CN104765039B - 利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及属于水声工程、海洋工程和声纳技术等领域，尤其涉及一种利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法，适用于浅海目标被动探测,本发明的目的在于提供一种利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法。本发明包括以下步骤：在浅海水声信道中放置短垂直阵；利用短垂直阵的空间孔径；构造常规波束形成加权向量；获取短垂直阵的接收指向性响应；形成短垂直阵对噪声数据和远距离声源的垂直接收指向性；通过比较两者的差异，合理调整短垂直阵的指向获得更高的输出信噪比。本发明充分利用浅海中垂直阵对海洋环境噪声和远距离声源辐射信号的接收指向性响应的差异，提高接收信号输出信噪比，进而提高了被动声纳的作用距离。

Description

利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法

技术领域

本发明涉及属于水声工程、海洋工程和声纳技术等领域，尤其涉及一种利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法，适用于浅海目标被动探测。

背景技术

以反潜需求为例，在上个世纪后半叶，随着潜艇降噪和消回波技术取得巨大进展，潜艇辐射噪声显著减小。这使得被动声纳的作用距离急剧减小，甚至达到了两艘安静型潜艇互不发现以至相撞的地步。而作为背景噪声的海洋环境噪声极其复杂，特别是在浅海环境条件下更是如此。为了能够对安静型潜艇进行有效的反潜作战，迫切需要声纳系统提高对微弱信号的检测、定位、识别和跟踪能力。

对浅海中的背景噪声进行建模和预报是非常困难的。其原因是，浅海环境噪声强烈依赖于时间和空间。如果在海面附近存在一个等温混合层，那么背景噪声(中、高频)的接收指向性响应就会在水平方向上形成一个显著的凹槽。其原因是声线的向下折射使得风成噪声或远处航船的噪声以相对陡的角度向前传播。但是，环境的变化可能会使噪声重新分布在更浅的角度上，进而会填补这个凹槽。例如，当受到内波等的影响时，声传播过程中可能会出现强模态耦合，这可能导致噪声的凹槽被减弱，甚至消失。

对于给定的海域，在一段较短的时间内噪声的接收指向性响应往往是相对稳定的。当噪声的垂直接收指向性响应在水平方向形成凹槽时，这就给声纳设备检测从水平方向到达基阵的信号提供了一个非常有力的窗口。但是，受波导中多途效应的影响，声源辐射的信号往往会裂变为多个具有不同出射角的波束，使得信号并不总是从水平方向到达基阵。

因此，研究如何充分利用浅海中垂直阵对海洋环境噪声和远距离声源辐射信号的接收指向性响应的差异，提高接收信号输出信噪比，进而提高被动声纳的作用距离，显得尤为迫切。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法，特别适用于夏季浅海环境下水下目标被动探测。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤1：在浅海水声信道中放置短垂直阵；

步骤2：利用短垂直阵的空间孔径；

步骤3：构造常规波束形成加权向量；

步骤4：获取短垂直阵的接收指向性响应；

步骤5：形成短垂直阵对噪声数据和远距离声源的垂直接收指向性；

步骤6：通过比较两者的差异，合理调整短垂直阵的指向获得更高的输出信噪比。

进一步的详细的包括以下步骤：

步骤1：利用水听器对水声信号进行采样，对水听器接收信号进行带通滤波，这里以窄带信号为例。

步骤2：利用窄带时域快拍模型对采样比较稳定的数据来估计其协方差矩阵，数据协方差矩阵由式(1)表示：R_x(θ₀)＝E[x(θ₀)^*x(θ₀)^T]…………………………………………(1)

其中，x(θ₀)为基阵接收信号向量：x(θ₀)＝[x₁(θ₀),x₂(θ₀),…,x_N(θ₀)]^T……………(2)

步骤3：对于等间隔线列阵，利用式(3)构造常规波束形成器的加权向量：

w(θ)＝[1,e^ikdcosθ,e^ik2dcosθ,…,e^{ik(N-1)dcosθ}]^T………………………………………………(3)

其中，θ是波束指向角。波数k＝ω/c，c是水中的声速(大约为1500m/s)，d是水听器间距。

步骤4：对于一个给定的方向θ，利用式(4)计算常规波束形成器对信号场或噪声场的接收输出功率响应：

Y(θ)＝|y^*y|＝w(θ)^HR_x(θ₀)w(θ)………………………………………………………(4)

其中，上角标(·)^*表示取共轭，(·)^H表示共轭转置。当信号入射方向θ₀与观测方向θ相同时，式(4)中的Y(θ)达到最大值。因此，在某种程度上，信号场的角度分布可以用式(4)来描述。

步骤5：分别估计短垂直阵对噪声数据和远距离声源的垂直接收指向性，并比较两者的差异。如当噪声的垂直接收指向性响应在水平方向形成凹槽时，给声纳设备检测从水平方向到达基阵的信号提供了一个非常有力的窗口。

步骤6：利用它们之间的差异，通过合理的调整垂直阵的指向获得更高的输出信噪比，进而提高被动声纳的作用距离。

本发明利用短垂直阵的空间孔径，构造常规波束形成加权向量，计算常规波束形成器对信号场或噪声场的接收输出功率响应。

本发明利用浅海环境中，特别是夏季浅海环境，垂直阵对环境噪声的接收指向性响应在水平方向形成凹槽，它给被动声纳设备检测从水平方向到达基阵的信号提供了一个非常有力的窗口。

本发明充分利用垂直阵对环境噪声和远距离声源接收指向性响应的差异，通过合理调整垂直阵的指向获得更高的输出信噪比，进而提高被动声纳的作用距离。

本发明受浅海波导中多途效应的影响，远距离声源辐射的信号可能会裂变为多个具有不同出射角的波束，使得信号并不总是从水平方向到达接收基阵，而随着海洋环境的变化，环境噪声可能分布在水平方向或其他方向上，这就使得声源和噪声的能量极有可能分别集中在不同的角度上，从而为利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离提供了可靠保证。

附图说明

图1为本发明垂直阵对噪声数据的垂直接收指向性示意图。

图2为本发明垂直线列阵对远距离声源信号的垂直接收指向性。

图3为分发明垂直阵的归一化输出能量谱。

其中：(a)垂直阵指向角θ＝0°；(b)子阵指向角θ＝7.6°。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

一种利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法，包括以下步骤：

步骤1：在浅海水声信道中放置短垂直阵；

步骤2：利用短垂直阵的空间孔径；

步骤3：构造常规波束形成加权向量；

步骤4：获取短垂直阵的接收指向性响应；

步骤5：形成短垂直阵对噪声数据和远距离声源的垂直接收指向性；

步骤6：通过比较两者的差异，合理调整短垂直阵的指向获得更高的输出信噪比。

进一步的详细的包括以下步骤：

步骤1：利用水听器对水声信号进行采样，对水听器接收信号进行带通滤波，这里以窄带信号为例。

步骤2：利用窄带时域快拍模型对采样比较稳定的数据来估计其协方差矩阵，数据协方差矩阵由式(1)表示：R_x(θ₀)＝E[x(θ₀)^*x(θ₀)^T]…………………………………………(1)

其中，x(θ₀)为基阵接收信号向量：x(θ₀)＝[x₁(θ₀),x₂(θ₀),…,x_N(θ₀)]^T……………(2)

步骤3：对于等间隔线列阵，利用式(3)构造常规波束形成器的加权向量：

w(θ)＝[1,e^ikdcosθ,e^ik2dcosθ,…,e^{ik(N-1)dcosθ}]^T………………………………………………(3)

其中，θ是波束指向角。波数k＝ω/c，c是水中的声速(大约为1500m/s)，d是水听器间距。

步骤4：对于一个给定的方向θ，利用式(4)计算常规波束形成器对信号场或噪声场的接收输出功率响应：

Y(θ)＝|y^*y|＝w(θ)^HR_x(θ₀)w(θ)………………………………………………………(4)

其中，上角标(·)^*表示取共轭，(·)^H表示共轭转置。当信号入射方向θ₀与观测方向θ相同时，式(4)中的Y(θ)达到最大值。因此，在某种程度上，信号场的角度分布可以用式(4)来描述。

步骤5：分别估计短垂直阵对噪声数据和远距离声源的垂直接收指向性，并比较两者的差异。如当噪声的垂直接收指向性响应在水平方向形成凹槽时，给声纳设备检测从水平方向到达基阵的信号提供了一个非常有力的窗口。

步骤6：利用它们之间的差异，通过合理的调整垂直阵的指向获得更高的输出信噪比，进而提高被动声纳的作用距离。

进一步地，本发明利用短垂直阵的空间孔径，构造常规波束形成加权向量，计算常规波束形成器对信号场或噪声场的接收输出功率响应。

进一步地，本发明利用浅海环境中，特别是夏季浅海环境，垂直阵对环境噪声的接收指向性响应在水平方向形成凹槽，它给被动声纳设备检测从水平方向到达基阵的信号提供了一个非常有力的窗口。

进一步地，本发明充分利用垂直阵对环境噪声和远距离声源接收指向性响应的差异，通过合理调整垂直阵的指向获得更高的输出信噪比，进而提高被动声纳的作用距离。噪声数据分析

伪随机信号不再连续发射，其发射间隔为30s。尽管声源每分钟只有30s发射信号，但数据采集系统对48元水听器的输出采样是连续的。因此，当声源不发射信号时，可以得到335Hz附近的纯噪声数据。噪声频率选为335Hz是为了与后面将要分析的中心频率为335Hz的信号数据作对比。这些噪声数据可以用来分析垂直阵对噪声的接收指向性响应。

噪声数据先通过333～337Hz的带通滤波器进行滤波，使其变为窄带噪声。利用窄带时域快拍模型采样比较稳定的25s噪声数据来估计其协方差矩阵。图1给出了垂直线列阵对噪声数据的接收指向性响应。垂直线列阵由21个连续的水听器组成。用各子垂直线列阵中间水听器的深度表示子垂直线列阵的深度。正的角度表示波束指向海底(下视波束)，用以捕获经海底反射后向上传播的信号；负的角度对应于指向海面的波束(上视波束)，用来捕获经海面反射后向下传播的信号。位于下层低声速水域的子垂直线列阵的接收指向性响应在水平方向上存在弱的凹槽。凹槽处的接收指向性响应比其最大值低3～4dB。随着子垂直线列阵逐渐向上层高声速水域移动，凹槽逐渐消失，子垂直线列阵接收指向性响应的主瓣出现在水平方位上。

实施例

如图1所示，信号数据分析

声源发射信号的中心频率是335Hz，数据采样率为1kHz，-3dB带宽近似为30Hz，总共获得大约10分钟的数据。值得注意的是实验数据中同时包含信号和噪声两部分。阵元输入信噪比约为10dB。由于主要关心窄带问题，因此可以利用窄带时域波束形成方法来分析垂直线列阵对远距离声源信号的接收指向性响应。通过一个通带为333～337Hz的FIR带通滤波器对接收到的实验数据进行滤波，使其变为窄带信号。信号协方差矩阵采用60s实验数据的平均来估计。

如图2所示，给出了子垂直接收阵对远距离声源信号数据的接收指向性响应。垂直线列阵同样由21个连续的水听器组成。用各子阵中间水听器的深度表示子垂直线列阵的深度。由图可见，对于所有深度上的子垂直线列阵，其对远距离声源信号的接收指向性响应在水平方向形成清晰的凹槽。子垂直线列阵接收指向性响应的最大值角度已偏离了水平方向，即信号能量主要从海底和海面方向到达基阵。

如图3所示，给出了垂直线列阵对实验数据进行处理得到的输出能量谱。该垂直线列阵由靠近海面的21个水听器组成，其深度范围为18.7～58.7m。当垂直线列阵指向水平方向时，其平均输出信噪比约为13.6dB。当垂直线列阵指向最大的信号能量方向θ＝7.6°时，320～350Hz频带内的信号明显强于背景噪声，其平均输出信噪比约为23.7dB。由此可见，通过合理调整基阵的指向，使其由水平方向(即凹槽方向)调向最大信号能量方向，基阵的输出信噪比提高约10dB。

如果噪声场同样具有方向性，则基阵指向最大信号能量方向时并不能获得最大的输出信噪比。浅海波导中，垂直线列阵对噪声和远距离声源信号的接收指向性响应是不同的。人们可以利用它们的差异，通过合理的调整基阵的指向来获得更高的输出信噪比，进而提高被动声纳的作用距离。

本发明在典型实施例中取得了明显的实施效果，利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法性能优越，易于实现。

Claims (1)

1.一种利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在浅海水声信道中放置短垂直阵；

步骤2：利用短垂直阵的空间孔径；

步骤3：构造常规波束形成加权向量；

步骤4：获取短垂直阵的接收指向性响应；

步骤5：形成短垂直阵对噪声数据和远距离声源的垂直接收指向性；

步骤6：通过比较两者的差异，合理调整短垂直阵的指向获得更高的输出信噪比；

进一步详细的包括以下具体步骤：

利用水听器对水声信号进行采样，对水听器接收信号进行带通滤波，以窄带信号为例；

利用窄带时域快拍模型对采样比较稳定的数据来估计其协方差矩阵，数据协方差矩阵由式(1)表示：

R_x(θ₀)＝E[x(θ₀)*x(θ₀)^T]………………………………………(1)

其中，x(θ₀)为基阵接收信号向量：

x(θ₀)＝[x₁(θ₀),x₂(θ₀),…,x_N(θ₀)]^T…………………………………(2)

对于等间隔线列阵，利用式(3)构造常规波束形成器的加权向量：

w(θ)＝[1,e^ikdcosθ,e^ik2dcosθ,…,e^{ik(N-1)dcosθ}]^T……………………………(3)

其中，θ是波束指向角；波数k＝ωc，c是水中的声速(大约为1500m/s)，d是水听器间距；

对于一个给定的方向θ，利用式(4)计算常规波束形成器对信号场或噪声场的接收输出功率响应：

Y(θ)＝|y*y|＝w(θ)^HR_x(θ₀)w(θ)…………………………………(4)

其中，上角标(·)^*表示取共轭，(·)^H表示共轭转置，当信号入射方向θ₀与观测方向θ相同时，式(4)中的Y(θ)达到最大值；信号场的角度分布可以用式(4)来描述；

分别估计短垂直阵对噪声数据和远距离声源的垂直接收指向性，并比较两者的差异；所述噪声的垂直接收指向性响应在水平方向形成清晰的凹槽时，给声纳设备检测从水平方向到达基阵的信号提供了一个非常有力的窗口；

利用它们之间的差异，通过合理的调整垂直阵的指向获得更高的输出信噪比，进而提高被动声纳的作用距离。