CN105301582B - 一种水下声场中的弱信号增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下声场中的弱信号增强方法。包括以下步骤：利用非线性波动方程建立弱信号增强的参数模型；测量介质的非线性参数；估计声场中弱信号的频率和幅度；由接收点R₀前d米处的泵波发生器发射两列角频率为ω₂和ω₃的泵波信号，在声波的传播过程中将泵波的能量转化为弱信号波的能量；根据泵波发生器与接收水听器之间的收发距离d,调整泵波信号的幅度，使接收水听器与弱信号增强模型的最大增益点位置一致，实现弱信号的最大增强；本发明的增强效果不受基阵尺度的制约，并对于信号的初始声压级不敏感，不存在相同步条件，增强方法具有较强的稳定性。

Description

一种水下声场中的弱信号增强方法

技术领域

本发明属于水声弱信号增强技术，尤其涉及一种用于提高弱信号检测的效果的，水下声场中的弱信号增强方法。

背景技术

水声弱信号指被强噪声淹没的微弱水声信号。传统的水声弱信号检测技术通常利用噪声与弱信号的统计特性及相关性的差异来实现弱信号的检测与提取。这种检测方法主要分为两种思路：一种是基于时域信息的检测，通过各种变换来提取特征参数实现检测；另一种思路则基于空域信息，通过阵增益与空域滤波等方法实现弱信号检测。然而这些传统的水声弱信号检测技术对于低频弱信号都有较大的局限性。水声弱信号增强技术对于提高声呐的作用距离，提高探测能力和目标识别准确性具有重要的意义。

参量阵技术产生以后，人们试图利用参量阵逆过程实现对弱信号的检测。文献“Long-aperture parametric receiving arrays.J.Acoust.Soc.Am，1975，Vol.57,No.5：1150-1155.”就曾对此方法进行过探讨，但由于参量阵技术本身存在着阵增益过低和非线性效率的问题，所以这种技术仅仅限于理论上的讨论分析中。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高探测能力和目标识别准确性的，水下声场中的弱信号增强方法。

一种水下声场中的弱信号增强方法，包括以下几个步骤，

步骤一：利用非线性波动方程建立弱信号增强的参数模型；

步骤二：测量介质的非线性参数；

步骤三：估计声场中弱信号的频率和幅度；

步骤四：由接收点R₀前d米处的泵波发生器发射两列角频率为ω₂和ω₃的泵波信号，利用三列声波的非线性耦合共振，在声波的传播过程中将泵波的能量转化为弱信号波的能量；其中三列声波满足三波耦合共振关系，ω₁+ω₂＝ω₃，其中ω₁为弱信号频率；

步骤五：根据泵波发生器与接收水听器之间的收发距离d,调整泵波信号的幅度，使接收水听器与弱信号增强模型的最大增益点位置一致，实现弱信号的最大增强；

步骤六：重复步骤三到步骤六，动态调整泵波波形，得到弱信号的最大增益，实现对时变弱信号的增强。

本发明一种水下声场中的弱信号增强方法，还可以包括：

1、弱信号增强的参数模型为：

其中V(x,t)＝v₁(x,t)+v_a(x,t)，x为位移，t为时间，c₀为声速，β为介质的非线性参数，Γ(V(β,x,t))为非线性势函数，针对复信号v₁(x,t)，泵波发射系统发射的泵波为v_a(x,t)。

2、弱信号的最大增益为：

其中，V_ref为参考质点振速,|a_n(0)|²为泵波的初始能量。

有益效果：

本发明利用非线性原理，通过泵波扰动介质，增强介质的非线性效应，实现水声信号的增强，有利于提高声呐系统的检测能力和作用距离；本发明利用三列声波的耦合共振原理，解决了参量接收阵增益过低和非线性效率的问题。本发明中对于水声信号的增强不受基阵尺度的限制，在合适的环境和参数下，实现弱信号的增强；本发明的水声信号增强效果对于信号的初始声压级不敏感，且不存在相同步条件，增强方法具有较强的稳定性。

本发明基于介质的非线性因素，通过对声波的传播过程施加影响，使接收阵处水介质中的弱信号得以增强的一种新的水声弱信号增强技术。

附图说明

图1水声弱信号增强装置示意图；

图2水声弱信号系统工作流程框图；

图3信号强度随作用距离变化的曲线；

图4声波初始相位差对于信号波增强效果影响的示意图；

图5信号波初始声压级对于其增强效果影响的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明利用泵波激发水介质中的非线性效应，使接收阵处声场的弱信号在强非线性介质中得以增强，从而提高接收端信噪比，提高声呐作用距离，提高探测能力和目标识别准确性，实现对水声弱信号增强作用。

本发明解决其技术问题所采用的方案：

(1)根据介质非线性声波互作用的特性，利用非线性波动方程建立了弱信号增强的参数模型。其中泵波的频率、非线性参数以及声波作用距离是影响模型增强效果的主要因素。

(2)测量介质的非线性参数。

(3)估计声场中弱信号的频率和幅度。

(4)由接收点R₀前d米处的泵波发生器发射两列角频率为ω₂和ω₃的泵波信号，利用三列声波的非线性耦合共振，在声波的传播过程中将泵波的能量转化为弱信号波的能量。其中三列声波满足三波耦合共振关系，ω₁+ω₂＝ω₃，其中ω₁为弱信号频率。

(5)根据泵波发生器与接收水听器之间的收发距离d,调整泵波信号的幅度，使接收水听器与弱信号增强模型理论计算的最大增益点位置一致，以实现弱信号的最大增强。

(6)重复步骤(3)，动态调整泵波波形，实现对时变弱信号的增强，增强本发明的鲁棒性。

一种水下声场中的弱信号增强技术，根据介质的非线性参数以及弱信号的幅度、频率参数动态调整泵波波形，利用泵波激发水介质中的非线性效应，实现弱信号的增强。

泵波波形由弱信号的幅度与接收系统的位置共同决定，利用最佳接收点位置的理论计算公式，反推泵波幅度。

利用收发闭环，动态调整发射参数，提高弱信号增强效果的鲁棒性。

如图1和图2所示，本发明包括以下步骤：

第一步：根据介质非线性声波互作用的特性，利用非线性波动方程建立了弱信号增强的参数模型。针对复信号v₁(x,t)，泵波发射系统发射的泵波为v_a(x,t)。非线性介质中的声场传播满足

其中V(x,t)＝v₁(x,t)+v_a(x,t)，x为位移，t为时间，c₀为声速，β为介质的非线性参数，Γ(V(β,x,t))为非线性势函数。对于稳态声场，V(x,t)具有离散的谱结构。考虑介质的非线性效应，声场能量在传播过程中保持守恒，谱的各成分的变分表达为

(ω_n＝ω_m+ω_k)

其中H为系统的哈密顿量，a_j为V(x,t)离散谱中角频率为ω_j成分的复幅度，为频 率成分间的耦合系数。声波在传播的过程中，满足Manley-Rowe准则，离散谱中各成分满足两个约束

m₁和m₂分别为第一运动常数和第二运动常数。声波在介质中传播过程中，声波各频率成分的能量发生周期性的增强和衰减，在合理调整泵波参数的前提下，可以实现信号在指定区域的增强。

第二步：测量介质的非线性参数，估计声场中弱信号的频率和幅度。

第三步：由接收点R₀前d米处的泵波发生器发射两列角频率为ω₂和ω₃的泵波信号，且满足三波耦合共振关系，ω₁+ω₂＝ω₃，其中ω₁为弱信号频率。

第四步：根据第二步测量的参数，通过动态调整泵波波形，使接收水听器与弱信号增强模型的最大增益点位置一致，实现弱信号的最大增强。发射参数调控依据理论计算的最佳接收点位置

其中,I为第一运动常数,ρ为第一运动常数与第二运动常数的比值,θ为积分变量，φ₀是由声场初始条件决定的参量。

在最佳接收点处，泵波能量将完全转化为信号波的能量，根据弱信号增强模型，可以获得本发明弱信号的最大增益为

其中V_ref为参考质点振速,|a_n(0)|²为泵波的初始能量。

下面结合仿真实例进一步对本发明的效果进行详细说明。

实例参数设置如下：水介质的非线性系数β＝3.6，ρ₀＝998kg/m³，，水的吸收系数为α＝25×10^-15s²/m。由于介质的吸收和波阵面扩展等原因，频率为10kHz的信号波到达泵波发射点T₀的声压级B₁为90dB，利用最佳接收位置的计算方法确定泵波的发射参数。仿真信号强度随距离的变化曲线。图3中的菱形的横坐标为最佳接收点X_Max＝21.48m，该点处水声信号的增益可以达到130dB。

为了细致说明T₀处的初始相位差φ_12|3对本发明效果的稳定性影响，设置T₀处的相位差φ_12|3从-π/2到π/2连续变化，其他参数不变，绘制水声信号声压级变化的二维曲面。其中x轴为传播距离，y轴为T₀处的相位差φ_12|3。由图4可知，本发明对信号的增强效果对于初始相位是稳定的，与理论分析的结果是一致。

由于弱信号的初始声压级会对最佳接收点的位置有影响，图5将其对增强效果稳定性的影响进行了分析。分析了弱信号增强系统对初始声压在40dB到100dB之间的弱信号的增强效果。仿真结果表明，最佳接收点的位置对于弱信号是基本稳定的。

本发明涉及一种水下声场中的弱信号增强技术。它利用非线性原理，通过泵波扰动介质，增强介质的非线性效应，实现水声信号的增强，有利于提高声呐系统的检测能力和作用距离。本发明的增强效果不受基阵尺度的制约，并对于信号的初始声压级不敏感，不存在相同步条件，增强方法具有较强的稳定性。

Claims (1)

1.一种水下声场中的弱信号增强方法，其特征在于：包括以下几个步骤，

步骤一：利用非线性波动方程建立弱信号增强的参数模型；

步骤二：测量介质的非线性参数；

步骤三：估计声场中弱信号的频率和幅度；

步骤四：由接收点R₀前d米处的泵波发生器发射两列角频率为ω₂和ω₃的泵波信号，利用三列声波的非线性耦合共振，在声波的传播过程中将泵波的能量转化为弱信号波的能量；其中三列声波满足三波耦合共振关系，ω₁+ω₂＝ω₃，其中ω₁为弱信号频率；

步骤五：根据泵波发生器与接收水听器之间的收发距离d,调整泵波信号的幅度，使接收水听器与弱信号增强模型的最大增益点位置一致，实现弱信号的最大增强；

步骤六：重复步骤三到步骤六，动态调整泵波波形，得到弱信号的最大增益，实现对时变弱信号的增强；

所述的弱信号增强的参数模型为：

其中 V(x,t)＝v₁(x,t)+v_a(x,t)，x为位移，t为时间，c₀为声速，β为介质的非线性参数，Γ(V(β,x,t))为非线性势函数，针对复信号v₁(x,t)，泵波发射系统发射的泵波为v_a(x,t)。