基于浅水声场相关性的水面水下目标分辨方法及设备

技术领域

本发明属于水声水面水下目标分辨技术领域，涉及一种基于浅水声场相关性的水面水下目标分辨方法及设备。

背景技术

被动声纳目标深度分辨问题一直以来都是水声界的难题，其主要内容为在噪声和干扰中判断目标处于水面还是水下，对于反潜作战而言具有重要的现实意义。目前来讲，水面水下目标分辨方法分为两大类：一类是基于匹配场的目标深度分辨方法；另一类是基于简正波模态特征的深度分辨方法。

匹配场处理方法，通过水声信道与声源位置关系将声场模型与接收信号进行匹配，进而反演出声源位置，通过深度估计结果对水面水下目标进行分辨。当下比较有效此类方法是使用建模声场进行匹配的匹配场技术(MFP)和基于浅海波导理论的匹配模技术(MMP)。MFP方法虽然可以实现水下声源距离和深度的估计，但缺乏稳健性，环境的失配或目标运动等问题都会对估计结果产生影响。后续学者为提高MFP在不利条件下的稳健性，陆续提出空域滤波和自适应方法等改进，但在实际使用中，MFP仍然无法达到理想的稳健性。直至模态滤波方法被应用到匹配场中并取得了良好的效果，MMP技术应运而生。学者们开始将注意力投入基于MMP方法的目标深度分辨技术的研究。

浅海波导中简正波各阶模态函数受深度的影响，浅源难以激发低阶简正波，尤其在典型负跃层水文条件，浅源激发的低阶模态能量占比高低，高阶模态能量占比高。V.EPremus和Conan根据这一特点，将匹配场方法的声源定位问题简化为二分类问题提出不同结构的模态滤波方法，通过模态子空间的能量比作为统计量对水面水下目标进行分辨。然而水声环境中，阵列孔径受限导致模态子空间之间的重叠。针对该问题，Premus引入Scharf-Friedlander匹配子空间检测器，然而这种方法在水平阵的效果并不理想。Y.CYang提出了基于合成孔径模态波束形成的运动声源定位方法，不需要环境信息免去了环境适配的问题，且可使用单阵元进行估计，但需要目标与接收阵存在一定水平相对运动距离来避免模态间的干涉。

基于浅海波导理论的水面水下目标分辨的方法，想要取得理想效果仍需依托于垂直阵或具有有效垂直孔径的阵列(目标处于阵列端射方向的水平阵)。然而垂直阵列的姿态难以保持，且高阶简正波模态的能量随距离衰减不利于模态特征方法的使用。因此水面水下目标分辨方法还需要更多利用水平阵提取模态特征方法的研究。

发明内容

本发明为了解决现有基于浅海波导理论的水面水下目标分辨方法存在由于垂直阵列的姿态难以保持导致的影响分辨效果的问题，以及高阶简正波模态的能量随距离衰减不利于模态特征方法的使用的问题。

一种基于浅水声场相关性的水面水下目标分辨方法，包括以下步骤：

在浅水波导中，将在距离r、深度z

其中，z

针对水底附近的N元水平阵，使用水平阵的前N/2个阵元对目标进行波束形成得到复声压信号p

基于复声压p

其中，

当参考阵元与目标的水平距离r大于阵列孔径十倍以上时，有

其中，

当m≠n时，进行距离和深度的平滑得到

其中，

在第m阶模态的上下反转深度[η

其中，SR

将式(9)的累加近似为积分

其中，α

最终得到p

其中，W(α

有L个频域采样点的宽带信号，水平相关系数表示为

Γ(f

进而确定Γ的相位

φ(z

最后基于相位φ(z

进一步地，基于相位φ(z

基于相位φ(z

当R

或者，

基于相位φ(z

基于相位φ(z

当R

或者，

基于相位φ(z

基于相位φ(z

当R

进一步地，所述角能量密度W(α

其中，SR(α

进一步地，所述复声压p

其中，k为波数。

进一步地，基于复声压p

其中，|·|表示取绝对值，

进一步地，阵元与目标的水平距离如下：

r

其中，r

进一步地，所述波数

一种基于浅水声场相关性的水面水下目标分辨设备，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的一种基于浅水声场相关性的水面水下目标分辨方法。

有益效果：

本发明分别使用水平阵的前段和后段分别对目标做波束形成，将两段波束形成输出信号做互谱；通过对互谱相位随频率变化的理论分析，利用几个深度相关且几乎不受频谱幅度波动影响的相位统计特征进行深度分辨，能够提高的目标分辨准确率，并且深度分辨依赖于互功率谱的相位变化，不需要模式空间信息或地声参数。因此，本发明还可以很好地解决高阶简正波模态的能量随距离衰减不利于模态特征方法的使用的问题，而且本发明还可以很好地解决基于浅海波导理论的水面水下目标分辨方法存在由于垂直阵列的姿态难以保持导致的影响分辨效果的问题。

附图说明

图1为声速剖面图。

图2为不同声源深度的水平相关性图。

图3(a)至图3(d)为不同深度(3m、15m、49m和139m)相位随频率变化图。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式为一种基于浅水声场相关性的水面水下目标分辨方法，包括以下步骤：

在浅水波导中，将在距离r、深度z

其中，z

考虑一个接近水底的N元水平阵，阵元间距为d，目标与水平方向的夹角为θ。记参考阵元与目标的水平距离为r，则第i个阵元与目标的水平距离可表示为

r

使用水平阵的前N/2个阵元对目标进行波束形成得到复声压信号p

其中，

记

其中，

记

其中，

当目标与阵列水平距离r远大于阵列孔径(目标与阵列水平距离为阵列孔径十倍以上)时，可做如下的近似

将式(6)、式(7)代入式(5)，并整理后有

其中，

当m＝n时，式(8)括号中的第一项是距离和深度的慢变函数；当m≠n时，由于不同模态间的弱相关性，式(8)括号中第二项随距离和深度变化剧烈，在进行距离和深度的平滑后该项消失

其中，

在第m阶模态的上下反转深度[η

上式中，SR

当声源频率较高时，浅水中存在多阶简正波，掠射角趋近连续。故而可将式(9)的累加近似为积分

k

其中，α

其中，α

至此可以得到p

其中，角能量密度

SR(α

有L个频域采样点的宽带信号，水平相关系数可表示为

Γ(f

记Γ的相位为

φ(z

φ(z

在负声速梯度(温跃层)，接收深度接近水底的条件下，由于浅源(表面源)难以激发低阶模态，相较深源(淹没源)，浅源的高阶模态占比较高，水平相关性低(相关系数小)，互谱的相位φ(z

为说明这一特性，在具有图1所示声速梯度的环境中进行仿真。声源频率200Hz至400Hz，声源信号从0°入射。阵元间距为5m的均匀水平阵，阵元数N为80，声源与参考阵元的水平距离r为10km，接收深度z

图3(a)至图3(d)展示了声源深度处于3m、15m、49m和139m时φ(z

A做相位的频域方差

B做相位的频域一阶差分diff(φ(z

C做相位频域一阶差分的方差var(diff(φ(z

借用检测理论中的二元信号检测模型，通过水平阵接收的带噪信号对声源处于水面或水下进行判别。可将问题描述如下

其中，z

在前面使用了三种特征量对相位的变化进行描述，将它们分别作为声源深度判别的统计量，分别记为R

R

具体实施方式二：

本实施方式为一种基于浅水声场相关性的水面水下目标分辨设备，所述设备包括处理器和存储器，应当理解，包括本发明描述的任何包括处理器和存储器的设备，设备还可以包括其他通过信号或指令进行显示、交互、处理、控制等以及其他功能的单元、模块；

还应当理解，存储器可以包括其上存储有指令的非暂时性机器可读介质，所述指令可以用于编程计算机系统，或其他电子装置。存储介质可以包括但不限于磁存储介质，光存储介质；磁光存储介质包括：只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)以及闪存层；或者适合于存储电子指令的其他类型的介质。

所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的一种基于浅水声场相关性的水面水下目标分辨方法。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。