基于垂直子阵互谱宽带相位起伏的浅海声源深度分辨方法技术

本发明专利技术公开了一种基于垂直子阵互谱宽带相位起伏的浅海声源深度分辨方法，所述方法包括以下步骤：提取垂直阵上半阵复声压与下半阵复声压的宽带互谱，并基于宽带互谱相位起伏的过零点数作为深度依赖特征；阈值上的过零点数对应水面目标，反之为水下目标。该方法的优点在于计算量低，易于水下实时处理系统的工程实现。现。现。

【技术实现步骤摘要】
基于垂直子阵互谱宽带相位起伏的浅海声源深度分辨方法


[0001]本专利技术属于水声定位与识别
，具体涉及一种基于垂直子阵互谱宽带相位起伏的浅海声源深度分辨方法。

技术介绍

[0002]Bucker最先提出匹配场处理(Matched Field Processing，简记为MFP)的概念，利用测量的声学信息实现声源距离和深度的估计，然而匹配场处理对环境参数的变化很敏感，并且需要较大的基阵孔径。由于简正波的各阶模态函数随深度变化而变化，并且垂直阵(Vertical Line Array，简记为VLA)用于垂直方向的孔径，可以实现深度方向的采样。鉴于此，一些学者提出了基于垂直阵的匹配模态处理(Matched Mode Processing，简记为MMP)，用于处理水面水下目标的判别问题。MMP首先利用声场仿真程序，依据环境参数计算出各阵元深度对应的模态函数，构建模态分解矩阵。然后利用垂直阵接收的信号和模态分解矩阵进行模态滤波计算声源激发的各阶模态强度，通过模态强度的分布实现目标深度的判别。值得注意的是，在有限基阵孔径，且有限阵元的情况下，模态分解矩阵不是正交完备的，涉及模态逆矩阵的选择问题。
[0003]Creamer和Premus考虑到对于具有压力释放表面的波导，靠近水面处所有的模态激励函数均为零，而对于较深的深度处，总有一阶简正波模态能够取到最大值。由于水面波浪和内波的影响，目标的深度会随波浪的起伏发生随机的变化。对于处在水面处的目标，由于模态激励函数处在过零点附近，导数最大，因此模态激励函数取值变化剧烈；而对于较大深度的目标，由于存在某一阶模态使得模态激励函数处于最大值处，导数为零，因此模态激励函数的取值变化微小。鉴于此Premus定义了模态闪烁系数考虑模态激励函数的变化起伏情况作为二元深度判别的统计量。在已知波导环境参数的情况下，需要多次计算声场仿真各阶简正波的模态闪烁系数，作为深度判别的依据，计算量较大。此外，在模态滤波理论的基础上，Premus等人考虑到负梯度声速波导中水面水下目标激发简正波陷获模态(RBR)和自由模态(SRBR)的差异，设计了不同的子空间滤波器用于目标深度的分辨。Premus还验证了匹配子空间分辨用于水平阵的可行性，除此之外，学者们提出了基于水平阵或利用合成孔径方法提取波数特征用于目标分辨的方法。由于本文关注垂直阵的目标分辨，这里不再赘述水平阵的声源目标分辨问题。
[0004]国内在水下目标分辨方面的研究方面工作相对来说起步较晚，大部分还处于概念和原理验证的阶段。典型研究工作如下：余赟，惠俊英等人利用双接收传感器声压和垂直振速简正波的复声强无功分量及交互负声强的相角关系进行水面水下目标判别，提高了工作频率，然而方法受限于两接收传感器的深度布放，且要求波导中可传播的简正波为2阶。方世良等人研究了基于频散特征结合时频分析的单水听器距离和深度估计方法，采用多模态联合匹配的方式，通过二值掩模滤波的时频滤波方法，提取所需的模态，通过计算实际提取出的模态能量与预测的模态能量之间的误差，建立代价函数，并通过模态能量匹配的方式确定声源的深度，在Pekeris波导模型的浅海环境通过仿真验证了方法的有效性。张璐等利
用矢量垂直阵对声压和振速互谱函数有功分量正负号进行水面和水下目标判决，利用数值仿真和湖试试验进行了方法的验证。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一在于提供一种基于垂直子阵互谱宽带相位起伏的浅海声源深度分辨方法，以解决背景结束中现有的水下目标分辨方法受限于接收传感器的深度布放以及计算量大等问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供技术方案如下：
[0007]一种基于垂直子阵互谱宽带相位起伏的浅海声源深度分辨方法，所述方法包括以下步骤：
[0008]提取垂直阵上半阵复声压与下半阵复声压的宽带互谱，并基于宽带互谱相位起伏的过零点数作为深度依赖特征；
[0009]阈值上的过零点数对应水面目标，反之为水下目标。
[0010]优选地，对N元垂直线列阵接收的声信号做快速傅里叶变换后，取上半阵接收复声压之和与下半阵接收复声压之和的宽带互谱；
[0011]对宽带互谱取相位，得到宽带互谱相位随频率的变化；
[0012]取宽带互谱相位的过零点数，并定义为深度分辨特征量；
[0013]利用深度分辨特征量与声场特征临界值对比，判断信号源自水面目标或水下目标。
[0014]优选地，所述声场特征临界值的获取方法包括以下步骤：
[0015]基于海洋环境信息和N元垂直线列阵，利用Kraken模型获取拷贝场宽带互谱；
[0016]基于拷贝场宽带互谱获取拷贝场宽带相位起伏结构后，得到声场特征临界值。
[0017]优选地，声场特征临界值的获取方法为，获取仿真得到的拷贝场宽带相位起伏结构在临界深度处的过零点数，作为声场特征临界值。
[0018]优选地，取上半阵接收复声压之和与下半阵接收复声压之和的宽带互谱表示为其中，B(Z
s
，ω)表示宽带互谱，P
up
(ω)表示上半阵接收复声压之和，P
down
(ω)表示下半阵接收复声压之和，Z
s
表示声源的深度，ω表示频率，p
j
(ω)表示第j个阵元接受的复声压。
[0019]优选地，所述对宽带互谱取相位表示为其中，表示宽带互谱相位，B(Z
s
，ω)表示频带互谱。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0021]该方法的优点在于计算量低，易于水下实时处理系统的工程实现，且该声源深度分辨方法可用于浅海水下反潜警戒潜标的研制。
附图说明
[0022]图1为本专利技术基于垂直子阵互谱宽带相位起伏的浅海声源深度分辨方法的算法流程图。
[0023]图2为仿真算例使用的声速剖面，海深100m，典型温跃层水文条件。
[0024]图3为目标距离10km，声源深度5m、10m、50m、70m对应的互谱相位随频率的变化曲线。
[0025]图4为互谱相位起伏的过零点数随声源距离和深度的变化。
[0026]图5为仿真试验中，深度5m的水面声源和深度50m的水下声源对应的互谱相位过零点数随距离的变化。
具体实施方式
[0027]下面将结合附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0028]本专利技术的一种基于垂直子阵互谱宽带相位起伏的浅海声源深度分辨方法，所述方法包括以下步骤：
[0029]提取垂直阵上半阵复声压与下半阵复声压的宽带互谱，并基于宽带互谱相位起伏的过零点数作为深度依赖特征；
[0030]阈值上的过零点数对应水面目标，反之为水下目标。
[0031]本专利技术中，垂直阵上半阵接收宽本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于垂直子阵互谱宽带相位起伏的浅海声源深度分辨方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：提取垂直阵上半阵复声压与下半阵复声压的宽带互谱，并基于宽带互谱相位起伏的过零点数作为深度依赖特征；阈值上的过零点数对应水面目标，反之为水下目标。2.如权利要求1所述的一种基于垂直子阵互谱宽带相位起伏的浅海声源深度分辨方法，其特征在于，对N元垂直线列阵接收的声信号做快速傅里叶变换后，取上半阵接收复声压之和与下半阵接收复声压之和的宽带互谱；对宽带互谱取相位，得到宽带互谱相位随频率的变化；取宽带互谱相位的过零点数，并定义为深度分辨特征量；利用深度分辨特征量与声场特征临界值对比，判断信号源自水面目标或水下目标。3.如权利要求2所述的一种基于垂直子阵互谱宽带相位起伏的浅海声源深度分辨方法，其特征在于，所述声场特征临界值的获取方法包括以下步骤：基于海洋环境信息和N元垂直线列阵，利用Kraken模型获取拷贝场宽带互谱；基于拷贝场宽带互谱获取拷贝场宽带相位起伏结构后，得到声场特征临界值。...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑广赢，朱方伟，张巧力，郭小玮，邵游，刘福臣，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：