基于深海垂直阵的目标线谱自主检测及运动要素估计方法技术

本发明专利技术属于水声物理技术领域，尤其涉及基于深海垂直阵的目标线谱自主检测及运动要素估计方法，所述方法包括：对垂直水听器阵列采集的时域声场进行傅里叶变换和波束形成处理，并规范到多个子频带范围内；将预先计算的待测目标航行轨迹与变换到波束

【技术实现步骤摘要】
基于深海垂直阵的目标线谱自主检测及运动要素估计方法


[0001]本专利技术属于水声物理
，尤其涉及基于深海垂直阵的目标线谱自主检测 及运动要素估计方法。

技术介绍

[0002]随着水声目标减振降噪技术的发展，舰船辐射噪声声源级大幅度降低，传统基于 宽带能量累积的检测方法性能受限。舰船辐射噪声是连续谱和线谱叠加而成的混合 谱，连续谱贡献了宽带声源级的大部分能量，而低频线谱通常具有强度高、相位稳定 性好等特点是识别水下目标的关键特征。传统的线谱提取方法是通过预处理、谱峰提 取、后置处理等过程，在有偶尔随机干扰弱线谱的条件下提取线谱特征。这种线谱提 取方法在近场、环境与目标均单一的条件是可行的。但在实际海洋环境中，环境噪声 的线谱干扰也是稳定和持续存在的。结合水声环境背景噪声特性，以水声目标
‑
环境 耦合声场特征为基础提取水下目标的线谱特征在实际海洋环境中更具有优势，也是 解决典型深海环境下水声目标监测这一迫切需要的关键问题的前提。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提出了基于深海垂直阵的目标线谱自主 检测及运动要素估计方法。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种基于深海垂直阵的目标线谱自主检测及 运动要素估计方法，所述方法包括：
[0005]步骤1)对垂直水听器阵列采集的时域声场进行傅里叶变换和波束形成处理，并 规范到多个子频带范围内；
[0006]步骤2)将预先计算的待测目标航行轨迹与变换到波束
‑/>时间域内的实测声场进 行匹配处理；
[0007]步骤3)利用一维信号峰值估计算法估计线谱的频率，得出待测目标的线谱频率、 航速和最近通过距离。
[0008]作为上述方法的一种改进，所述步骤1)的垂直水听器阵为阵元间距为d的N元 均匀分布的垂直线列阵。
[0009]作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：
[0010]对垂直水听器阵列采集的时域信号p(t,z
n
)进行快速傅里叶变换，得到频率域信 号P(f,z
n
)：
[0011][0012]其中，f表示频率，t表示时间，z
n
表示信号幅值；
[0013]则由F个频率和N个阵元的P(f,z
n
)组成接收声场矩阵P(f,z
n
)；
[0014]根据垂直线列阵所处深度z
r
的海水平均声速c(z
r
)，由下式得到垂直线列阵的 指
向角θ的导向向量w(f,θ)为：
[0015][0016]其中，d为垂直线列阵的阵元间距，T表示转置；
[0017]从而将同时指向θ1,θ2,
…
,θ
L
的L个波束构成导向向量矩阵A(f,θ)：
[0018]A(f,θ)＝[w(f,θ1),w(f,θ2),
…
,w(f,θ
L
)][0019]由接收声场矩阵P(f,z
n
)和导向向量矩阵A(f,θ)得到频率
‑
掠射角度的波束响 应矩阵B(f,θ)为：
[0020]B(f,θ)＝|P(f,z
n
)A(f,θ)|2,
[0021]其中，矩阵B(f,θ)大小为F
×
N
θ
，N
θ
是掠射角度个数；
[0022]将矩阵B(f,θ)采用下采样方式规范到一定频段范围内，得到由B
′
(f
n
,θ
m
)组成 的规范后波束响应矩阵B
′
(f,θ)，其中，矩阵频段范围为等间隔的频率点 (f1,f2,
…
,f
n
,f
n+1
,
…
,f
Nf
)，f
n+1
‑
f
n
＝Δf，B
′
(f
n
,θ
m
)为(f
n
‑
Δf＜f
i
＜f
n
+Δf)频段 内B(f
i
,θ
m
)的最大值：
[0023][0024]以时间间隔Δt，Δt＝t
n+1
‑
t
n
，将共N
t
个时刻的矩阵 B
′
(f,θ)组成一个三维矩阵S(f,θ,t)，其中，矩阵中的元素
[0025]作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：
[0026]根据垂直线列阵所处深度z
r
的海水平均声速c(z
r
)，待测目标所处深度z
s
的海水 平均声速c(z
s
)，声线在垂直线列阵处的掠射角θ
r
，声速剖面c(z)，根据下式得到本 征声线的水平传播距离r(θ
r
)为：
[0027][0028]根据θ
r
的取值θ1,θ2,
…
,θ
L
，通过上式分别计算得到相应的水平传播距离 r1,r2,
…
,r
L
；
[0029]待测目标距离垂直线列阵位置的最近距离为r
min
，航速为v，在当前时刻t1，待测 目标相对航线最近点的水平距离为R，根据下式得到待测目标与垂直线列阵的水平 投影距离r
sr
为：
[0030][0031]根据r(θ
r
)，结合上式得到垂直线列阵的掠射角θ
r
和时间t的对应关系为：
[0032][0033]由此绘制二维曲线，在设定的参数范围内为v,R,r
min
赋值，并分别计算不同赋值 下的轨迹能量，从中得到频率为f
i
时的最大轨迹能量E(f
i
)为：
[0034][0035]作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：
[0036]针对频率范围为共N
f
个频点的水声目标线谱的频率， 判断某个频点f
i
的能量是否满足下式，判断为是，则频点f
i
为目标 线谱频率：
[0037][0038]其中，E0为预设的检测阈；
[0039]取目标线谱频率对应的最大轨迹能量的参数，从而得到待测目标的航速和最 近通过距离
[0040]与现有技术相比，本专利技术的优势在于：
[0041]1、本专利技术利用线谱能量比值关系可以自主识别和计算出水声目标的线谱频率； 2、本专利技术还可以计算出水声目标的平均航速和距离垂直阵最近的水平距离。
附图说明
[0042]图1是水下目标运动航迹与垂直阵位置示意图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于深海垂直阵的目标线谱自主检测及运动要素估计方法，所述方法包括：步骤1)对垂直水听器阵列采集的时域声场进行傅里叶变换和波束形成处理，并规范到多个子频带范围内；步骤2)将预先计算的待测目标航行轨迹与变换到波束
‑
时间域内的实测声场进行匹配处理；步骤3)利用一维信号峰值估计算法估计线谱的频率，得出待测目标的线谱频率、航速和最近通过距离。2.根据权利要求1所述的基于深海垂直阵的目标线谱自主检测及运动要素估计方法，其特征在于，所述步骤1)的垂直水听器阵为阵元间距为d的N元均匀分布的垂直线列阵。3.根据权利要求2所述的基于深海垂直阵的目标线谱自主检测及运动要素估计方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：对垂直水听器阵列采集的时域信号p(t,z
n
)进行快速傅里叶变换，得到频率域信号P(f,z
n
)：其中，f表示频率，t表示时间，z
n
表示信号幅值；则由F个频率和N个阵元的P(f,z
n
)组成接收声场矩阵P(f,z
n
)；根据垂直线列阵所处深度z
r
的海水平均声速c(z
r
)，由下式得到垂直线列阵的指向角θ的导向向量w(f,θ)为：其中，d为垂直线列阵的阵元间距，T表示转置；从而将同时指向θ1,θ2,
…
,θ
L
的L个波束构成导向向量矩阵A(f,θ)：A(f,θ)＝[w(f,θ1),w(f,θ2),
…
,w(f,θ
L
)]由接收声场矩阵P(f,z
n
)和导向向量矩阵A(f,θ)得到频率
‑
掠射角度的波束响应矩阵B(f,θ)为：B(f,θ)＝|P(f,z
n
)A(f,θ)|2,其中，矩阵B(f,θ)大小为F
×
N
θ
，N
θ
是掠射角度个数；将矩阵B(f,θ)采用下采样方式规范到一定频段范围内，得到由B
′
(f
n
,θ
m
)组成的规范后波束响应矩阵B
′
(f,θ)，其中，矩阵频段范围为等间隔的频率点f
n+1
‑
f
n
＝Δf，B
′
(f
n
,θ
m
)为(f
n
‑
Δf＜f
i
＜f
n
+Δf)频段内B(f
i
,θ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文博，苏林，郭新毅，胡涛，郭圣明，马力，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：