一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，包括：接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱；利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析获得多途时延估计值；根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值；计算多途时延估计值与不同声源深度下的多途时延模板值的差值，将差值最小的多途时延模板值对应的深度作为目标声源深度估计值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法
本专利技术属于水声探测、声呐
，具体涉及一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法。
技术介绍
深海目标的深度估计是近些年水声研究的热点及难点问题之一。现有深度估计方法有匹配场方法、基于多途到达时延或干涉条纹的定深方法。匹配场处理方法对海洋环境参数以及阵列倾斜等参数敏感，对于深海环境，搜索范围大，计算量大，耗时长，且系统配置需为与海深可比的大孔径阵列，在深海条件下适用性差。在深海直达声区域，由近海面目标传播至大深度接收点的直达波与海面反射波受水体和海底底质特性影响小，传播损失小，信号稳定，这两类波的到达时延随着声源深度的增大而增大，这为利用声场中的多途时延、宽带干涉特征实现声源深度估计提供了一个重要技术途径。公布号为CN109444864A和CN108562891A的中国专利涉及利用垂直阵波束输出在频率和到达角二维空间的干涉特征匹配深海目标深度估计方法，该方法样需要布放于海底的垂直线列阵以获得波束输出功率及目标到达角。基于深海劳埃德镜干涉现象的定深方法参见参考文献：“Performancemetricsfordepth-basedsignalseparationusingdeepverticallinearrays”，该文于2016年1月发表在《J.Acoust.Soc.Am.》第139期，起始页码为418，该方法忽略水中声速的变化，利用垂直阵检测来波方向的窄带能量随到达角变化的干涉周期实现目标深度估计，该方法需要布放于海底的垂直阵和对目标的长时间跟踪，且仅适用于直达声区域的近水平距离部分。公布号为CN111580048A的中国专利涉及一种单矢量水听器的宽带声源深度估计方法，该方法忽略了海水声速剖面的影响，深度估计误差会随着收发距离的增大而增大，同样仅适用于直达声区域的近水平距离部分。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述技术缺陷，提出一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，以解决现有深海环境下声源深度估计需要垂直线列阵、计算量大、仅适用于直达声区近水平距离等问题。本专利技术利用下述性质解决了传统方法需要垂直线列阵和计算量大的问题：由单矢量水听器获取的垂直声能流和水平声能流比值直接估计目标到达角，从而无需借助垂直线列阵的方位谱估计获得，大幅度降低了计算量和系统配置要求；另一方面，只需计算单一估计到达角下不同假设声源深度对应的多途时延或频域干涉周期模板值，而不需计算整个距离和深度二维空间的仿真声场，降低了系统计算量。为实现上述目的，本专利技术提出了一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，通过将单矢量水听器布放在深海大深度位置实现，所述方法包括：接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱；利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得多途时延估计值；根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值；计算多途时延估计值与不同声源深度下的多途时延模板值的差值，将差值最小的多途时延模板值对应的深度作为目标声源深度估计值。作为上述方法的一种改进，所述接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱，具体包括：采集近海面宽带目标声源发出的声压时域信号p(t)和三分量质点振速时域信号vx(t)、vy(t)和vz(t)，其中，t为时间，x、y和z为单矢量水听器内部定义的互相垂直的三个方向，z方向垂直于海平面；信号单次采集长度为1s-10s，信号的采样率为fs，取值范围100Hz-10kHz；利用快速傅里叶变换对声压时域信号p(t)和三分量质点振速时域信号vx(t)、vy(t)和vz(t)进行处理，得到频点fi处的声压信号频谱P(fi)、x方向质点振速信号频谱Vx(fi)、y方向质点振速信号频谱Vy(fi)和z方向质点振速信号频谱Vz(fi)，i＝1,2,…L；f1和fL为选用频率范围的上下界；L为频点的个数；利用下式计算得到x、y和z方向上的声能流Ix、Iy和Iz：式中上标*表示复共轭算符，符号表示取数据实部；利用下式获得频点fi处去均值后的声场强度谱I1(fi)：作为上述方法的一种改进，利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值估计出目标到达角；具体包括：由x方向和y方向的声能流，计算目标方位角由x方向、y方向的声能流及目标方位角，合成水平声能流Ir：由水平声能流Ir和z方向声能流，计算目标到达角其中，目标到达角取值范围为0-90度。作为上述方法的一种改进，所述利用谱分析方法对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得多途时延估计值；具体包括：对去均值后的声场强度谱I1(fi)沿频率轴进行谱分析，获得到达时延谱Q1(τj)，τj为到达时延，谱分析采用快速傅里叶变换或多重分类算法；到达时延谱Q1(τj)的最大值对应的时延为直达波和海面反射波的到达时延估计值作为上述方法的一种改进，所述根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值；计算多途时延估计值与不同声源深度下的多途时延模板值的差值，将差值最小的多途时延模板值对应的深度作为目标声源深度估计值；具体包括：根据目标到达角估计值结合声速剖面c(z)计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值τmod(zs)，目标声源深度zs范围设定为1-400m，深度间隔设置为1m；多途时延模板值τmod(zs)为：用求和替代积分，得到：其中，积分间隔Δz取值应小于0.1，求和点数n＝zs/Δz；其中，1-400m深度位置z处的声速c(z)通过实时测量或者查询数据库获得，单矢量水听器的深度位置zr处的声速c(zr)通过查询数据库或由海水声速经验公式计算得到；定义深度估计代价函数E(zs)：代价函数最大值对应的深度为目标声源深度估计值本专利技术提供了一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，通过将单矢量水听器布放在深海大深度位置实现，所述方法包括：接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱；利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得频率干涉周期估计值；根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的频域干涉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，通过将单矢量水听器布放在深海大深度位置实现，所述方法包括：/n接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱；/n利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；/n利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得多途时延估计值；/n根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值；计算多途时延估计值与不同声源深度下的多途时延模板值的差值，将差值最小的多途时延模板值对应的深度作为目标声源深度估计值。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，通过将单矢量水听器布放在深海大深度位置实现，所述方法包括：
接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱；
利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；
利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得多途时延估计值；
根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值；计算多途时延估计值与不同声源深度下的多途时延模板值的差值，将差值最小的多途时延模板值对应的深度作为目标声源深度估计值。


2.根据权利要求1所述的基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，其特征在于，所述接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱，具体包括：
采集近海面宽带目标声源发出的声压时域信号p(t)和三分量质点振速时域信号vx(t)、vy(t)和vz(t)，其中，t为时间，x、y和z为单矢量水听器内部定义的互相垂直的三个方向，z方向垂直于海平面；信号单次采集长度为1s-10s，信号的采样率为fs，取值范围100Hz-10kHz；
利用快速傅里叶变换对声压时域信号p(t)和三分量质点振速时域信号vx(t)、vy(t)和vz(t)进行处理，得到频点fi处的声压信号频谱P(fi)、x方向质点振速信号频谱Vx(fi)、y方向质点振速信号频谱Vy(fi)和z方向质点振速信号频谱Vz(fi)，i＝1,2,…L；f1和fL为选用频率范围的上下界；L为频点的个数；
利用下式计算得到x、y和z方向上的声能流Ix、Iy和Iz：









式中上标*表示复共轭算符，符号表示取数据实部；
利用下式获得频点fi处去均值后的声场强度谱I1(fi)：





3.根据权利要求2所述的基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，其特征在于，利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值估计出目标到达角；具体包括：
由x方向和y方向的声能流，计算目标方位角



由x方向、y方向的声能流及目标方位角，合成水平声能流Ir：



由水平声能流Ir和z方向声能流，计算目标到达角



其中，目标到达角取值范围为0-90度。


4.根据权利要求3所述的基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，其特征在于，所述利用谱分析方法对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得多途时延估计值；具体包括：
对去均值后的声场强度谱I1(fi)沿频率轴进行谱分析，获得到达时延谱Q1(τj)，τj为到达时延，谱分析采用快速傅里叶变换或多重分类算法；
到达时延谱Q1(τj)的最大值对应的时延为直达波和海面反射波的到达时延估计值


5.根据权利要求4所述的基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，其特征在于，所述根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值；计算多途时延估计值与不同声源深度下的多途时延模板值的差值，将差值最小的多途时延模板值对应的深度作为目标声源深度估计值；具体包括：
根据目标到达角估计值结合声速剖面c(z)计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值τmod(zs)，目标声源深度zs范围设定为1-400m，深度间隔设置为1m；
多途时延模板值τmod(zs)为：



用求和替代积分，得到：



其中，积分间隔Δz取值应小于0.1，求和点数n＝zs/Δz；
其中，1-400m深度位置z处的声速c(z)通过实时测量或者查询数据库获得，单矢量水听器的深度位置zr处的声速c(zr)通过查询数据库或由海水声速经验公式计算得到；
定义深度估计代价函数E(zs)：



代价函数最大值对应的深度为目标声源深度估计值


6.一种基于多途特...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚聿波，周士弘，杜淑媛，江磊，梁玉权，刘昌鹏，
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