线性差频匹配场处理水中目标声学被动定位方法、介质技术

本发明专利技术属于水中目标探测技术领域，公开了一种线性差频匹配场处理水中目标声学被动定位方法、介质，包括垂直阵各阵元信号预处理、搜索网格划分与拷贝场计算(包括实测环境参数输入)、高阶互谱处理、代价函数与目标声源距离估计、目标声源深度估计。本发明专利技术有效的解决常规匹配场处理目标距离估计的多值问题；进而利用距离估计值和简正波的完备性条件，实现目标声源深度估计；由于相邻频率简正波对应的模态射线传播路径基本相同，利用相邻频率互谱处理，抑制或削弱环境起伏的影响，相比于传统匹配场定位方法，线性差频匹配场方法增加了对环境起伏的宽容性，提高了水中目标定位的稳定性；有效减少拷贝场计算量，提高定位方法的计算效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
线性差频匹配场处理水中目标声学被动定位方法、介质


[0001]本专利技术属于水中目标探测
，尤其涉及一种线性差频匹配场处理水中目标声学被动定位方法、介质。

技术介绍

[0002]目前：水下目标被动声学定位相较于主动定位具有更强的安全性与隐蔽性，目前已在水声对抗和目标探测定位中广泛应用，其主要手段之一是匹配场处理(Matched Field Processing，MFP)技术。
[0003]匹配场处理是一种利用海洋信道中传播的声信号的整体结构进行处理的阵列处理算法，充分利用声信号的多途传播特点。顾名思义，匹配场处理需要在搜索空间中划分网格，每个网格点都作为“候选目标位置”，然后利用海洋环境信息结合声传播模型来计算拷贝场向量(“候选目标位置”到水听器阵列的格林函数)，并与水听器阵列实际测量数据进行“匹配”，吻合程度最好的“候选目标位置”即为实际目标位置的估计值。在海洋声学应用中，当用于计算拷贝场的环境模型与实际海洋环境较为吻合时，MFP定位准确；相反，当拷贝场环境模型与实际海洋环境相差较大时，就会出现环境失配问题，这是定位误差较大，甚至出现错误。另外网格划分(水平步长和深度步长)的疏密程度是制约拷贝场计算量和定位精度的关键因素，高定位精度需要细分网格，计算量大；粗分网格，计算量小，定位精度受限。
[0004]自上世纪70年代开始，国内外学者开展了大量关于匹配场目标定位方法的研究：匹配场、匹配模、匹配波束等。声源水平距离估计大都基于匹配声场的相位来实现，然而对于高频声场，由于受环境起伏影响较大，定位准确性受到环境起伏变化及失配的影响；对于低频声场，远场有效传播途径(简正波模态)较少，模糊度平面分辨率差，特别是窄带目标声源定位问题，即使海洋环境完全已知，也会存在严重的旁瓣或者周期解问题。
[0005]本世纪初，国内外相关学者提出了自适应和源空间压缩匹配场处理算法，在保证计算精度的前提下，有效的减少了接收系统的复杂度，利用较少的声场接收信息，可以取得较高精度的声源定位结果，有效的抑制了旁瓣问题，但周期解问题依然没有解决。
[0006]Dowling团队最近提出了浅海信道中利用高频宽带信号差频匹配场处理技术估计声源的位置信息。该算法对高频信号相邻频率做互谱处理获得差频声场信息；然后利用频率差(低频)计算拷贝场，通过拷贝场和差频声场匹配来实现目标定位。有效的解决了高频拷贝场计算量大和高频信号受环境起伏影响大的问题。但该方法同样解决不了周期解问题，并且该方法适用于宽带目标定位，对于窄带和多线谱问题很难取得满意的定位效果。
[0007]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0008](1)现有匹配场目标距离估计方法存在周期解问题。
[0009](2)传统匹配场处理对环境失配的宽容性差。
[0010](3)拷贝场计算量大。
[0011]解决以上问题及缺陷的难度为：由于海洋信道中多途干涉存在周期现象导致的(浅海低频一般几百米～几千米)，从而使得窄带(多线谱)匹配场处理存在周期解现象，尤
其在远距离时，有效传播途径减少，周期解更加明显。匹配场是通过匹配声场的干涉结构来实现目标位置估计，如果环境失配严重，则拷贝声场干涉结构和实际声场干涉结构产生明显差异，从而产生定位误差或者定位错误。传统匹配场方法通过匹配简正波干涉结构(相位差)或者多途时延结构来实现水中目标距离估计。对于水平缓变的海洋环境，环境起伏引起接收声场中各号简正波的相位起伏，各号简正波的相位起伏变化特性相对独立，简正波间的相位差受环境起伏影响较大。由于实际应用中无法获取完整的海洋环境的空间起伏信息，往往利用局地的环境信息来计算拷贝场，拷贝场计算的相位差跟实际相位差具有较大偏差，从而导致目标距离估计误差较大。
[0012]解决以上问题及缺陷的意义为：线性差频匹配场处理利用较大的简正波差频干涉跨度，有效解决传统匹配场在目标声源距离估计时存在的多周期解问题，大大降低了“伪目标”的干扰；提高环境失配或环境起伏的宽容性，改善线性差频匹配场定位方法的稳定性和鲁棒性；增加水平步长，减少拷贝场计算量，提高计算效率，改进线性差频匹配场声源定位方法的实用性。

技术实现思路

[0013]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种线性差频匹配场处理水中目标声学被动定位方法、介质。
[0014]本专利技术是这样实现的，首先对垂直阵接收信号预处理，然后对相邻频率ω1、ω2的数据场和相应频率的拷贝场做高阶互谱，并对互谱结果做接收阵深度和拷贝场计算深度搜索网格二重求和处理，利用简正波的正交性得到声源距离估计的代价函数，使代价函数取最大值的距离即为声源距离的最优估计值；最后利用估计距离结果和简正波的完备性条件，实现目标声源深度的估计。有别于常规匹配场方法同时估计目标声源距离和深度，本专利技术先估计目标声源距离，再估计目标声源深度。线性差频匹配场处理水中目标声学被动定位方法包括：
[0015]步骤1：垂直阵各阵元信号预处理
[0016]对垂直阵各阵元接收的时域信号做傅里叶变换，分析功率谱特征，选取功率较大的两个频率(近邻)的声信号P(ω1；z
i
,r0,z0)、P(ω2；z
i
,r0,z0)备用，其中z
i
是垂直阵第i个阵元的深度，r0为目标声源与垂直阵间的水平距离，z0为目标声源的深度，z
i
已知，r0和z0未知待求。
[0017]步骤2：搜索网格划分与拷贝场计算
[0018]对于二维问题，在水平距离-深度搜索平面内划分“候选目标位置”网格，即为(r
s
,z
s
)；其中水平距离是指网格点与垂直阵之间的水平距离，深度为距海面的垂直距离。输入实测海洋环境参数(水体声速、密度分布和海底声学参数)，利用声场模型(简正波方法、抛物近似等)计算“候选目标位置”网格点至垂直接收阵各阵元(水听器)的两个频率ω1，ω2的拷贝场G(ω1；z
i
,r
s
,z
s
)、G(ω2；z
i
,r
s
,z
s
)。
[0019]步骤3：高阶互谱处理
[0020]对两个频率ω1，ω2的垂直阵接收声场P(ω1；z
i
,r0,z0)、P(ω2；z
i
,r0,z0)与各自对应的拷贝场G(ω1；z
i
,r
s
,z
s
)、G(ω2；z
i
,r
s
,z
s
)做互谱，选择临近频率，为了保证简正波本征函数的正交性，另外临近频率可以忽略信道的频散效应。不失一般性，Δω＝ω
2-ω1(ω1＜
ω2)。
[0021]E1(ω1,z
i
,r
s
,z
s
)＝G
*
(ω1,z
i
,r
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种线性差频匹配场处理水中目标声学被动定位方法，其特征在于，所述线性差频匹配场处理水中目标声学被动定位方法包括：首先对垂直阵接收信号预处理，然后对相邻频率ω1、ω2的数据场和相应频率的拷贝场做高阶互谱，并对互谱结果做接收阵深度和拷贝场计算深度搜索网格二重求和处理，利用简正波的正交性得到声源距离估计的代价函数，使代价函数取最大值的距离即为声源距离的最优估计值；最后利用估计距离结果和简正波的完备性条件，实现目标声源深度的估计。2.如权利要求1所述的线性差频匹配场处理水中目标声学被动定位方法，其特征在于，所述垂直阵各阵元信号预处理具体包括：对垂直阵各阵元接收的时域信号做傅里叶变换，分析功率谱特征，选取功率较大的两个相邻频率的声信号P(ω1；z
i
,r0,z0)、P(ω2；z
i
,r0,z0)备用，其中z
i
是垂直阵第i个阵元的深度，r0为目标声源与垂直阵间的水平距离，z0为目标声源的深度，z
i
已知，r0和z0未知待求。3.如权利要求1所述的线性差频匹配场处理水中目标声学被动定位方法，其特征在于，所述搜索网格划分与拷贝场计算具体包括：对于二维问题，在水平距离-深度搜索平面内划分出候选目标位置网格，即为(r
s
,z
s
)；输入实测海洋环境参数，利用声场模型计算候选目标位置网格点至垂直接收阵各阵元的两个频率ω1，ω2的拷贝场G(ω1；z
i
,r
s
,z
s
)、G(ω2；z
i
,r
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,z
s
)；其中水平距离是指网格点与垂直阵之间的水平距离，深度为距海面的垂直距离。4.如权利要求1所述的线性差频匹配场处理水中目标声学被动定位方法，其特征在于，所述高阶互谱处理具体包括：对两个频率ω1，ω2的垂直阵接收声场P(ω1；z
i
,r0,z0)、P(ω2；z
i
,r0,z0)与各自对应的拷贝场G(ω1；z
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,z
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)、G(ω2；z
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)做互谱，选择相邻频率，不失一般性，Δω＝ω
2-ω1(ω1＜ω2)；E1(ω1,z
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*
(ω2,z
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s
)P(ω2,z
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,r0,z0)对两个频率的互谱做高阶互谱处理：5.如权利要求1所述的线性差频匹配场处理水中目标声学被动定位方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王好忠，王良，高伟，高大治，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：