用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法技术

本发明专利技术提供的是用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法。第一步是分别将声压以及振速信号进行付利叶变换；第二步是对矢量信号的付利叶变换取共轭；第三步是声压信号的付利叶变换与矢量信号的付利叶变换的宫娥相乘；第四步是取实部或者虚部；第五步是进行正负号判决；第六步是根据第五步的正负号判决给出目标的深度分类。本发明专利技术针对远程目标的被动探测和目标深度判别，特别是目标深度判别的应用目的开展工作。本发明专利技术在海洋综合监测、海岸预警系统、小平台声纳、航空水声浮标等诸方面有重要应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种对水下目标和水上目标的判别的方法，特别是一种利用 浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法。(二)
技术介绍
目标探测一直以来就是声纳技术的重要任务和目的，完成目标探测之后实现 对目标的远程被动测向、测距、测速和目标深度判别具有非常重要的意义。如果 能够区分远程目标是水上目标还是水下目标也具有非常重要的意义，而对于水上 目标和水下目标的识别一直是一个难以解决的问题。针对远程目标的被动测向、 测距、测速和目标深度判别，特别是目标深度判别的应用目的开展单矢量传感器 (或者双矢量传感器，或者水平矢量阵)的应用基础研究。美国Scripps实验室的著名教授W.A.Kuperman认为"海洋波导低频声场干 涉结构及其应用"是近代水声学及水声信号处理的重要研究方向。在其指导下， Scripps实验室及其合作伙伴在该方向展开了一系列研究，主要集中于 垂直阵时间反转镜及垂直阵匹配场方面的研究，应用于水声通信、小目标探测及 定位、混响抑制以及主动式目标识别等方面。Kuperman等仅研究了声压场的低 频干涉结构及应用，同时也只限于常规垂直水听器阵的应用研究。目前，与本专利技术申请有联系的公开报道主要有利用低频声压干涉谱进行目 标运动参数估计.，《哈尔滨工业大学学报(自然科学版)》，2007.09;基于 STFT-Hough变换的目标运动分析，《哈尔滨工程大学学报》，2006.02 (E.I检 索号071910594718);低频矢量声场及其应用研究，《声学技术》，2006. 03 (25) (EI检索号06109746778);基于单矢量水听器的几种方位估计方法，《海洋 工程》，2006.02 (24)等。虽然垂直阵时间反转镜及垂直阵匹配场方面的研究具有非常重要的意义，但 是垂直阵不太适合于安装在运动平台上，在浅海也容易受航船的损坏，而且常规 垂直水听器阵无法测量目标方位。矢量声场干涉结构及应用研究较之单纯关注标 量场的研究有更宽广的内涵，与标量场干涉结构相比较，矢量场干涉结构含有更丰富的声源、环境的信息，因而可以更灵活地应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在海洋综合监测、海岸预警系统、小平台声纳、 航空水声浮标等诸方面有重要应用前景的用浅海低频相干矢量声场干涉结构探 测并判别目标的方法。本专利技术的目的是这样实现的第一步是分别将声压以及振速信号进行付利叶变换；第二步是对矢量信号的 付利叶变换取共轭；第三步是声压信号的付利叶变换与矢量信号的付利叶变换的 宫娥相乘；第四步是取实部或者虚部；第五步是进行正负号判决；第六步是根据 第五步的正负号判决给出目标的深度分类。本专利技术还可以包括1 、所述的分别将声压以及振速信号进行付利叶变换中的声压以及振速由一 个矢量传感器提供。2、 所述的分别将声压以及振速信号进行付利叶变换中的声压以及振速分别 由两个传感器提供，而且是利用的是矢量信号的垂直分量。3、 所述的分别将声压以及振速信号进行付利叶变换中的声压以及振速是声 压信号以及振速信号分别由两个传感器提供，而且是利用矢量信号的水平分量。4、 所述的取实部或者虚部是取乘积的虚部，即无功分量。5、 所述的取实部或者虚部是取乘积的实部，即有功分量。 关于声场干涉结构及其应用的研究如图4.所示。运动平台均辐射100Hz以下的强低频线谱，它们的声场有很强的相干性，因而需要用波动理论分析波导中 点源声场干涉结构。图4中第一个模块就是建模预报或测量声场干涉结构。 一般 说来，干涉结构是复杂的，不便于在工程中直接应用。图4指出，需要采用某种 时、空变换使声场干涉结构携带的信息在变换域上变得简明，或者增强有用的信 息，从而便于工程应用。国外学者用垂直阵匹配场处理或垂直阵时间反转镜处理 作为主要的"时、空变换"方法，而本专利技术将单传感器(或者双传感器)矢量分 析作为主要的时、空变换方法。首先讨论浅海波导的矢量声场干涉结构。最简单的、最典型的浅海模型为 Pekeries模型，如图5所示。平面边界均匀水层的阻抗为户,c,，海底流体阻抗为AC2，点声源位于柱坐标(0,z。)，接收点为(r,z)，海面2 = 0为绝对软界面。 在较远处可仅考虑波导简正波，则接收点的谐和声场声压为! f IT (1) e、 4AZ 7sin(A (z0,&)一A /7 - sin(A^) cos(A,) - ^ t肌(A H) sin2 (A ")其中，A =VW"2 ， 6 = A/P2， & =w/c, (/ = 1,2)，"为简正波的序号，《 为第w阶简正波的本征值。公开文献上仅讨论声压的相干结构，本专利技术的特色是讨论其矢量声场相干结构。得到声强流的垂直分量/，为l=严:广 《"ln '"。，"r "么tv《" 。)x siii(A z) cos(& )F(z。,"){Cos + / sin}=Re{/Z} + _/Im{/Z} =/zfi+//zm单阶简正波在z方向上为驻波，因而其z方向有功分量为零，多阶简正波干涉声强流垂直分量既有无功分量/，，也有有功分量/^。无功分量不进行能量传 输，但含有目标(源)的信息，也有重要的信号处理价值。1垂直复声强无功分量数值分析从矢量信号处理的角度来看，垂直复声强可以被用来检测目标和对目标分 类，这一节将对垂直复声强的无功分量进行数值分析。计算条件点源辐射单频谐和声波，均匀水层的厚度^-100m，声速 c,1480m/s，密度A = 1.0268/0113，海底介质声速￡;2 "550m/s，其密度^ =1.769 g/cm 。根据上述条件和公式(5)，计算出前5阶简正波的截止频率，示于表l。表1浅海水层中前5阶简正波的截止频率<table>table see original document page 6</column></row><table>当声源辐射声波频率37.4Hz〈/〈62.3Hz时，只需考虑两阶简正波，以40Hz 的辐射声波为例，改变声源的深度，当接收矢量传感器分别位于z:89m、 90m、 91m处时，垂直复声强无功分量的计算结果如图6所示，横坐标为声源和接收点 的水平距离，纵坐标为源的深度。白色区域表示无功分量为正值，而黑色区域表 示无功分量为负值。从结果可以看出，当源深度变化时，垂直复声强的无功分量呈有规变化。无 功分量几乎不随水平距离变化，而沿深度方向在40m附近正负号变号。目标不 会沿海底航行，则可以40m为判别界限对目标深度进行分类。2双传感器声压和垂直振速互谱分析当波导中存在三阶简正波时，声场相干结构变得较为复杂，以70Hz的声波 为例，计算垂直复声强无功分量，从图7-a可以看出，此时，用单个矢量传感器 接收声波的计算结果不再如图6那样简单，不可用于双择判决，即不能对目标深 度进行分类。为此采用双传感器声压和垂直振速互谱进行分析。双传感器声压和垂直振速互谱形式上与垂直复声强类似，可以称为"垂直交互复声强"，表示为I'z = P(,,z>:(r,z2)".^^^^^sin(^co氛z,(z。,。,(")x (20){C0S+ysin[("-即用两个传感器分点测量声压和振速的垂直分量，声压本文档来自技高网...

【技术保护点】
用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法，其特征是：第一步是分别将声压以及振速信号进行付利叶变换；第二步是对矢量信号的付利叶变换取共轭；第三步是声压信号的付利叶变换与矢量信号的付利叶变换的宫娥相乘；第四步是取实部或者虚部；第五步是进行正负号判决；第六步是根据第五步的正负号判决给出目标的深度分类。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵安邦，惠俊英，孙国仓，余赟，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]