一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法技术

本发明专利技术涉及一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法，将简正波分离技术与现有方法相结合，打破了现有方法要求波导中只能存在两阶传播简正波这一苛刻限制。由于实际波导中声速在垂直方向上的非均匀性，前两阶模态组合贡献下垂直声能流正负号往往是与距离有关的，很难应用于判定水面目标与水下目标，针对这一问题，本发明专利技术给出了基于任意两阶模态或者三阶模态组合垂直声能流的水面目标与水下目标判定方法，突破了现有方法的缺陷，在实际中具有更强的应用价值。所提方法只需要单个矢量水听器，试验成本低、试验布放回收容易，计算代价低，容易在无人移动平台上实现，具有很强的工程应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法
本专利技术属于船舶与海洋工程
，涉及一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法
技术介绍
文献“Pekeris波导中简正波声强流及其互谱信号处理，声学学报，2008，Vol33(4)300-305”公开了一种基于单矢量水听器声压与质点振速联合互谱处理实现目标判决的方法。分析了Pekeris波导中甚低频声场中的单矢量水听器垂直声能流特性，数值计算结果表明:当水听器位于某些深度上，当波导中仅存在两阶模态时，在某些频率点上，声场垂直声能流正负号分布与水平距离近似无关，可以用于水面目标、水下目标的双择判决。该方法仅需要单个矢量水听器，成本低廉，布放简便，从这个角度上讲具有巨大的工程应用潜力。但是该方法使用有三个缺陷：(1)文章中所给的模型仅适用于Pekeris波导中，也即海水海底声速都必须为一常数值，实际中海水声速以及海底声速在深度方向上是变换的，均匀声速这一条件很难满足；(2)波导中激发的简正波阶数取决于海深、海底底质参数、声波频率等参数，要求波导中仅存在两阶传播的模态这在实际中很难满足；(3)对于实际波导，受介质参数的影响，前两阶模态垂直声能流的虚部往往是与距离有关的，此时则无法用于区分水面目标与水下目标。综上所述，可以看到该方法在实际工程中应用价值不高。
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基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法，是一种任意水平分层介质波导中水面目标与水下目标判定的方法。解决对于任意与距离无关波导，当波导中存在多阶模态时候如何分离各阶模态，以及利用哪些阶模态组合的垂直声能流来实现水面目标与水下目标的判定。技术方案一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法，其特征在于步骤如下：步骤1：利用声场计算软件计算实测声速剖面下第m阶模态的声压值pm和垂直振速值vzm，利用下式求得任意两阶和三阶模态贡献下的垂直声能流和步骤2：计算垂直声能流虚部与在空间上的分布，其中sgn(.)表示符号函数，Im(.)表示对(.)中的值取虚部，得到最优模态组合量(m,n)或者(m,n,k)，其应满足最优组合量下或者与距离无关或者与距离近似无关；步骤3：对实际接收的声压信号序列Yp(t)和垂直振速信号序列Yvz(t)进行Warping变换，其Warping算子为利用下式得到Warping域的各阶模态声压信号和垂直振速信号步骤4：再对分离后的各阶模态做Warping逆变换即得到各阶模态的时域信号。Warping逆变换算子为步骤5：对时域信号做短时傅里叶变换，得到各阶模态的频域复声压值pm和频域复垂直振速值vzm；步骤6：计算实测信号m+n阶或者m+n+p阶模态组合下垂直声能流或者结合步骤1和步骤2仿真给出的声能流正负号在空间上的分布，计算实测信号垂直声能流的正负号判定目标为水面目标还是水下目标。有益效果本专利技术提出的一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法，针对基于垂直声能流的水面水下目标判定方法适用性差这一问题，将简正波分离技术与现有方法相结合，打破了现有方法要求波导中只能存在两阶传播简正波这一苛刻限制。由于实际波导中声速在垂直方向上的非均匀性，前两阶模态组合贡献下垂直声能流正负号往往是与距离有关的，很难应用于判定水面目标与水下目标，针对这一问题，本专利技术给出了基于任意两阶模态或者三阶模态组合垂直声能流的水面目标与水下目标判定方法，突破了现有方法的缺陷，在实际中具有更强的应用价值。所提方法只需要单个矢量水听器，试验成本低、试验布放回收容易，计算代价低，容易在无人移动平台上实现，具有很强的工程应用前景。附图说明图1本专利技术具体实施框架流程图图2为某次实测海水声速剖面图3为海试环境下前两阶模态贡献下垂直声能流虚部正负值在空间上的分布前2阶模态垂直声能流虚部(黑色表示小于1，白色表示大于1)图4为海试环境下前2、3阶模态贡献下垂直声能流虚部正负值在空间上的分布2阶与3阶模态垂直声能流虚部(黑色表示小于1，白色表示大于1)图5为对某次海试声压信号Warping变换分离的前三阶模态时频图，即Warping变换之后分离的各阶声压信号图6为对某次海试垂直振速信号Warping变换分离的前三阶模态时频图，即Warping变换之后分离的各阶垂直振速信号具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术是通过以下技术方案来实现：基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决，包括：(1)浅海宽带声源声压信号模态分离；(2)浅海宽带声源垂直振速信号模态分离；(3)不同模态组合贡献下的垂直声能流；(4)垂直声能流虚部与目标声源深度之间关系浅海宽带声压信号和垂直振速信号模态分离采用Warping变换技术，Warping变换在数学上是一种等价且可逆的置换过程，用于与水声信号可以将不同阶简正波模态分离，其定义为：其中h(tw)称为Warping算子，Y(t)为接收的水声信号时间序列。对Y(t)进行Warping变换相当于对原信号进行了重采样,即将原始采样时刻t变成新的采样时刻tw。实际波导中的Warping算子为tr＝r/c表示信号从声源传播到接收器所需的时间，r表示声源与接收点之间的水平距离，c表示理想波导中的声速，tr的取值对Warping变化结果影响很小，在实际操作中较为随意。实际中，海洋波导中接收信号Y(t)可以写成多阶模态时域信号之和形式：其中am(t)和φm(t)分别表示第m阶模态时域信号的幅度和相位。上式中其中fcm表示第m阶模态的截止频率，所以Y(t)经过Warping变换后结果可以写成：式中表示Warping域中第m阶模态的幅度。由上式可以看到，Warping域中各阶模态表现为对应于各自截止频率fcm的单频信号。由于各阶模态的截止频率fcm各不相同，因此在Warping域利用频率滤波方法很容易分离各阶模态，然后在对分离后的各阶模态进行Warping逆变换，Warping逆变换算子h-1(tw)表达式为最终可以得到各阶模态的时域信号ym(t)。对第m阶模态时域信号ym(t)做短傅里叶变换即可得到该阶模态的频域声压值pm，同理可以得到第m阶模态垂直振速信号的频域值vzm。得到各阶简正波复声压值pm与复垂直振速值vzm后即可得到不同阶模态组合下垂直声能流。假设可分离的简正波模态阶数为M，分别计算不同频率下任意两阶模态组合m,n(m≠n),m＝1…M,n＝1…M贡献下垂直声能流以及任意三阶模态组合m,n,k(m≠n≠k)，m＝1…M,n＝1…M，k＝1…M贡献下的垂直声能流垂直声能流的计算公式如下：其中pm+n和vzm+n表示的是第m阶和n阶模态组合贡献下的声压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法，其特征在于步骤如下：/n步骤1：利用声场计算软件计算实测声速剖面下第m阶模态的声压值p

【技术特征摘要】
1.一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：利用声场计算软件计算实测声速剖面下第m阶模态的声压值pm和垂直振速值vzm，利用下式求得任意两阶和三阶模态贡献下的垂直声能流和






步骤2：计算垂直声能流虚部与在空间上的分布，其中sgn(.)表示符号函数，Im(.)表示对(.)中的值取虚部，得到最优模态组合量(m,n)或者(m,n,k)，其应满足最优组合量下或者与距离无关或者与距离近似无关；
步骤3：对实际接收的声压信号序列Yp(t)和垂直振速信号序列Yvz(t...

【专利技术属性】
技术研发人员：周建波，杨益新，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61