一种基于波数谱能量累积分布的目标深度辨识方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于波数谱能量累积分布的目标深度辨识方法及系统，该方法包括：以水平拖线阵搭载的水面平台辐射噪声为参考源，采用模态域波束形成方法得到水面平台辐射噪声的模态波数谱；依次进行归一化处理、统计处理和计算，得到水面平台辐射噪声在波数谱1/3处的能量累积值，并作为判决基准；采用模态域波束形成方法得到深度待判决目标的模态波数谱；依次进行归一化处理、统计处理及计算，得到深度待判决目标在波数谱1/3处的能量累积值，并与判决基准比较，得到比较结果；依据比较结果对待判决目标的深度进行辨识，得到判决结果。本发明专利技术克服了深度匹配估计技术的不足，减少了海洋环境参数失配和声场模型失配对深度估计效果的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于波数谱能量累积分布的目标深度辨识方法及系统
本专利技术涉及声纳信号处理领域，尤其涉及一种基于波数谱能量累积分布的目标深度辨识方法及系统。
技术介绍
水中目标深度辨识是现代声纳系统的一个重要组成部分，是声纳系统后置数据处理的一个重要环节，尤其是对于水声对抗系统。由于单独依赖信号时频特征进行目标辨识的方法难以满足使用需求，迫切需要寻求新的途径加以解决从拾取声压数据中辨识目标深度问题。为了能够实现对水中目标深度有效辨识，有关学者提出采用匹配场处理方法实现对目标进行深度估计。这种方法充分简正波的模态分布，利用垂直阵实现深度上的采样，并采用简正波声传播模型计算拷贝场向量，然后将拷贝场与测量场进行匹配实现对目标深度估计，但是该方法面临计算量大、耗时长、受环境参数影响较大等问题。为了解决匹配场定位方法受环境参数影响较大等问题，有关学者提出一种基于双引导声源和warping变换的拷贝声场计算方法，该方法首先从垂直接收阵接收到的引导声源声场获取简正波本征函数，然后再从声场衰减信息和声场相位信息两个方向重构拷贝声场，并与目标声源的真实声场进行匹配实现目标定位，显著降低了环境参数对匹配声场的影响。但是该方法对引导声源有一定要求，实际应用存在一定难度，同时需要基于垂直阵实现对简正波模态深度采样。为了避免利用垂直阵解决目标深度辨识问题，有关学者陆续提出利用声强流的无功分量符号变化对浅海目标深度进行辨识，但是其临界深度过大，不宜进行深度辨识；后续又提出通过对目标频散特征提取、模态域处理等方式实现目标深度辨识，但该类方法据对海洋参数信息均有一定要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于波数谱能量累积分布的目标深度辨识方法，还提出了一种基于波数谱能量累积分布的目标深度辨识系统。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种基于波数谱能量累积分布的目标深度辨识方法，所述方法包括：以水平拖线阵搭载的水面平台辐射噪声作为参考源，采用模态域波束形成方法得到水面平台辐射噪声的模态波数谱；对水面平台辐射噪声的模态波数谱依次进行归一化处理和统计处理，得到水面平台辐射噪声的模态波数谱能量累积分布，由此计算得到水面平台辐射噪声在波数谱1/3处的能量累积值，并作为判决基准；采用模态域波束形成方法得到深度待判决目标的模态波数谱；对深度待判决目标的模态波数谱依次进行归一化处理和统计处理，得到深度待判决目标的模态波数谱能量累积分布，并由此计算得到深度待判决目标在波数谱1/3处的能量累积值；将深度待判决目标在波数谱1/3处的能量累积值与判决基准进行比较，得到比较结果；依据比较结果对待判决目标的深度进行辨识，得到判决结果。作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：步骤1)根据应用水域深度H，声速分布c，处理数据频带f，水平拖线阵孔径计L，计算得到模态波数k对应的上限kmax和下限kmin：其中，M为模态总数，为向下取整运算符；步骤2)采用模态域波束形成方法得到水面平台辐射噪声的模态波数谱P(k)：其中，Xn(f)为水平拖线阵第n阵元拾取数据，N为阵元数，d为相邻阵元间距，θ0为水面平台相对水平拖线阵方位角，kspace＝-0.0001为波数滑动步长；步骤3)对水面平台辐射噪声的模态波数谱P(k)进行归一化处理，得到水面平台辐射噪声的幅度归一化模态波数谱其中，Pmax＝max(|P(k)|)为模态波数谱最大值，max(·)为最大值求取运算符，·为绝对值求取运算符；步骤4)统计的模态波数谱能量累积分布步骤5)计算在波数谱1/3处的能量累积值步骤6)采用模态域波束形成方法得到深度待判目标的模态波数谱Ps(k)：其中，θs为深度待判目标相对水平拖线阵方位角；步骤7)对深度待判目标的模态波数谱Ps(k)进行归一化处理，得到深度待判目标的幅度归一化模态波数谱其中，Ps,max＝max(|Ps(k)|)；步骤8)统计的能量累积分布步骤9)计算在波数谱1/3处的能量累积值步骤10)以为判决基准，将与判决基准进行比较，得到待判决目标深度的判决结果：当时，目标为水下目标；否则，目标为水面目标；从而实现对待判决目标的深度辨识。一种基于波数谱能量累积分布的目标深度辨识系统，其特征在于，所述系统包括：辐射噪声模态波数谱生成模块、辐射噪声能量累积值生成模块、待判决目标模态波数谱生成模块、待判决目标能量累积值生成模块和目标深度辨识模块；其中，所述辐射噪声模态波数谱生成模块，用于以水平拖线阵搭载的水面平台辐射噪声作为参考源，采用模态域波束形成方法得到水面平台辐射噪声的模态波数谱；所述辐射噪声能量累积值生成模块，用于对水面平台辐射噪声的模态波数谱依次进行归一化处理和统计处理，得到水面平台辐射噪声的模态波数谱能量累积分布，由此计算得到水面平台辐射噪声在波数谱1/3处的能量累积值，并作为判决基准；所述待判决目标模态波数谱生成模块，用于采用模态域波束形成方法得到深度待判决目标的模态波数谱；所述待判决目标能量累积值生成模块，用于对深度待判决目标的模态波数谱依次进行归一化处理和统计处理，得到深度待判决目标的模态波数谱能量累积分布，并由此计算得到深度待判决目标在波数谱1/3处的能量累积值；所述目标深度辨识模块，用于将深度待判决目标在波数谱1/3处的能量累积值与判决基准进行比较，得到比较结果，依据比较结果对待判决目标的深度进行辨识，得到判决结果。作为上述系统的一种改进，所述辐射噪声模态波数谱生成模块的具体实现过程为：根据应用水域深度H，声速分布c，处理数据频带f，水平拖线阵孔径计L，计算得到模态波数k对应的上限kmax和下限kmin：其中，M为模态总数，为向下取整运算符；采用模态域波束形成方法得到水面平台辐射噪声的模态波数谱P(k)：其中，Xn(f)为水平拖线阵第n阵元拾取数据，N为阵元数，d为相邻阵元间距，θ0为水面平台相对水平拖线阵方位角，kspace＝-0.0001为波数滑动步长。作为上述系统的一种改进，所述辐射噪声能量累积值生成模块的具体实现过程为：对水面平台辐射噪声的模态波数谱P(k)进行归一化处理，得到幅度归一化模态波数谱其中，Pmax＝max(|P(k)|)为波数谱最大值，max(·)为最大值求取运算符，·为绝对值求取运算符；统计的模态波数谱能量累积分布计算在波数谱1/3处的能量累积值作为上述系统的一种改进，所述待判决目标模态波数谱生成模块的具体实现过程为：采用模态域波束形成方法得到深度待判目标模态波数谱Ps(k)：其中，θs为深度待判目标相对水平拖线阵方位角。作为上述系统的一种改进，所述待判决目标能量累积值生成模块的具体实现过程为：对深度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于波数谱能量累积分布的目标深度辨识方法，所述方法包括：/n以水平拖线阵搭载的水面平台辐射噪声作为参考源，采用模态域波束形成方法得到水面平台辐射噪声的模态波数谱；/n对水面平台辐射噪声的模态波数谱依次进行归一化处理和统计处理，得到水面平台辐射噪声的模态波数谱能量累积分布，由此计算得到水面平台辐射噪声在波数谱1/3处的能量累积值，并作为判决基准；/n采用模态域波束形成方法得到深度待判决目标的模态波数谱；/n对深度待判决目标的模态波数谱依次进行归一化处理和统计处理，得到深度待判决目标的模态波数谱能量累积分布，并由此计算得到深度待判决目标在波数谱1/3处的能量累积值；/n将深度待判决目标在波数谱1/3处的能量累积值与判决基准进行比较，得到比较结果；/n依据比较结果对待判决目标的深度进行辨识，得到判决结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于波数谱能量累积分布的目标深度辨识方法，所述方法包括：
以水平拖线阵搭载的水面平台辐射噪声作为参考源，采用模态域波束形成方法得到水面平台辐射噪声的模态波数谱；
对水面平台辐射噪声的模态波数谱依次进行归一化处理和统计处理，得到水面平台辐射噪声的模态波数谱能量累积分布，由此计算得到水面平台辐射噪声在波数谱1/3处的能量累积值，并作为判决基准；
采用模态域波束形成方法得到深度待判决目标的模态波数谱；
对深度待判决目标的模态波数谱依次进行归一化处理和统计处理，得到深度待判决目标的模态波数谱能量累积分布，并由此计算得到深度待判决目标在波数谱1/3处的能量累积值；
将深度待判决目标在波数谱1/3处的能量累积值与判决基准进行比较，得到比较结果；
依据比较结果对待判决目标的深度进行辨识，得到判决结果。


2.根据权利要求1所述的基于波数谱能量累积分布的目标深度辨识方法，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1)根据应用水域深度H，声速分布c，处理数据频带f，水平拖线阵孔径计L，计算得到模态波数k对应的上限kmax和下限kmin：



其中，M为模态总数，为向下取整运算符；
步骤2)采用模态域波束形成方法得到水面平台辐射噪声的模态波数谱P(k)：



其中，Xn(f)为水平拖线阵第n阵元拾取数据，N为阵元数，d为相邻阵元间距，θ0为水面平台相对水平拖线阵方位角，kspace＝-0.0001为波数滑动步长；
步骤3)对水面平台辐射噪声的模态波数谱P(k)进行归一化处理，得到水面平台辐射噪声的幅度归一化模态波数谱



其中，Pmax＝max(|P(k)|)为模态波数谱最大值，max(·)为最大值求取运算符，|·|为绝对值求取运算符；
步骤4)统计的模态波数谱能量累积分布



步骤5)计算在波数谱1/3处的能量累积值



步骤6)采用模态域波束形成方法得到深度待判目标的模态波数谱Ps(k)：



其中，θs为深度待判目标相对水平拖线阵方位角；
步骤7)对深度待判目标的模态波数谱Ps(k)进行归一化处理，得到深度待判目标的幅度归一化模态波数谱



其中，Ps,max＝max(|Ps(k)|)；
步骤8)统计的能量累积分布



步骤9)计算在波数谱1/3处的能量累积值



步骤10)以为判决基准，将与判决基准进行比较，得到待判决目标深度的判决结果：当时，目标为水下目标；否则，目标为水面目标；从而实现对待判决目标的深度辨识。


3.一种基于波数谱能量累积分布的目标深度辨识系统，其特征在于，所述系统包括：辐射噪声模态波数谱生成模块、辐射噪声能量累积值生成模块、待判决目标模态波数谱生成模块、待判决目标能量累积值生成模块和目标深度辨识模块；其中，
所述辐射噪声模态波数谱生成模块，用于以水平拖线阵搭载的水面平台辐射噪声作为参考源，采用模态域波束形成方法得到水面平台辐射噪声的模态波数谱；
所述辐射噪声能量累积值生成模...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑恩明，陈新华，李嶷，杨鹤，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11