CN110488219B - 一种浅海单水听器运动目标距离估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种浅海单水听器运动目标距离估计方法，属于海洋声学信号处理领域，所述方法首先把单水听器接收信号进行分段，并进行FFT，提取需要分析的频段。其次，对提取的频段继续进行FFT运算，求频谱最大值对应的点，得到目标径向速度估计。进而使用最小二乘方法，估计得到目标的最近点距离和时间，目标速度信息。最后，计算得到目标的距离估计结果。本发明方法测距计算过程中，只需要用到水中平均声速这一个环境参数量，即可实现目标距离的估计，对于海洋环境的不确定性具有良好的适应性；方法的计算中两次使用了FFT快速算法，可以保障方法的计算复杂度维持在较小水平。

Description

一种浅海单水听器运动目标距离估计方法
技术领域
本发明属于海洋声学信号处理领域，具体地涉及一种浅海单水听器运动目标距离估计方法。
背景技术
基于强烈的现实需求，使用声学方法实现对水下目标的距离估计和深度估计等一直是水声信号处理领域研究的热点。水声目标定位常用的方法是使用匹配场或者匹配模态方法，此类方法需要多个水听器组成垂直或者水平阵列，接收目标辐射信号。此外还需要水体环境以及地声参数信息，结合声学模型，计算用于匹配场处理的拷贝场向量或者用于匹配模态处理的模态系数向量。匹配场或者匹配模态的处理方法常遇到环境失配问题：如果声学模型中使用的水体环境或者地声参数信息与实际海洋环境不一致，定位常常会出现较大的误差。此外，水听器阵列在实际使用时造价较高，同时现场布放也较为繁琐。
发明内容
为克服现有系统的存在问题，本发明提供了一种浅海单水听器运动目标距离估计方法。该方法只需要平均水中声速这一个环境信息，对海洋环境的不确定性具有良好的适应性，是一个稳健的目标距离估计方法。
本发明解决其技术问题所采用的方法包括以下步骤：
一种浅海单水听器运动目标距离估计方法，所述方法的步骤如下：
第一步，对水听器接收信号s进行分段，每段的长度为L，共分为M段，每段对应的时间为tm，m＝1，2…M，对每个分段的信号进行FFT处理，并抽取期望频率为fc的频段，得到一系列复数向量记为p(tm)，m＝1，2…M；
第二步，对p(tm)，m＝1，2…M进行N点的FFT，求功率最大的点对应的速度即为目标的径向速度vs(t)，其中FFT变换对应的径向速度变换公式为
Figure BDA0002179516560000021
其中
Figure BDA0002179516560000022
取值水中平均声速，在实际中可以通过现场测量、历史数据或者物理海洋模式预报输出得到，
Figure BDA0002179516560000023
为平均水平波数；
第三步，利用最小二乘方法，使用公式
Figure BDA0002179516560000024
求解目标与接收水听器最近点的距离r0和时刻t0，以及目标速度v0；
第四步，基于
Figure BDA0002179516560000025
求解得到目标距离。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明方法测距计算过程中，只需要用到水中平均声速这一个环境参数量，即可实现目标距离的估计，对于海洋环境的不确定性具有良好的适应性；方法的计算中两次使用了FFT快速算法，可以使得方法的计算复杂度维持在较小水平。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是仿真中使用的海洋声场环境；
图3是估计径向速度与理论速度对比；
图4是解算得到的目标距离；
图5是SWellEx-96实验环境示意图；
图6是径向速度估计结果；
图7是径向速度拟合结果，其中虚线代表数据估计出来的径向速度，实线代表经过模型拟合后的径向速度；
图8是本发明方法距离估计结果与GPS数据对比图，其中虚线代表使用GPS数据计算的目标距离，实线代表本发明方法估计得到的目标距离。
具体实施方式
下面通过实施例来对本发明的技术方案作进一步解释，但本发明的保护范围不受实施例任何形式上的限制。
这里首先给出本发明的理论推导过程。考虑一个随距离不变的浅海声场环境，假设海水中目标的速度为v0，深度为zs，观测时间T内目标的速度为v0保持恒定，考虑到实际情况，该假设具有一定的合理性。径向速度可以表示为
Figure BDA0002179516560000031
其中，rt表示目标与接收水听器的距离，r0和t0分别表示目标与接收水听器最近点的距离和时刻。
在t时刻，深度为zr的接收点声场可以用简正波的形式表示为
Figure BDA0002179516560000041
这里φm(z)是模态函数，km是水平阶数，αm是模态吸收系数，M是当前声场环境中所能传播的最大模态数目。
对接收声信号做如下积分运算：
Figure BDA0002179516560000042
其中t1和t2分别表示观测时间T的开始和结束时刻。当观测时间T较短时，径向速度可认为是恒定的，这里用
Figure BDA0002179516560000043
表示，此时，观测时间T内，目标距离rt可以表示为：
Figure BDA0002179516560000044
其中，
Figure BDA0002179516560000045
表示观测时间T开始时刻t1时的目标距离。结合式(2-3)可以得到：
Figure BDA0002179516560000046
进一步简化，
Figure BDA0002179516560000047
其中，
Figure BDA0002179516560000048
Figure BDA0002179516560000049
表示当前环境各个模态的平均水平波数，
Figure BDA00021795165600000410
表示各个模态的平均模态吸收系数，
Figure BDA00021795165600000411
表示观测时间T的平均距离，T结束时刻为t2。从(5)式可以看出，当
Figure BDA00021795165600000412
时，水平波数谱g(kr)将会出现峰值，因此g(kr)也可以称之为水平波数谱。平均水平波数
Figure BDA00021795165600000413
可由
Figure BDA00021795165600000414
计算得到，其中
Figure BDA00021795165600000415
表示平均模态相速度，在精度要求不高时，
Figure BDA00021795165600000416
约等于水中声速，因此平均水平波数
Figure BDA00021795165600000417
可以较为容易得到。进而，可以求得观测时间T内的平均目标径向速度
Figure BDA0002179516560000051
实际计算时(3)式中的
Figure BDA0002179516560000052
项在较短的观测周期T内可以认为是不变的，因而可以设置为1而不影响后续的结果，进而(3)式可以方便的使用快速傅里叶变换等方法计算得到。
在得到径向速度后，即可根据(1)式，使用最小二乘方法求得目标水平速度v0，最近点距离r0以及对应的时间t0，进而可以求得目标的距离：
Figure BDA0002179516560000053
至此我们得到了浅海单水听器的目标距离估计方法，具体的操作步骤(见图3)包括：首先，对水听器接收信号s进行分段，每段的长度为L，共分为M段，每段对应的时间为tm，m＝1，2…M，对每个分段的信号进行FFT处理，并抽取期望频率为fc的频段，得到一些列复数向量记为p(tm)，m＝1，2…M。其次，对p(tm)，m＝1，2…M进行N点的FFT，求功率最大的点对应的速度即为目标的径向速度vs(t)，其中FFT变换对应的径向速度变换公式为
Figure BDA0002179516560000054
Figure BDA0002179516560000055
其中
Figure BDA0002179516560000056
取值水中平均声速，在实际中可以通过现场测量、历史数据或者物理海洋模式预报输出得到。然后，利用最小二乘方法，使用公式
Figure BDA0002179516560000057
求解目标与接收水听器最近点的距离r0和时刻t0，以及目标速度v0。最后，基于
Figure BDA0002179516560000061
求解得到目标距离。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
考虑一个如图2所示的浅海声速负梯度声场环境，它包含一个10米的等温混合层，声速为1533m/s。声速以线性规律降低到40米水深处的1478m/s，随后保持不变直到88米处的海底。海底的声速为1650m/s，密度为1.76g/cm3，声吸收系数为0.8dB每波长。
假设目标的速度v0为2.0m/s，与水听器的最近点距离r0为1000米，时间t0为1000秒，深度为50米，并且发射350Hz的窄带信号。接收水听器的深度为70米。使用kraken模型计算水听器接收声压。
仿真中，时间的步进步长为0.5秒，使用128点FFT计算式(3)，并且取平均模态相速度
Figure BDA0002179516560000062
进而可以得到
Figure BDA0002179516560000063
Figure BDA0002179516560000064
得到如图3所示的目标径向速度，可以看到估计的径向速度与理论速度保持了一致。利用式(1)，可以求得目标的速度v0，与水听器的最近点距离r0，以及对应的时间t0，进而可以利用式(7)得到目标的距离如图4所示。本发明准确的估计到了目标距离。
实施例2
实验数据来自1996年5月美国海洋物理实验室(Marine Physical Lab，MPL)在圣地亚哥市附近海域进行的SWellEx-96实验。实验分为两个航次：S5和S59航次。S5航次中发射船拖着2个声源沿等深线方向行进，声源与垂直阵之间经历了一个由远及近又由近及远的过程。两个声源的深度分别是54m和9m左右。较深的声源发射不同声源级的梳状单频信号，频率范围为49Hz～400Hz。较浅的声源发射9个频率的单频信号，频率范围为109Hz～385Hz。信号的采样率为1500Hz。整个航次持续了75分钟，在航次期间多次使用CTD测量了声速剖面。实验海域海洋环境参数及水听器基阵配置如图5所示，其中垂直阵首阵元深度为94.125m，末阵元深度为212.25m。
选择最深处的水听器数据进行处理(数据处理结果表明，选择其他深度的水听器可以得到类似的结果)，首先对信号进行分段，每1秒一段，对每一段信号进行FFT处理，FFT的点数为1500点，抽出127Hz对应的频段。使用128点FFT进行计算，并且取水中声速为1478m/s，可以得到如图6所示的径向速度估计结果，其中黑色实线为最大值点。可以看到，在大部分时间内，本方法对径向速度都有较好的估计。在第10分钟左右，出现一些偏差较大的点，此为干扰所致。
使用最小二乘方法，得到最近点距离r0＝1058m，最近点时间t0＝3520s，目标运动速度v0＝2.48m/s。相应的拟合结果见图7。这与实际基于GPS的最近点r0|GPS＝902m，最近点时间t0|GPS＝3540s，目标运动速度v0|GPS＝2.55m/s较为一致。这也显示径向速度估计的一些野值点，对最终的距离参数估计影响较小。
计算目标距离，得到如图8所示的结果，可以看到本方法估计结果与GPS计算距离结果较为一致，通过实际计算，距离估计误差为5.38％。

Claims (1)

1.一种浅海单水听器运动目标距离估计方法，其特征在于所述方法的步骤如下：
第一步，对水听器接收信号s进行分段，每段的长度为L，共分为M段，每段对应的时间为tm，m＝1，2…M，对每个分段的信号进行FFT处理，并抽取期望频率为fc的频段，得到一系列复数向量记为p(tm)，m＝1，2…M；
第二步，对p(tm)，m＝1，2…M进行N点的FFT，求功率最大的点对应的速度即为目标的径向速度vs(t)，其中FFT变换对应的径向速度变换公式为
Figure FDA0002384235120000011
其中
Figure FDA0002384235120000012
取值水中平均声速，
Figure FDA0002384235120000013
为平均水平波数；
第三步，利用最小二乘方法，使用公式
Figure FDA0002384235120000014
求解目标与接收水听器最近点的距离r0和时刻t0，以及目标水平速度v0；
第四步，基于
Figure FDA0002384235120000015
求解得到目标距离。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112946702B (zh) * 2021-01-27 2022-10-11 自然资源部第一海洋研究所 一种海洋哺乳动物水下发声分布式在线监测系统
CN112931356B (zh) * 2021-02-09 2022-04-15 自然资源部第一海洋研究所 一种用于水产养殖的智能化按需投料装置及运行方法
CN112931355B (zh) * 2021-02-09 2022-04-15 自然资源部第一海洋研究所 一种基于声学监测自动按需投放鱼饵的方法
CN114510848B (zh) * 2022-04-20 2022-08-02 自然资源部第一海洋研究所 一种海上风电场水下噪声计算方法、软件和测量装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101900811B (zh) * 2010-07-23 2013-02-27 哈尔滨工程大学 一种基于单水听器的被动测距方法
CN103076590A (zh) * 2012-12-31 2013-05-01 东南大学 一种基于频率预估的水声脉冲信号的定位方法
US10042038B1 (en) * 2015-09-01 2018-08-07 Digimarc Corporation Mobile devices and methods employing acoustic vector sensors
CN105301563B (zh) * 2015-11-10 2017-09-22 南京信息工程大学 一种基于一致聚焦变换最小二乘法的双声源定位方法
CN106546947A (zh) * 2016-10-09 2017-03-29 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 一种联合波导不变量和线谱的单水听器被动定位方法
CN109085595B (zh) * 2018-07-25 2022-06-07 西北工业大学 一种使用水听器接收信号估计空中运动声源速度的方法

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