CN108107436B - 一种基于可靠声路径的水下目标主动分类与定位方法 - Google Patents

一种基于可靠声路径的水下目标主动分类与定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于可靠声路径的水下目标主动分类与定位方法，先利用主动探测方法获得目标场景中俯仰角‑距离二维图，并根据可靠声路径画出一条俯仰角‑距离曲线，利用该曲线对目标分类以提取水下目标的俯仰角和距离，结合声场信息将水下目标的俯仰角和距离转换为水平距离和深度，获得定位结果，本发明可以在深海环境对目标进行有效定位。

Description

一种基于可靠声路径的水下目标主动分类与定位方法
技术领域
本发明属于阵列信号处理领域，特别涉及一种基于可靠声路径的水下目标主动分类与定位方法。
背景技术
深海可靠声路径(RAP:reliable acoustic path)是深海所特有的声传播的信道。RAP出现条件是换能器位于深海临界深度以下(临界深度处声速等于海面附近声速)，此时会形成从海面到换能器的声传播路径。此声传播路径不受近海面效应或海底相互作用的影响，传播信号稳定可靠，因此被称为可靠声路径(Rui D,Kun-De Y,Yuan-Liang M,et al.Areliable acoustic path:Physical properties and a source localization method[J].Chinese Physics B,2012,21(12):124301.)。
由于RAP的稳定传播和临界深度下低噪声等优点，相关人员提出利用RAP对目标进行定位。目前，相关人员多研究在深海放置接收水听器，利用RAP来被动探测位于海面或较浅处的目标。但是，当目标的辐射噪声级较低时，利用RAP进行被动探测的方法面临着接收信号级较弱的问题，导致探测性能下降。同时，利用RAP被动探测时，主要集中在低频段处理，容易导致目标参数(到达角、到达时延等)的估计效果较差，影响对目标的有效定位和分类。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对利用可靠声路径进行被动探测时的缺点，本发明提出一种利用可靠声路径的主动分类与定位方法。所提方法主要分为分类和定位两大步骤。在分类阶段，采用单个发射换能器和一个多元接收阵(两者组成单基地声纳并位于临界深度以下)，单个发射换能器发射脉冲信号并向上照射目标。垂直接收阵采集目标回波，进行多波束处理获得目标场景的俯仰角-距离二维分布，利用离线计算得到的海面(深度小于10米)俯仰角-距离坐标连线对目标场景的俯仰角-距离二维分布中的亮点进行分类，以提取出水下目标所对应的亮点。在定位阶段，通过提取峰值获得水下目标亮点的俯仰角-距离信息，并将该亮点的俯仰角-距离信息转换为水平距离-深度信息，最终获得水下目标的定位与分类结果。
本发明的技术方案是：一种基于可靠声路径的水下目标主动分类与定位方法，包括以下步骤：
步骤一：构建单基地主动声纳系统，包括以下子步骤：
子步骤1)：选取N个水听器组成多元垂直接收阵，水听器成直线排列，轴线重合，其中N取整数，且8≤N≤128；设定多元垂直接收阵轴线方向为y方向，与y方向相互垂直的方向为x方向；
子步骤2)：选取一个发射换能器位于多元垂直接收阵下方，与多元垂直接收阵共同组成单基地主动声纳系统，该单基地主动声纳系统置于临界深度之下；
步骤二：发射换能器发射脉冲信号：目标回波到达垂直接收阵时在俯仰方向上的入射角形成俯仰角，其中俯仰角朝向海面方向为正方向，朝向海底方向为负方向；发射换能器以俯仰角发射脉冲信号，同时避免俯仰角朝向为负方向；所发射的脉冲信号沿着可靠声路径照射到水下目标后形成目标回波；目标回波通过原路径返回，到达多元垂直接收阵上的所有水听器；
步骤三：多元垂直接收阵对目标回波进行多波束处理，获得目标场景的俯仰角-距离二维图，包括以下子步骤：
子步骤1)：首先对目标回波进行匹配滤波，得到N个水听器上的匹配滤波输出
yn(t)＝xn(t)*sc(T-t)
其中，yn(t)为第n个水听器上回波的匹配滤波输出，*表示求卷积，[]c表示对中括号中的变量求共轭；
子步骤2)：对N个水听器上的匹配滤波输出在俯仰方向进行多波束处理，获得信号在俯仰波束输出上的散射声强，形成俯仰角-距离二维强度图，其中俯仰角指目标回波到达垂直接收阵时在俯仰方向上的入射角，距离指多元垂直接收阵列几何中心与水下目标之间的声传播路径的距离；
步骤三：利用软件离线计算得到距离海面h(h<10)米处的俯仰角-距离坐标，将这些坐标点连接成线获得俯仰角-距离坐标连线；
步骤四：在俯仰角度-距离二维强度图上的多个目标亮点中找出位于海面俯仰角-距离坐标连线之下的目标亮点，并将这些目标亮点标记为水下目标；
步骤五：使用声场仿真软件(如KRAKEN)计算水下目标的俯仰角、距离所对应的水平距离和深度，获得水下目标的定位结果。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中的俯仰角-距离坐标连线构建如下：根据探测距离为2千米到40千米的范围内，将深度小于等于10米的海面附近区域在水平距离上进行网格离散化。水平方向的网格点间距设为100米。垂直方向仅使用1个网格点，其对应深度为10米。假设每个网格点上都有一个海面目标，利用声场软件等离线计算每个网格点上的海面目标所对应的俯仰角-距离坐标，将这些坐标点连接成线获得海面俯仰角-距离坐标连线。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明针对基于可靠声路径的被动探测方法的不足，提出将单基地主动声纳布置于临界深度以下，利用可靠声路径照射目标并利用多元接收阵提取目标直达波到达时延和到达角，最终获得有效的目标分类和定位结果。
本发明的基本原理和实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明：利用本发明所提出的利用可靠声路径的主动定位方法可以在深海环境对目标进行有效分类和定位。
附图说明
图1为可靠声路径环境下所提主动定位方法的坐标示意图；
图2从海面离散网格点到俯仰角-距离坐标连线之间的转换示意图；
图3为本发明的主要步骤流程；
图4为本发明中处理回波获得分类定位结果的流程；
图5为实施实例总俯仰角-距离二维图，其中实线为海面(对应深度为10米)所对应的俯仰角-距离坐标连线；
图6为图5的细节放大图；
具体实施方式
本发明的主要内容有：
1)将水下目标的探测分为先分类后定位的两大步骤。先利用主动探测方法获得目标场景中俯仰角-距离二维图，并根据可靠声路径画出一条俯仰角-距离曲线，利用该曲线对目标分类以提取水下目标的俯仰角和距离，结合声场信息将水下目标的俯仰角和距离转换为水平距离和深度，获得定位结果。
2)将单个发射换能器和多元垂直接收阵放置在深海临界深度之下，发射换能器发射脉冲信号，多元垂直接收阵采集回波。单个发射换能器和多元垂直接收阵组成单基地声纳系统，多元垂直接收阵为直线阵，其中水听器数目为8到128之间，包括8和128。发射换能器发射脉冲信号(包括线性调频信号、离散频率编码信号等长脉冲信号)，沿着可靠声路径照射到水下和水面目标。目标回波同样通过可靠声路径返回，到达垂直接收阵，垂直接收阵对这些回波进行采集。
3)处理多元阵上采集的目标回波，获得目标场景的俯仰角-距离二维图。使用直线阵波束形成方法对多元垂直接收阵的回波进行多波束处理，波束扫描在俯仰方向上进行，获得目标场景的俯仰角-距离二维图。此处俯仰角指目标回波到达垂直接收阵时在俯仰方向上的入射角，距离指接收阵列几何中心与目标之间的声传播路径的距离。
4)利用离线计算得到的海面俯仰角度-距离坐标连线和获得的目标场景俯仰角度-距离二维图，对水下目标进行分类和定位。利用声场软件等离线计算得到该海洋环境下海面(深度小于等于10米)所对应的俯仰角-距离坐标，将这些坐标点连接成线获得海面(深度小于等于10m)的俯仰角-距离坐标连线。在目标场景俯仰角度-距离二维图上找出位于海面俯仰角-距离坐标连线之下的亮点，将这些亮点标记为水下目标，并将这些亮点的俯仰角-距离信息转换为水平距离-深度信息。
5)通过计算机数值仿真给出了本发明提出方法的定位结果，从定位结果证明了本发明提出的方法可以对水下目标进行有效分类与定位。
具体步骤如下：
步骤1)主要涉及单个发射换能器和多元垂直接收阵的布置以及信号的发射与接收，具体内容如下。
单个发射换能器和多元垂直接收阵放置于临界深度之下，由于所探测目标较远(目标水平距离大于2千米)，单个发射换能器和多元垂直接收阵构成单基地主动声纳系统，其示意图和坐标系统如图1所示，其中俯仰角往上设为正方向，往下设为负方向。发射换能器以一定的垂直开角发射脉冲信号，同时避免俯仰角为负值(即声波出射角度向下)的声线与海底接触。
发射信号为脉冲信号，可以选择线性调频信号、离散频率编码信号等具有良好脉冲压缩性能的波形。以线性调频信号为例，其表达式为：
Figure BDA0001522462040000051
其中，f为中心频率，k为调频斜率，τ0为脉宽，T为发射周期。
设多元垂直接收阵上的水听器个数为N。为了保证足够的阵增益和角度分辨率，N的值限制在8至128之间，包括8和128。相邻水听器间距为发射信号中心频率所对应的半波长。为简化分析，不考虑传播损失、多普勒频移和水体的非线性效应等，设第n(n＝1,2,…,N)个接收水听器上的回波为xn(t)，其可以表示为：
Figure BDA0001522462040000061
其中，σp为目标场景中第p个散射体的散射强度，P为目标场景中的散射体个数，rp,n为声波在第n个水听器到底p个散射体之间传播时的单程距离。
步骤2)主要涉及对多元垂直接收阵采集的目标回波信号进行多波束处理，获得目标场景的俯仰角-距离二维图，具体内容如下。
用发射信号波形对目标回波进行匹配滤波，得到匹配滤波输出
yn(t)＝xn(t)*sc(T-t) (3)
其中，yn(t)为第n个水听器上回波的匹配滤波输出，*表示求卷积，[]c表示对中括号中的变量求共轭。
对N个水听器上的匹配滤波输出在俯仰方向进行多波束处理。以窄带信号为例，其波束形成可表示为：
Figure BDA0001522462040000062
其中Bq(t)代表第q个俯仰波束的输出，wn(θq)为第n个水听器上的波束形成加权值，[·]*代表求共轭。
计算所有Q个俯仰波束输出上的散射声强，获得目标场景的俯仰角-距离二维图。
步骤3)主要涉及利用海面俯仰角-距离坐标连线对步骤2)中获得的目标场景俯仰角-距离二维图进行处理，获得水下目标的分类与定位结果，具体内容如下。
根据探测范围的水平距离(2千米到40千米)，将海面附近区域(深度小于等于10米)在水平距离上进行网格离散化。水平方向的网格点间距设为100米。垂直方向仅使用1个网格点，其对应深度为10米。假设每个网格点上都有一个海面目标，利用声场软件等离线计算每个网格点上的海面目标所对应的俯仰角-距离坐标，将这些坐标点连接成线获得海面俯仰角-距离坐标连线。从海面离散网格点到俯仰角-距离坐标连线之间的转换示意图如图2所示。
对目标场景俯仰角度-距离二维图上的亮点所在俯仰角和距离坐标进行估计，并将估计出的俯仰角和距离所在的位置与海面俯仰角-距离坐标连线进行对比，将位于海面俯仰角-距离坐标连线之下的亮点标记为水下目标，完成对水下目标的分类。
使用声场仿真软件等计算水下目标的俯仰角、距离所对应的水平距离和深度，获得水下目标的定位结果。
本发明的主要步骤流程如图3所示，对回波进行处理以获得分类和定位结果的流程如图4所示。
以典型的深海环境为例，给出本发明的实施实例。实施实例利用计算机进行数值仿真，来检验本发明所提方法的效果。
1)RAP环境
假设海深5000米，声速剖面为MUNK剖面，其临界深度为3600米。
2)换能器参数
声纳系统位于临界深度以下，为4000米深。发射声源发射如式(1)所示的线性调频信号，其中f＝2000Hz，k＝25s-2，τ0＝4s，T＝60s。发射角度为30°至-5°，此时声波不与海底接触。接收阵为64元水平线列阵。
3)仿真实际接收信号及其处理并获得目标场景的俯仰角-距离二维图
假设目标位于水深300米，水平距离25000米处。水面干扰的船只分别位于水深5米(该水深为船只吃水深度)、水平距离25000米处和水深10米(该水深为船只吃水深度)、水平距离24000米处。使用Bellhop射线模型求解，发射换能器-目标-接收线列阵路径直达波到达角度θT、回波时延τT、幅度AT和相移φT；发射换能器-干扰物-接收线列阵路径直达波到达角度θB1、回波时延τB1、幅度AB1和相移φB1以及发射换能器-干扰物-接收线列阵路径直达波到达角度θB2、回波时延τB2、幅度AB2和相移φB2。对应于三个路径，分别将发射的线性调频信号进行相应的时延与相移。设声呐声源级为205dB、噪声级50dB、目标强度15dB、信噪比10dB，将幅度调整为该路径回波的幅度，得到该路径的回波波形。将三个路径的回波相加，并加上白噪声，就得到仿真出的接收阵处目标回波。将此回波按水听器位置和直达波到达角度进行相应的时延，得到各水听器接收的回波波形。将各水听器接收的回波按技术方案中步骤2)进行处理，其中频域滤波采用截止频率为1950Hz和2050Hz的四阶巴特沃斯带通滤波器，目标方位估计采用常规波束形成算法，最终得到目标回波的直达波平均到达时延和直达波到达角度。计算所有Q个俯仰波束输出上的散射声强，获得目标场景的俯仰角-距离二维图，如图5所示。
4)利用海面俯仰角-距离坐标连线对获得的目标场景仰角-距离二维图进行处理，
获得水下目标的分类与定位结果。
根据探测范围的水平距离(2千米到40千米)，将海面附近区域(深度小于等于10米)在水平距离上进行网格离散化。水平方向的网格点间距设为100米。垂直方向仅使用1个网格点，其对应深度为10米。假设每个网格点上都有一个海面目标，利用声场软件等离线计算每个网格点上的海面目标所对应的俯仰角-距离坐标，将这些坐标点连接成线获得海面俯仰角-距离坐标连线，如图5中的实线所示。
图6为图5的局部放大图，将位于海面俯仰角-距离坐标连线之上的亮点标记为水面的干扰船只，将位于海面俯仰角-距离坐标连线之下的亮点标记为水下目标，完成对水下目标的分类。
通过峰值搜索，得出该水下目标所对应的俯仰角和距离分别是-1.5°和25631.075米。使用声场仿真软件等计算该水下目标的俯仰角、距离所对应的水平距离和深度，得到水下目标在水平距离25000米，深度为300m的位置上，最终获得水下目标的定位结果。
根据实施实例可知，本发明所提出的利用可靠声路径的水下目标主动分类与定位方法，通过分类和定位的两步处理方式，可以有效获得水下目标的定位结果。

Claims (2)

1.一种基于可靠声路径的水下目标主动分类与定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建单基地主动声纳系统，包括以下子步骤：
子步骤1)：选取N个水听器组成多元垂直接收阵，水听器成直线排列，轴线重合，其中N取整数，且8≤N≤128；设定多元垂直接收阵轴线方向为y方向，与y方向相互垂直的方向为x方向；
子步骤2)：选取一个发射换能器位于多元垂直接收阵下方，与多元垂直接收阵共同组成单基地主动声纳系统，该单基地主动声纳系统置于临界深度之下；
步骤二：发射换能器发射脉冲信号：目标回波到达垂直接收阵时在俯仰方向上的入射角形成俯仰角，其中俯仰角朝向海面方向为正方向，朝向海底方向为负方向；发射换能器以俯仰角发射脉冲信号，同时避免俯仰角朝向为负方向；所发射的脉冲信号沿着可靠声路径照射到水下目标后形成目标回波；目标回波通过原路径返回，到达多元垂直接收阵上的所有水听器；
步骤三：多元垂直接收阵对目标回波进行多波束处理，获得目标场景的俯仰角-距离二维图，包括以下子步骤：
子步骤1)：首先对目标回波进行匹配滤波，得到N个水听器上的匹配滤波输出
yn(t)＝xn(t)*sc(T-t)
其中，yn(t)为第n个水听器上回波的匹配滤波输出，*表示求卷积，[]c表示对中括号中的变量求共轭；xn(t)表示第n个水听器上的目标回波，T为发射周期；
子步骤2)：对N个水听器上的匹配滤波输出在俯仰方向进行多波束处理，获得信号在俯仰波束输出上的散射声强，形成俯仰角-距离二维强度图，其中俯仰角指目标回波到达垂直接收阵时在俯仰方向上的入射角，距离指多元垂直接收阵列几何中心与水下目标之间的声传播路径的距离；
步骤四：利用软件离线计算得到距离海面h≤10米处的俯仰角-距离坐标，将这些坐标点连接成线获得俯仰角-距离坐标连线；
步骤五：在俯仰角度-距离二维强度图上的多个目标亮点中找出位于海面俯仰角-距离坐标连线之下的目标亮点，并将这些目标亮点标记为水下目标；
步骤六：使用声场仿真软件KRAKEN计算水下目标的俯仰角、距离所对应的水平距离和深度，获得水下目标的定位结果。
2.如权利要求1所述的一种基于可靠声路径的水下目标主动分类与定位方法，其特征在于，所述步骤四中的俯仰角-距离坐标连线构建如下：根据探测距离为2千米到40千米的范围内，将深度小于等于10米的海面附近区域在水平距离上进行网格离散化；水平方向的网格点间距设为100米；垂直方向仅使用1个网格点，其对应深度为10米；假设每个网格点上都有一个海面目标，利用声场软件离线计算每个网格点上的海面目标所对应的俯仰角-距离坐标，将这些坐标点连接成线获得海面俯仰角-距离坐标连线。
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