CN108572349B - 一种深海环境下基于模型计算的声源定深方法 - Google Patents

一种深海环境下基于模型计算的声源定深方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种深海环境下基于模型计算的声源定深方法，自海面至海底布置阵元数为M的水听器阵，对所有阵元接收到的信号进行傅里叶变换，对所有阵元进行计算得到
Figure DDA0001630493430000011
基于声场的互易性和时不变性，利用声场模型建模计算，对信号形式没有要求，也没有太复杂的信号处理过程或大量的计算量。根据仿真可知，该定深算法对深海环境下不同声源深度、在不同距离上都具有较好的定深效果。

Description

一种深海环境下基于模型计算的声源定深方法
技术领域
本发明属于深海目标定深方法，水声工程、海洋工程和声呐技术等领域，涉及一种深海环境下基于模型计算的声源定深方法。
背景技术
水下定位一直是水声工程研究的热点，其主要包括目标定向、定深、测距以及运动速度估计等。而随着信号处理技术的水平达到一定的高度后，对水下目标定位的研究开始注重海洋信道的结构和影响，其中匹配场定位是较为常见的基于海洋信道的定位方法之一。近些年，匹配场定位方法开始变得多样化，包括有声线到达角匹配、声线时延差匹配、相关性匹配以及与频率相关的一些匹配方法等。对目标定深、测距以及运动目标的研究也同样有相关的发展。本发明基于不同深度的声源对固定距离上不同深度处接收声压的不同提出了一种简便的声源定深方法。
关于声源定深的问题国内外学者都有大量的研究，主要涉及以下几类：(1)利用目标声源模态的概率密度分布来对声源深度进行估计，这种方法对海洋环境信息需求少但需要大量的计算量；(2)利用声能流有功分量和无功分量正负号的变化来判别目标深度，该种方法需要目标声源频率较低，通常只应用在浅海中；(3)还有些方法利用频散特征对声源深度进行估计，但往往需要较高的信噪比；(4)还有其他一些方法通过模态域处理的手段来进行目标的深度估计，这类方法中模态的选取受海洋环境影响较大，比较复杂且不稳健；(5)另外还有些方法利用谐波干涉、声波到达时延等信息进行定深。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种深海环境下基于模型计算的声源定深方法，基于声场的互易性和时不变性。本发明方法的特点是只需要简单地利用声场模型建模计算，对信号形式没有要求，也没有太复杂的信号处理过程或大量的计算量。
技术方案
在已知水下目标大概距离的情况下，本发明提供了一种简单的深海环境下声源深度预测方法。其物理机理是：在某固定距离上，对于不同深度的声源，接收到的信号结构在深度上具有唯一性。自海面至海底布置阵元数为M的水听器阵，声源定深的具体实现步骤如下：
步骤1：水听器阵的阵元接收到的信号为xn，对所有阵元接收到的信号进行傅里叶变换：
Figure GDA0003336306090000021
其中：k表示谐波序号，对应频域频率为
Figure GDA0003336306090000022
fs为采样频率，N是离散信号序列点数；
步骤2：选择任一频率f0，计算其三分之一倍频程带宽内能量：
Figure GDA0003336306090000023
其中：n1＝fL/df+1,n2＝fH/df+1,
Figure GDA0003336306090000024
df＝fs/N，并将能量归一化：
Figure GDA0003336306090000025
步骤3：对所有阵元进行步骤2计算得到
Figure GDA0003336306090000026
将其进行从大到小排序，取前K个值
Figure GDA0003336306090000027
与该
Figure GDA0003336306090000028
对应的阵元的深度为zg,g＝1,2K，K的取值根据实际中水听器分布的稀疏性而定；
步骤4：利用声场模型进行计算，以zg,g＝1,2K为仿真声源深度，得到模型计算的K个声场，得到已知的目标声源距离r上各深度zj上的声压pj,g,g＝1,2K；
步骤5：计算声压幅值|pj,g|,g＝1,2,K，并将不同声源产生的幅值相加得到
Figure GDA0003336306090000029
步骤6：选择另一个频点作为中心频率，重复步骤2～步骤5，得到不同频点上的计算结果Pj(fm)；将Pj(fm)再相加，得到最后的计算声压结果Presj，筛选出Presj中的最大声压值Presmax，其对应的深度zmax则为预测的声源深度。
所述K的取值为1～100。
自海面至海底布置阵元数为M的水听器阵选择覆盖全水深或选择性地覆盖部分水深。
所述水听器的布放间隔为均匀布放或非均匀布放。
所述水听器间隔为0.1m～100m。
所述声场模型采用声场射线模型Bellhop。
如果只选用了一个频点进行计算则为单频处理过程，如果采用多个频点进行计算则为多频点处理过程。
方法流程图如图1所示，图2给出了声场示意图。我们以图2为例进行简要说明：如图2(a)中所示为实际中接收到某声源发射信号的概况图，在某距离上布置有全深度的水听器，其得到的声压值在不同深度上是不一样的。比如，我们用红色圆表示声压幅值较大的位置，绿色和蓝色表示声压逐渐变小的一些位置。那么在我们找到声压最大的几个位置以后(即图2(a)中红色圆所示位置)，将声源位置分别设置在这些位置上建立声场模型，得到的各声场在相同距离上声压幅值的叠加会在原声源深度上形成最大值(或极大值)，如图2(b)所示。
有益效果
本发明提出的一种深海环境下基于模型计算的声源定深方法，在浅海复杂海底海面环境下性能较差，适用于深海环境，可以实现在深海环境下的稳健定深效果。利用计算机仿真，可以验证本方法的可行性，仿真过程如下所述。
仿真利用bellhop模型，声速剖面如图3所示，海深4000m，海底设为平坦。对声场进行全深度10-4000m划分，间距10m。仿真取声源深度ds＝300，仿真频率分别为200Hz、500Hz、1000Hz，距离范围取r＝2～60km，间隔1km。
仿真中利用传播损失代替声压值作为参量，将能量转换成传播损失(TL)的公式为：
Figure GDA0003336306090000041
其中SL(f0)表示声源级，T表示水听器灵敏度、接收系统放大倍数等所有固定参量综合作用的参数，为一常数，式中各参量单位均为分贝(dB)，由转化公式可知，
Figure GDA0003336306090000042
越大即TL(f0)越小。仿真结果通过接收端深度上传播损失的大小来体现，选取12km上的仿真结果作为例子显示于图4中。图4为声源300m接收距离12km上全深度的传播损失分布，可得其声压值较大(即传播损失较小)的部分在深度1600m附近，仿真中取K＝5，即取声压值最大的前五个深度，将声源深度设在该五个深度上，重新计算声场，得到距离12km上的全深度声压幅值叠加结果，转化为传播损失如图5所示，可以发现，在深度300m上具有传播损失最小值(即声压幅值最大值)，此深度即为预测的声源深度。对2～60km距离上都进行仿真得其结果如图6所示，结果可见，定深结果在单频情况下在大多数距离上都实现了准确定深，在多频点处理情况下(选择200Hz、500Hz、1000Hz)则在全部距离上实现了准确定深。
对不同声源深度的情况，利用多频点处理(选择200Hz、400Hz、600Hz、800Hz及1000Hz五个频点)也进行了仿真，结果示于图7中。仿真结果可见，对于不同的声源深度，该算法也具有可行性。仿真表明，频点的增加有利于算法趋于更精确和稳定。
由以上仿真可知，该定深算法对深海环境下不同声源深度、在不同距离上都具有较好的定深效果。
附图说明
图1：方法流程图
图2：给出了声场示意图：(a)实际接收情况；(b)模型计算反推声源
图3：声速剖面
图4：仿真中接收距离12km上的传播损失分布
图5：仿真验证中声源距离上的传播损失分布
图6：仿真中声源深度300m定深结果
图7：仿真中声源深度100m、200m、300m、400m、500m定深结果(多频点处理)
图8：实验数据结果
图9：模型预测结果
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
对本发明方法进行了一次真实的海上实验验证。实验在某海域布置一套水听器阵，水听器非等间距地分布在100m-3900m的各个深度上，海深约4000m。实验船从水听器阵位置出发，朝某方向前进，途中在某距离上投放爆炸声源。爆炸声源的爆炸深度为300m。实验海区平均声速剖面如图3所示，声道轴约在海深1100m附近。
爆炸声源投放距离为r＝52.39km。实际处理步骤如下：
步骤1：水听器阵的阵元接收到的信号为xn，对所有阵元接收到的信号进行傅里叶变换：
Figure GDA0003336306090000051
其中：k表示谐波序号，对应频域频率为
Figure GDA0003336306090000052
fs为采样频率，N是离散信号序列点数。
步骤2：选择频率200Hz，计算其三分之一倍频程带宽内能量：
Figure GDA0003336306090000053
其中：n1＝fL/df+1,n2＝fH/df+1,
Figure GDA0003336306090000054
df＝fs/N，并将能量归一化：
Figure GDA0003336306090000055
步骤3：对所有阵元进行步骤2计算得到
Figure GDA0003336306090000061
将能量转换成传播损失(TL)的形式，转化后得到各阵元的传播损失在深度上的分布如图8所示，图中可见水听器在150m～500m深度范围内分布较密集，在500～4000m范围内分布较稀疏；选择K＝2，得到两个传播损失最小值(即对应能量最大的2个值
Figure GDA0003336306090000062
)的阵元所在深度为z1＝190m,z2＝210m；
步骤4：利用声场射线模型Bellhop进行计算，以190m,210m为仿真声源深度，得到模型计算的2个声场，得到已知的目标声源距离52.39km上各深度zj上的声压pj,g,g＝1,2；
步骤5：计算声压幅值|pj,g|,g＝1,2，并将不同声源产生的幅值相加得到
Figure GDA0003336306090000063
步骤6：选择另两个频点500Hz、1000Hz，重复步骤2～步骤5(步骤3的结果依然见图8)，得到不同频点上的计算结果Pj(fm)；将Pj(fm)再相加，得到最后的计算声压结果Presj，Presj各深度上的值转换成传播损失的形式如图9所示，Presj中的最大声压值Presmax即对应最小的传播损失，图9可见，最小传播损失所在深度为310m，为预测声源深度。
预测结果(310m)与声源实际深度(300m)非常接近，在误差允许范围内，实现了对声源的定深。

Claims (6)

1.一种深海环境下基于模型计算的声源定深方法，其特征在于：自海面至海底布置阵元数为M的水听器阵，声源定深的步骤如下：
步骤1：水听器阵的阵元接收到的信号为xn，对所有阵元接收到的信号进行傅里叶变换：
Figure FDA0003336306080000011
其中：k表示谐波序号，对应频域频率为
Figure FDA0003336306080000012
fs为采样频率，N是离散信号序列点数；
步骤2：选择任一频率f0，计算其三分之一倍频程带宽内能量：
Figure FDA0003336306080000013
其中：n1＝fL/df+1,n2＝fH/df+1,
Figure FDA0003336306080000014
df＝fs/N，并将能量归一化：
Figure FDA0003336306080000015
步骤3：对所有阵元进行步骤2计算得到
Figure FDA0003336306080000016
将其进行从大到小排序，取前K个值
Figure FDA0003336306080000017
与该
Figure FDA0003336306080000018
对应的阵元的深度为zg,g＝1,2…K，K的取值根据实际中水听器分布的稀疏性而定；
步骤4：利用声场模型进行计算，以zg,g＝1,2…K为仿真声源深度，得到模型计算的K个声场，得到已知的目标声源距离r上各深度zj上的声压pj,g,g＝1,2…K；
步骤5：计算声压幅值|pj,g|,g＝1,2,…K，并将不同声源产生的幅值相加得到
Figure FDA0003336306080000019
步骤6：选择另一个频点作为中心频率，重复步骤2～步骤5，得到不同频点上的计算结果Pj(fm)；将Pj(fm)再相加，得到最后的计算声压结果Presj，筛选出Presj中的最大声压值Presmax，其对应的深度zmax则为预测的声源深度。
2.根据权利要求1所述深海环境下基于模型计算的声源定深方法，其特征在于：所述K的取值为1～100。
3.根据权利要求1所述深海环境下基于模型计算的声源定深方法，其特征在于：自海面至海底布置阵元数为M的水听器阵选择覆盖全水深或选择性地覆盖部分水深。
4.根据权利要求1所述深海环境下基于模型计算的声源定深方法，其特征在于：所述水听器的布放间隔为均匀布放或非均匀布放。
5.根据权利要求1所述深海环境下基于模型计算的声源定深方法，其特征在于：所述水听器间隔为0.1m～100m。
6.根据权利要求1所述深海环境下基于模型计算的声源定深方法，其特征在于：所述声场模型采用声场射线模型Bellhop。
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