CN101271155A - 用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法。第一步是分别将声压以及振速信号进行付利叶变换；第二步是对矢量信号的付利叶变换取共轭；第三步是声压信号的付利叶变换与矢量信号的付利叶变换的宫娥相乘；第四步是取实部或者虚部；第五步是进行正负号判决；第六步是根据第五步的正负号判决给出目标的深度分类。本发明针对远程目标的被动探测和目标深度判别，特别是目标深度判别的应用目的开展工作。本发明在海洋综合监测、海岸预警系统、小平台声纳、航空水声浮标等诸方面有重要应用前景。

Description

用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种对水下目标和水上目标的判别的方法，特别是一种利用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法。

(二)背景技术

目标探测一直以来就是声纳技术的重要任务和目的，完成目标探测之后实现对目标的远程被动测向、测距、测速和目标深度判别具有非常重要的意义。如果能够区分远程目标是水上目标还是水下目标也具有非常重要的意义，而对于水上目标和水下目标的识别一直是一个难以解决的问题。针对远程目标的被动测向、测距、测速和目标深度判别，特别是目标深度判别的应用目的开展单矢量传感器(或者双矢量传感器，或者水平矢量阵)的应用基础研究。

美国Scripps实验室的著名教授W.A.Kuperman认为^[1]“海洋波导低频声场干涉结构及其应用”是近代水声学及水声信号处理的重要研究方向。在其指导下，Scripps实验室及其合作伙伴在该方向展开了一系列研究^{[2][3][4][5][6]}，主要集中于垂直阵时间反转镜及垂直阵匹配场方面的研究，应用于水声通信、小目标探测及定位、混响抑制以及主动式目标识别等方面。Kuperman等仅研究了声压场的低频干涉结构及应用，同时也只限于常规垂直水听器阵的应用研究。

目前，与本发明申请有联系的公开报道主要有：利用低频声压干涉谱进行目标运动参数估计.，《哈尔滨工业大学学报(自然科学版)》，2007.09；基于STFT-Hough变换的目标运动分析，《哈尔滨工程大学学报》，2006.02(E.I检索号：071910594718)；低频矢量声场及其应用研究，《声学技术》，2006.03(25)(EI检索号：06109746778)；基于单矢量水听器的几种方位估计方法，《海洋工程》，2006.02(24)等。

虽然垂直阵时间反转镜及垂直阵匹配场方面的研究具有非常重要的意义，但是垂直阵不太适合于安装在运动平台上，在浅海也容易受航船的损坏，而且常规垂直水听器阵无法测量目标方位。矢量声场干涉结构及应用研究较之单纯关注标量场的研究有更宽广的内涵，与标量场干涉结构相比较，矢量场干涉结构含有更丰富的声源、环境的信息，因而可以更灵活地应用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种在海洋综合监测、海岸预警系统、小平台声纳、航空水声浮标等诸方面有重要应用前景的用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法。

本发明的目的是这样实现的：

第一步是分别将声压以及振速信号进行付利叶变换；第二步是对矢量信号的付利叶变换取共轭；第三步是声压信号的付利叶变换与矢量信号的付利叶变换的宫娥相乘；第四步是取实部或者虚部；第五步是进行正负号判决；第六步是根据第五步的正负号判决给出目标的深度分类。

本发明还可以包括：

1、所述的分别将声压以及振速信号进行付利叶变换中的声压以及振速由一个矢量传感器提供。

2、所述的分别将声压以及振速信号进行付利叶变换中的声压以及振速分别由两个传感器提供，而且是利用的是矢量信号的垂直分量。

3、所述的分别将声压以及振速信号进行付利叶变换中的声压以及振速是声压信号以及振速信号分别由两个传感器提供，而且是利用矢量信号的水平分量。

4、所述的取实部或者虚部是取乘积的虚部，即无功分量。

5、所述的取实部或者虚部是取乘积的实部，即有功分量。

关于声场干涉结构及其应用的研究如图4.所示。运动平台均辐射100Hz以下的强低频线谱，它们的声场有很强的相干性，因而需要用波动理论分析波导中点源声场干涉结构。图4中第一个模块就是建模预报或测量声场干涉结构。一般说来，干涉结构是复杂的，不便于在工程中直接应用。图4指出，需要采用某种时、空变换使声场干涉结构携带的信息在变换域上变得简明，或者增强有用的信息，从而便于工程应用。国外学者用垂直阵匹配场处理或垂直阵时间反转镜处理作为主要的“时、空变换”方法，而本发明将单传感器(或者双传感器)矢量分析作为主要的时、空变换方法。

首先讨论浅海波导的矢量声场干涉结构。最简单的、最典型的浅海模型为Pekeries模型，如图5所示。平面边界均匀水层的阻抗为ρ₁c₁，海底流体阻抗为ρ₂c₂，点声源位于柱坐标(0，z₀)，接收点为(r，z)，海面z＝0为绝对软界面。在较远处可仅考虑波导简正波，则接收点的谐和声场声压为：

$p(r,z_0,z)=2\mathrm{\π\ω}{\mathrm{\ρ}}_1\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\sin \left({\mathrm{\β}}_{1n}z\right)F(z_0,{\mathrm{\ξ}}_n)H_0^{\left(1\right)}\left({\mathrm{\ξ}}_{n}r\right)$

$\≈e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{4}}\sqrt{\frac{8\mathrm{\π}}{r}}\mathrm{\ω}{\mathrm{\ρ}}_1\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ξ}}_n}}\sin \left({\mathrm{\β}}_{1n}z\right)F(z_0,{\mathrm{\ξ}}_n)e^{j{\mathrm{\ξ}}_{n}r}---\left(1\right)$

$F(z_0,{\mathrm{\ξ}}_n)=\frac{{\mathrm{\β}}_{1n}\sin \left({\mathrm{\β}}_{1n}{z}_0\right)}{{\mathrm{\β}}_{1n}H-\sin \left({\mathrm{\β}}_{1n}H\right)\cos \left({\mathrm{\β}}_{1n}H\right)-b^2\tan \left({\mathrm{\β}}_{1n}H\right){\sin }^2\left({\mathrm{\β}}_{1n}H\right)}---\left(2\right)$

其中， ${\mathrm{\β}}_{1n}=\sqrt{k_1^2-{\mathrm{\ξ}}_n^2},$ b＝ρ₁/ρ₂，k_i＝ω/c_i(i＝1，2)，n为简正波的序号，ξ_n为第n阶简正波的本征值。

公开文献上仅讨论声压的相干结构，本发明的特色是讨论其矢量声场相干结构。得到声强流的垂直分量I_z为：

$I_z={\mathrm{pv}}_z^{*}$

$\≈j\frac{8\mathrm{\π\ω}{\mathrm{\ρ}}_1}{r}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{\β}}_{1n}}{{\mathrm{\ξ}}_n}\sin \left({\mathrm{\β}}_{1n}z\right)\cos \left({\mathrm{\β}}_{1n}z\right)F^2(z_0,{\mathrm{\ξ}}_n)+j\frac{8\mathrm{\π\ω}{\mathrm{\ρ}}_1}{r}\underset{n,n\≠m}{\mathrm{\Σ}}\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{\β}}_{1m}}{\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_n{\mathrm{\ξ}}_m}}---\left(3\right)$

$\×\sin \left({\mathrm{\β}}_{1n}z\right)\cos \left({\mathrm{\β}}_{1m}z\right)F(z_0,{\mathrm{\ξ}}_n)F(z_0,{\mathrm{\ξ}}_m)\left\{\cos \right[({\mathrm{\ξ}}_m-{\mathrm{\ξ}}_n)r]+j\sin [({\mathrm{\ξ}}_m-{\mathrm{\ξ}}_n)r\left]\right\}$

$=\mathrm{Re}\left\{I_z\right\}+\mathrm{jIm}\left\{I_z\right\}=I_{\mathrm{zR}}+j{I}_{\mathrm{zm}}$

单阶简正波在z方向上为驻波，因而其z方向有功分量为零，多阶简正波干涉声强流垂直分量既有无功分量I_zm，也有有功分量I_zR。无功分量不进行能量传输，但含有目标(源)的信息，也有重要的信号处理价值。

1垂直复声强无功分量数值分析

从矢量信号处理的角度来看，垂直复声强可以被用来检测目标和对目标分类，这一节将对垂直复声强的无功分量进行数值分析。

计算条件：点源辐射单频谐和声波，均匀水层的厚度H＝100m，声速c₁＝1480m/s，密度ρ₁＝1.026g/cm³，海底介质声速c₂＝1550m/s，其密度ρ₂＝1.769g/cm³。

根据上述条件和公式(5)，计算出前5阶简正波的截止频率，示于表1。

表1浅海水层中前5阶简正波的截止频率

当声源辐射声波频率37.4Hz＜f＜62.3Hz时，只需考虑两阶简正波，以40Hz的辐射声波为例，改变声源的深度，当接收矢量传感器分别位于z＝89m、90m、91m处时，垂直复声强无功分量的计算结果如图6所示，横坐标为声源和接收点的水平距离，纵坐标为源的深度。白色区域表示无功分量为正值，而黑色区域表示无功分量为负值。

从结果可以看出，当源深度变化时，垂直复声强的无功分量呈有规变化。无功分量几乎不随水平距离变化，而沿深度方向在40m附近正负号变号。目标不会沿海底航行，则可以40m为判别界限对目标深度进行分类。

2双传感器声压和垂直振速互谱分析

当波导中存在三阶简正波时，声场相干结构变得较为复杂，以70Hz的声波为例，计算垂直复声强无功分量，从图7-a可以看出，此时，用单个矢量传感器接收声波的计算结果不再如图6那样简单，不可用于双择判决，即不能对目标深度进行分类。为此采用双传感器声压和垂直振速互谱进行分析。

双传感器声压和垂直振速互谱形式上与垂直复声强类似，可以称为“垂直交互复声强”，表示为：

${I^{\′}}_z=p(r,z_1)v_z^{*}(r,z_2)$

$\≈j\frac{8\mathrm{\π\ω}{\mathrm{\ρ}}_1}{r}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{\β}}_{1m}}{\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_n{\mathrm{\ξ}}_m}}\sin \left({\mathrm{\β}}_{1n}{z}_1\right)\cos \left({\mathrm{\β}}_{1m}{z}_2\right)F(z_0,{\mathrm{\ξ}}_n)F(z_0,{\mathrm{\ξ}}_m)\×---\left(20\right)$

$\left\{\cos \right[({\mathrm{\ξ}}_m-{\mathrm{\ξ}}_n)r]+j\sin [({\mathrm{\ξ}}_m-{\mathrm{\ξ}}_n)r\left]\right\}$

即用两个传感器分点测量声压和振速的垂直分量，声压传感器的深度为z₁，振速传感器的深度为z₂。取垂直交互复声强的虚部即得其无功分量。

“垂直交互复声强”并不描写物理意义上的复声强，实际上是矢量声场结构经双传感器“复声强”运算后的映射，以便于运用。研究低频声场相干结构及其某种映射以适合工程应用是近代声传播研究值得关注的趋势。

垂直交互复声强无功分量的结果如图7-b和图7-c所示，其中图7-b的声压接收深度为38m，振速接收深度为97m；图7-c的声压接收深度为37m，振速接收深度为96m。可以看出：分点测量声压和振速后计算得到的垂直交互复声强无功分量仍可以对源深度分类，并且使工作频率提高。

3双传感器声压和水平振速互谱分析

上面的结果表明，低频声场中垂直复声强无功分量可以对目标深度分类，但40m左右的临界深度不够理想，比如：当目标为一正在下潜的潜艇时，可能仍然判断其为水面目标，而非水下目标，因此，进而研究了双传感器声压和水平振速的互谱，又称为“水平交互复声强”，其定义与垂直交互复声强类似，在此不再赘述。取水平交互复声强的实部为有功分量，本节采用水平交互复声强有功分量进行分析。

条件同上节，发现同点测量声压和振速得到的水平复声强有功分量均为正值，因此采用深度不同的双传感器测量声压和振速，其中一个为水听器，另一个为振速传感器。数值分析流程如图8所示。

当辐射声波频率为40Hz时，结果示于图9，同样白色区域表示有功分量为正值，黑色区域表示负值。其中图9-a的声压接收深度为52m，振速接收深度为77m；图9-b的声压接收深度为51m，振速接收深度为78m；图9-c的声压接收深度为50m，振速接收深度为79m。

比较图6和图9，可以得出以下结论：后者的结果明显优于前者，后者只把声场分成了两个区域；改变声压和振速接收深度可以改变临界深度的大小，15m或20m左右的有功分量正负变号。

(四)附图说明

图1是p、v_z互谱处理器框图；

图2是垂直交互复声强无功分量计算流程；

图3是水平交互复声强有功分量计算流程；

图4是相干低频声场干涉结构及其应用研究框图；

图5是Pekeris波导示意图；

图6是声源频率为40Hz时垂直复声强无功分量正负号的变化规律。其中：图6-a的接收深度89m、图6-b的接收深度90m、图6-c的接收深度91m；

图7是声源频率为70Hz时的垂直交互复声强无功分量正负号的变化规律。其中：图7-b的声压接收深度为38m，振速接收深度为97m；图7-c的声压接收深度为37m，振速接收深度为96m；

图8是水平交互复声强有功分量处理流程；

图9是声源频率为40Hz时的水平交互复声强有功分量正负号的变化规律。其中：图9-a的声压接收深度为52m，振速接收深度为77m；图9-b的声压接收深度为51m，振速接收深度为78m；图9-c的声压接收深度为50m，振速接收深度为79m。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

实施方式一：单矢量传感器垂直复声强无功分量数值分析用于目标特定深度判别。

对Pekeris波导中点源声场的声强流的特性进行分析可得总的声强流中不仅包含了各阶简正波单独自身的声强流，而且包含了各阶简正波之间相互干涉的能量。水平声强流的有功分量随距离的变化作周期性的变化，会影响到接收信噪比。垂直声强流的无功分量虽不参加声能的输运，当单声矢量传感器做适当放置后却可在信号处理中用以判别目标的特定深度。

可以利用互谱处理器进行处理，其框图如图1所示：

对p(t)、v_z(t)作共轭互谱分析，得到P(f)V_z ^*(f)。其中：

$p\left(t\right)\stackrel{\mathrm{FFT}}{\⇔}P\left(f\right)$

$v_z\left(t\right)\stackrel{\mathrm{FFT}}{\⇔}{V}_z\left(f\right)$

有功分量为Re[P(f)V_z ^*(f)]，无功分量为Im[P(f)V_z ^*(f)]。检测目标的辐射线谱，若Im[P(f)V_z ^*(f)]为负，则判为小于临界深度的目标，否则判为大于临界深度的目标。工程应用中，矢量传感器的布放位置要根据海区的具体环境条件而定。

实施方式二：双传感器声压和垂直振速互谱分析用于目标特定深度判别。

当波导中存在三阶简正波时，声场相干结构变得较为复杂，用单个矢量传感器接收声波的计算结果不可用于双择判决，即不能对目标深度进行分类。为此采用双传感器声压和垂直振速互谱进行分析。双传感器声压和垂直振速互谱形式上与垂直复声强类似，可以称为“垂直交互复声强”，即用两个传感器分点测量声压以及振速垂直分量。取垂直交互复声强的虚部即得其无功分量。“垂直交互复声强”并不描写物理意义上的复声强，实际上是矢量声场结构经双传感器“复声强”运算后的映射，以便于运用。数值分析流程如图2所示。研究低频声场相干结构及其某种映射以适合工程应用是近代声传播研究值得关注的趋势。本发明证明：分点测量声压以及振速之后计算得到的垂直交互复声强无功分量仍可以对源深度分类，并且使工作频率提高。

实施方式三：双传感器声压和水平振速互谱分析。

低频声场中垂直复声强无功分量可以对目标深度分类，为了更加精细的对目标深度分类，进而研究双传感器声压和水平振速的互谱，又称为“水平交互复声强”，其定义与垂直交互复声强类似。取水平交互复声强的实部为有功分量，此处采用水平交互复声强有功分量进行分析。同点测量声压以及振速得到的水平复声强有功分量均为正值，因此采用深度不同的双传感器测量声压以及振速，其中一个为水听器，另一个为振速传感器。数值分析流程如图3所示。实验表明：水平交互复声强有功分量的分析结果明显优于单矢量传感器垂直复声强无功分量数值分析结果，水平交互复声强有功分量的分析只把声场分成了两个区域，而且改变声压以及振速接收深度可以改变临界深度的大小。

总之，三种方法的流程基本上是相同的。第一步是分别将声压以及振速信号进行付利叶变换，不同之处是：第一种方法的声压以及振速由一个矢量传感器提供；而第二种方法是声压信号以及振速信号分别由两个传感器提供，而且是利用的是矢量信号的垂直分量；而第三种方法是声压信号以及振速信号分别由两个传感器提供，而且是利用的是矢量信号的水平分量。第二步是对矢量信号的付利叶变换取共轭。第三步是声压信号的付利叶变换与矢量信号的付利叶变换的宫娥相乘。第四步是取实部或者虚部，不同之处在于第一种方法和第二种方法取乘积的虚部，即无功分量；而第三种方法取乘积的实部，即有功分量。第五步是进行正负号判决。第六步是根据第五步的正负号判决给出目标的深度分类。

Claims (6)

1、用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法，其特征是：第一步是分别将声压以及振速信号进行付利叶变换；第二步是对矢量信号的付利叶变换取共轭；第三步是声压信号的付利叶变换与矢量信号的付利叶变换的宫娥相乘；第四步是取实部或者虚部；第五步是进行正负号判决；第六步是根据第五步的正负号判决给出目标的深度分类。

2、根据权利要求1所述的用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法，其特征是：所述的分别将声压以及振速信号进行付利叶变换中的声压以及振速由一个矢量传感器提供。

3、根据权利要求1所述的用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法，其特征是：所述的分别将声压以及振速信号进行付利叶变换中的声压以及振速分别由两个传感器提供，而且是利用的是矢量信号的垂直分量。

4、根据权利要求1所述的用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法，其特征是：所述的分别将声压以及振速信号进行付利叶变换中的声压以及振速是声压信号以及振速信号分别由两个传感器提供，而且是利用矢量信号的水平分量。

5、根据权利要求1、2或3所述的用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法，其特征是：所述的取实部或者虚部是取乘积的虚部，即无功分量。

6、根据权利要求1或4所述的用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法，其特征是：所述的取实部或者虚部是取乘积的实部，即有功分量。

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