，并且对噪声协方差矩阵、观测误差协方差矩阵等参数的选取均比较敏感，往往需要人工调整参数来保证算法的性能。此外，这一类方法的运算量大，硬件实现后导致系统功耗、存储需求过高，无法应用于长期无人值守的低功耗潜标系统。因此，目前仍缺少可应用于大深度接收环境的声源深度自主实时跟踪方法。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种深海低信噪比条件下声源深度自主实时跟踪方法，克服在实际低信噪比环境下，现有基于时间累积效应的声源深度跟踪算法无法自主工作的缺点。技术方案一种深海低信噪比条件下声源深度自主实时跟踪方法，其特征在于：接收同步垂直阵列布放在近海底，辐射宽带信号的声源与垂直阵的水平距离小于35km；实时跟踪步骤如下：步骤1：令c(z)为本地的声速剖面，z表示深度；将声速剖面0-300m，均匀分割为I层，每层下界面的深度为zb,i，i＝1，2，…，I；其中i为从上往下声速层的编号；定义zb,0为海面的深度，设置为0m；利用下式计算每一个声速层的线性回归系数：利用下式计算每一个声速层的参考声速：设定近海面声速平均值c0为近海面任意选取的一个深度范围内声速的平均值，c(zr)为接收阵中心位置的声速；步骤2：垂直阵采集长度为1s-10s的信号，信号的采样率为fs，取值范围1kHz-100kHz；对每一个阵元采集的信号进行傅里叶变换，得到第m个阵元处频点fl处的频谱xm(fl)，l＝1,2,…L；f1和fL为宽带波束形成所选用频率范围的上下界，频点fl处的信号向量为x(fl)＝[x1(fl),x2(fl),…xM(fl)]T，上标T表示转置；利用下式计算频点fl处的信号协方差矩阵Rx(f)：Rx(fl)＝x(fl)xH(fl)其中x(f)为垂直阵接收到的数据向量，上标H表示共轭转置；利用公式计算宽带方位谱：记录P(θ)最大值对应的方向θmax；所述其中zm为第m个阵元的深度；步骤3：利用下式构造频点fl处的空域滤波器利用下式估计直达波和海面反射波叠加的波形y(t)其中，为逆傅里叶变换算子；然后利用以下自相关处理方法估计接收信号的自相关函数：其中，T为空域滤波后输出信号的长度，τ为时延坐标；由于信号的采样率为fs，则τ的分辨率为1/fs；记离散的时延坐标值为{τp}，p＝1,2,….；步骤4：设置初始条件：i＝1，参数γ0＝0，与时延坐标集合{τp}对应的声源深度集合设置为{zs(τp)}＝NaN，其中NaN表示无效值；步骤5：利用下式计算参考出射角θref,i依次计算下列公式，得到参数κi，ai，bi，ξi：ai＝2qiκi+2cscθref,ibi＝4piκic0步骤6：利用下式计算每个时延坐标值τp对应的声源深度当时延坐标τp满足zs,i(τp)≥zb,i-1，则对应的声源深度集合更新为zs(τp)＝zs,i(τp).若i为最后一个声速层，进入下一步骤；否则，计算下式同时，令i＝i+1，返回至步骤5，在下一个声速层中计算声源深度；步骤7：将接收信号的自相关函数利用下式表示为深度相关函数E(zs)＝C(τ(zs)),其中τ(zs)是zs(τ)的反函数，直接由声源深度集合{zs(τp)}给出；步骤8：每隔5s～30s，重复步骤2至步骤7，得到深度相关函数序列{E1(zs),…,Ek(zs),…,EQ(zs)}，其中，Q为平滑窗的长度，取值范围为1-50，E1(zs)为起始时刻的深度相关函数，Ek(zs)为k时刻的深度相关函数；利用下式计算过去Q个深度相关函数的平均值函数：则Q时刻的声源深度估计值为平均值函数最小值点对应的深度，即步骤9：每隔5s-30s，获得一个新的深度相关函数，将其加入函数序列，并将该序列中时刻最早的深度相关函数剔除，此时的序列更新为{Ek-Q+1(zs),…,Ek(zs)}，k为当前时刻；根据步骤8的公式计算该时刻序列的平均值函数，然后估计声源深度zs,k；依次类推，得到实时的声源深度序列{zs,Q,…,zs,k,…,zs,K}，K为总的观测时长。所述接收同步垂直阵在近海底为深度2000-6000m。所述声源深度范围小于1000m。所述接收同步垂直阵阵元数为M，取值范围为8-128，阵元编号从浅到深依次增加。有益效果本专利技术提出的一种深海低信噪比条件下声源深度自主实时跟踪方法，该方法的系统配置为同步垂直阵。本专利技术首先将阵列布放在深海大深度位置，在某一时刻检测到声源信号，接收声源辐射的宽带信号，计算接收信号到达角；之后利用空域滤波获得该方向波束内的信号，并求得信号的自相关函数；将自相关函数的时延自变量表示为声源深度的函数，则原自相关函数转换为以声源深度为因变量的复合函数，称为深度相关函数；将当前时刻的深度相关函数作为平滑滤波器的输入，则输出为过去一段时间长度内深度相关函数的平均值函数；深度相关函数的背景噪声由于具有随机性而无法累加，而真实声源深度附近的峰值会在该平均值函数内累积，其对应的深度值即为该时刻估计的声源深度；下一时刻的深度相关函数进入平滑滤波器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深海低信噪比条件下声源深度自主实时跟踪方法，其特征在于：接收同步垂直阵列布放在近海底，辐射宽带信号的声源与垂直阵的水平距离小于35km；实时跟踪步骤如下：步骤1：令c(z)为本地的声速剖面，z表示深度；将声速剖面0‑300m，均匀分割为I层，每层下界面的深度为zb,i，i＝1，2，…，I；其中i为从上往下声速层的编号；定义zb,0为海面的深度，设置为0m；利用下式计算每一个声速层的线性回归系数：

【技术特征摘要】
1.一种深海低信噪比条件下声源深度自主实时跟踪方法，其特征在于：接收同步垂直阵列布放在近海底，辐射宽带信号的声源与垂直阵的水平距离小于35km；实时跟踪步骤如下：步骤1：令c(z)为本地的声速剖面，z表示深度；将声速剖面0-300m，均匀分割为I层，每层下界面的深度为zb,i，i＝1，2，…，I；其中i为从上往下声速层的编号；定义zb,0为海面的深度，设置为0m；利用下式计算每一个声速层的线性回归系数：利用下式计算每一个声速层的参考声速：设定近海面声速平均值c0为近海面任意选取的一个深度范围内声速的平均值，c(zr)为接收阵中心位置的声速；步骤2：垂直阵采集长度为1s-10s的信号，信号的采样率为fs，取值范围1kHz-100kHz；对每一个阵元采集的信号进行傅里叶变换，得到第m个阵元处频点fl处的频谱xm(fl)，l＝1,2,…L；f1和fL为宽带波束形成所选用频率范围的上下界，频点fl处的信号向量为x(fl)＝[x1(fl),x2(fl),…xM(fl)]T，上标T表示转置；利用下式计算频点fl处的信号协方差矩阵Rx(f)：Rx(fl)＝x(fl)xH(fl)其中x(f)为垂直阵接收到的数据向量，上标H表示共轭转置；利用公式计算宽带方位谱：记录P(θ)最大值对应的方向θmax；所述其中zm为第m个阵元的深度；步骤3：利用下式构造频点fl处的空域滤波器利用下式估计直达波和海面反射波叠加的波形y(t)其中，为逆傅里叶变换算子；然后利用以下自相关处理方法估计接收信号的自相关函数：其中，T为空域滤波后输出信号的长度，τ为时延坐标；由于信号的采样率为fs，则τ的分辨率为1/fs；记离散的时延坐标值为{τp}，p＝1,2,….；步骤4：设置初始条件：i＝1，参数γ0＝0，与时延坐标集合{τp}对应的声源深度集合设置为{zs(τp)}＝NaN，其中NaN表示无效值；步骤5：利用下式计算参考出射角θref,i依...

【专利技术属性】
技术研发人员：段睿，杨坤德，郝望，李辉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61