一种收发分置声纳的布放深度优化方法

技术领域

本公开实施例涉及水声探测技术领域，尤其涉及一种收发分置声纳的布放深度优化方法。

背景技术

研究表明，当目标靠近收发分置声纳的收发连线附近时，探测信号在目标体上激发前向声散射信号，引起接收声场强度异常。此外，水下目标在运动时不可避免地持续排开周围水体，这些水体在密度分层的海洋中受到重力和浮力的共同作用往复振荡，形成源致内波。当目标运动到收发分置声纳的连线附近时，源致内波会引起收发之间的声速剖面持续变化，激发接收声场强度异常，该特征可以用于隐身目标探测。但由于从声源直接传播至接收机上的背景声场在时、频和空域的掩盖作用，信干比很低，目标引起的声场异常特征难以被直接提取。水声信道多径效应严重，不同收发深度对系统探测性能产生显著影响。以接收点处的信干比为探测性能评价指标，当固定收发距离时，接收信干比与水声信道环境、目标位置、声源和接收深度有关，必然存在着有利于探测的局部高信干比区域。但目标（与源致内波）深度的不确定性使得接收声场某点处的信直比变为不确定量，探测声纳的声源和接收机布放缺乏依据，难以评价收发深度的优劣。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种收发分置声纳的布放深度优化方法，用以解决现有技术中存在目标深度的不确定性使得接收声场某点处的信直比变为不确定量，探测声纳的声源和接收机布放缺乏依据，难以评价收发深度的优劣的问题。

根据本公开实施例，提供一种收发分置声纳的布放深度优化方法，该方法包括：

确定发射机的位置和接收机的位置，并结合水声环境信息和探测目标的辐射噪声强度预测所述探测目标沿深度的概率分布；

根据所述水声环境信息、所述发射机的位置和所述接收机的位置，设定发射深度分辨率和接收深度分辨率并进行网格化；

根据所述探测目标沿深度的概率分布、所述发射深度分辨率和所述接收深度分辨率，以信干比为探测性能评价指标，基于声传播模型计算各个收发对上的第一接收信干比，并组成目标函数模糊度表面；

根据所述目标函数模糊度表面得到最优的布放位置。

进一步的，所述结合水声环境信息和探测目标的辐射噪声强度预测所述探测目标沿深度的概率分布的步骤中，包括：

将所述探测目标分布的海区划分为多个深度网格，以所述探测目标为中心，将距离为

基于所述声传播模型，根据所述探测目标的辐射噪声强度模拟所述探测目标在深度上的辐射噪声场，计算各个所述深度网格的传播损失；

根据被动声纳方程计算所述矩阵S上各点的优质因数；

计算所述探测目标深潜至预设深度时所述矩阵S内所述传播损失大于所述优质因数的元素个数并记为

遍历所有所述深度网格，得到各个深度时对应的所述元素个数，并得到所述探测目标沿深度的概率分布。

进一步的，所述优质因数的表达式为：

（1）

其中，FOM为优质因数，

进一步的，所述探测目标沿深度的概率分布为：

（2）

其中，

进一步的，根据所述水声环境信息、所述发射机的位置和所述接收机的位置，设定发射深度分辨率和接收深度分辨率并进行网格化的步骤中，包括：

基于所述水声环境信息、所述发射机的位置和所述接收机的位置，设定所述发射深度分辨率为

划分由海面至海底的所述发射机沿深度分布网格和所述接收机沿深度分布网格；其中，所述发射机沿深度分布网格的数量为

进一步的，根据所述探测目标沿深度的概率分布、所述发射深度分辨率和所述接收深度分辨率，以信干比为探测性能评价指标，利用声传播模型计算各个收发对上的第一接收信干比，并组成目标函数模糊度表面的步骤中，包括：

针对任意一对所述发射机的位置和所述接收机的位置（

根据所述第一接收信噪比和所述第二接收信噪比，结合收发分置声纳方程，计算当前所述发射机的位置和所述接收机的位置下的第二接收信干比；

根据所述第二接收信干比，得到所述目标出现在所述深度网络各点时的第一接收信干比；

将所述第一接收信干比的加权和作为所述发射机和所述接收机深度变化的目标函数；

遍历所有所述发射机的位置和所述接收机的位置，计算所述发射机和所述接收机深度变化的目标函数，并组成目标函数模糊度表面。

进一步的，无目标时，所述第一接收信噪比的表达式为：

（3）

其中，

有目标时，所述第二接收信噪比的表达式为：

（4）

其中，

所述第二接收信干比的表达式为：

（5）

其中，SIR为第二接收信干比；

所述目标函数的表达式为：

（6）

其中，

进一步的，所述最优的布放位置的表达式为：

（7）

其中，

进一步的，所述水声环境信息至少包括：

环境水深数据、海底地形数据和地质数据。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开的实施例中，通过上述收发分置声纳的布放深度优化方法，一方面，通过输入水声环境信息、目标辐射噪声强度和给定接收机和发射机的位置，计算目标沿深度的概率分布，在各种接收机-接收机深度的配对情况下计算第一接收信干比，并根据第一接收信干比绘制随收发深度变化的模糊度平面，实现对收发分置声纳的布放深度优化。另一方面，为布放深度提供计算依据与优化方法，提升了基于前向声散射和源致内波声场异常特征的收发分置声纳探测性能。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本公开示例性实施例中一种收发分置声纳的布放深度优化方法的步骤图；

图2示出本公开示例性实施例中浅海声速剖面图；

图3示出本公开示例性实施例中探测场景示意图；

图4示出本公开示例性实施例中收发分置声纳的布放深度优化方法实施的流程图；

图5示出本公开示例性实施例中目标辐射噪声场（100Hz）示意图；

图6示出本公开示例性实施例中目标沿深度的分布概率示意图；

图7示出本公开示例性实施例中目标函数模糊度表面示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中提供了一种收发分置声纳的布放深度优化方法。参考图1中所示，该收发分置声纳的布放深度优化方法可以包括：步骤S101~步骤S104。

步骤S101：确定发射机的位置和接收机的位置，并结合水声环境信息和探测目标的辐射噪声强度预测所述探测目标沿深度的概率分布；

步骤S102：根据所述水声环境信息、所述发射机的位置和所述接收机的位置，设定发射深度分辨率和接收深度分辨率并进行网格化；

步骤S103：根据所述探测目标沿深度的概率分布、所述发射深度分辨率和所述接收深度分辨率，以信干比为探测性能评价指标，利用声传播模型计算各个收发对上的第一接收信干比，并组成目标函数模糊度表面；

步骤S104：根据所述目标函数模糊度表面得到最优的布放位置。

通过上述收发分置声纳的布放深度优化方法，一方面，通过输入水声环境信息、目标辐射噪声强度和给定接收机和发射机的位置，计算目标沿深度的概率分布，在各种接收机-接收机深度的配对情况下计算第一接收信干比，并根据第一接收信干比绘制随收发深度变化的模糊度平面，实现对收发分置声纳的布放深度优化。另一方面，为布放深度提供计算依据与优化方法，提升了基于前向声散射和源致内波声场异常特征的收发分置声纳探测性能。

下面，将参考图1至图7对本示例实施方式中的上述收发分置声纳的布放深度优化方法的各个部分进行更详细的说明。

在步骤S101中，确定发射机的位置和接收机的位置，并结合水声环境信息和探测目标的辐射噪声强度计算探测目标沿深度的概率分布。

具体的，发射端（即发射机）由单个声源构成，接收端（即接收机）由单个水听器构成，探测区域为声源与水听器之间的二维垂向平面附近。测量系统应用水声环境的基本信息，包括环境水深、海底地形与底质参数等；针对辐射噪声为S分贝的某型目标，设定系统声源与接收机的位置。

使用环境信息、目标噪声级（假定）计算探测目标沿深度的概率分布。具体过程如下：

第一步：假设目标（即探测目标）在收发连线中央处，在距离上以分辨率

第二步：依据被动声纳方程计算矩阵

（1）

其中，

第三步：计算潜深

第四步：在所有深度网格

（2）

在步骤S102中，根据水声环境信息、发射机的位置和接收机的位置，确定发射深度分辨率和接收深度分辨率。

具体的，基于环境信息和探测系统收发位置，通过设定发射深度分辨率为

在步骤S103中，根据探测目标沿深度的概率分布、发射深度分辨率和接收深度分辨率，以信干比为探测性能评价指标，基于声传播模型计算各个收发对上的第一接收信干比，并组成目标函数模糊度表面。

具体的，依据步骤S102和步骤S103的结果，以信干比为探测性能评价指标，基于声传播模型计算各个收发对上的第一信干比值，并组成目标函数模糊度表面，具体过程如下：

第1步：依据给定声源（即发射机）和接收机位置，基于声传播模型计算有无目标时的声传播损失，并结合收发分置声纳方程，计算接收信干比。

当没有目标时，收发分置声纳方程表述如下：

（3）

其中，

当有目标时：

（4）

其中，

对任意一对声源和接收机，将有无目标时的式（4）减式（3）可得信干比

（5）

基于声传播模型可计算式（5）中各传播损失，进而获取当前收发深度情况下的第二接收信干比SIR。

第2步：对任意“声源—接收机”配对

（6）

第3步：遍历各个声源—接收机深度

在步骤S104中，根据目标函数模糊度表面得到最优的布放位置。

具体的，依据步骤S103得到的模糊度表面，依据式（7）取全局最大值

（7）

在一个具体的实施例中，以浅海安静型潜艇为目标进行水声探测，包括以下步骤：

背景信息如下：浅海水深200m，海底地形和声速剖面不随距离变化。典型分层声速剖面如图2所示，0m~50m深度为混合层，50m~100m为强跃层，100m~200m为等温层。使用单个声源与接收水听器组成收发分置探测系统，结果如图3所示。其中，a1、b1和c1分别为发射机在深度网格上的3个位置，a2、b2和c2分别为接收机在深度网格上的3个位置。收发距离为10km，目标辐射噪声级129 dB@100Hz，在水平距离5 km上。

声纳布放深度优化过程如图4所示，具体如下：

步骤S101：确定发射与接收位置：实例环境为距离不变环境，声源与接收机为距离10 km的任意位置，目标辐射噪声级129dB@100Hz。研究表明目标在收发连线中央处的信直比最低，因此以这种最恶劣情况进行计算。

计算目标随深度分布概率

第一步：设目标深度上下限分别为

第二步：依据被动声纳方程，计算优质因数

（1）

第三步：将深度上

第四步：在所有的目标深度网格点上重复以上过程，依据式（2）绘制目标沿深度的概率分布，结果如图6所示。

（2）

步骤S102：基于环境信息和探测系统收发位置，设定深度计算分辨率为

步骤S103：依据步骤S101和步骤S102结果，基于声传播模型计算目标函数模糊度表面，具体过程如下：

第1步：依据给定声源和接收机位置，基于声传播模型计算有无目标时的声传播损失，并结合收发分置声纳方程，计算第一接收信干比。

当没有目标时，收发分置声纳方程表述如下：

（3）

其中，

当有目标时：

（4）

其中，

对任意一对声源和接收机，将有无目标时的式（4）减式（3）可得信干比

（5）

基于声传播模型可计算式（5）中多个传播损失，进而获取当前收发深度情况下的第二接收信干比。

第2步：对任意“声源—接收机”配对

（6）

第3步：遍历各个声源和接收机深度

步骤S104：依据步骤S104得到的模糊度表面，依据式（7）取全局最大值

（7）

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。