CN111257943A - 一种浅海低频声场时频干涉条纹提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浅海低频声场时频干涉条纹提取方法，该方法首先获取水下运动目标辐射的宽带声信号，通过计算不同时刻接收信号的功率谱以获取浅海低频声场时频干涉谱；通过干涉谱谱峰沿目标运动方向的积累，实现谱峰的自动跟踪和干涉频率条纹的有效提取。本发明解决了现有声场干涉结构干涉条纹提取方法存在的计算量大，实时性差，同时提取多个干涉条纹时性能下降等问题，为目标测距和测速等运动参数的估计奠定坚实的基础。
Description
技术领域
本发明涉及水声信号处理技术，具体涉及一种浅海低频声场时频干涉条纹提取方法，尤其涉及一种浅海低频声场的时频干涉结构中干涉频率的提取方法。
背景技术
浅海声场干涉结构是海洋声学研究的热点问题之一，声场干涉结构中蕴含了丰富的海洋环境和声源信息，可用于海洋声学反演、海洋监测、目标运动参数估计、时反聚焦等水声物理和水声信号处理的诸多方面，其中的关键是干涉条纹的提取，常用的干涉条纹提取方法有二维FFT变换、Hough变换和最优化等方法，这些方法计算量较大，当存在多个干涉条纹时，方法的性能下降。此外，用Hough变换等图像处理方法提取水下运动目标辐射声场的时频干涉条纹，估计目标运动参数时，一个重要的限制条件是，要求观测时间内目标通过最近距离，因此，实时性较差。
发明内容
发明目的：为克服上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种浅海低频声场时频干涉条纹提取方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
一种浅海低频声场时频干涉条纹提取方法，包括以下步骤：
(1)获取水下运动目标辐射的宽带声信号；
(2)计算不同时刻接收信号的功率谱，获取浅海低频声场时频干涉谱；
(3)初始化：以k＝1时刻的信号功率谱p1(x1)作为值函数的初值：I(x1)＝p1(x1)，以xk表示k时刻所有可能的目标状态；
(4)值函数累积：对于2≤k≤K时刻，沿目标运动方向进行干涉谱谱峰的积累，更新值函数
其中pk为k时刻的接收信号功率谱；
(5)提取备选目标状态集合：对累积值函数检测所有的极大值点，得到一个待处理的向量WS＝{x|x1,x2,…,xN}，该向量包含所有的备选目标状态集合；
(6)值函数比较：遍历步骤(5)得到的备选目标状态集合中的每一个目标状态xn，将该目标状态对应的值函数与比较区域内的值函数值进行对比，提取值函数值最大的目标状态，并在目标状态转移矩阵中记录该目标状态；
(7)如果k<K，令k＝k+1，返回步骤(4)；如果k＝K，值函数积累结束；
(8)航迹回溯：利用记录的目标状态转移矩阵，回溯值函数各极大值所对应的目标状态，作为估计的状态序列，该状态序列为提取出的不同时刻的干涉频率。
进一步的，所述步骤(1)中的运动目标可以是匀速运动目标，也可以是慢速机动运动目标；所述的慢速机动运动目标为水下机动运动的舰船目标；
进一步的，所述步骤(2)中，接收信号可以是单水听器探测系统中单个水听器的接收信号，也可以是基于水听器阵的探测系统的阵列波束输出信号；对于只有直达波、一次海面反射波和一次海底反射波情况，第k帧接收数据的功率谱为：
其中pxx(f)为信号的自功率谱，H1、H2和H3分别为直达波、海面和海底反射波路径均匀增益因子，τd＝Rd/c、τr＝Rr/c和τ'r＝Rr'/c分别为直达波、海面和海底反射波延时，Rd、Rd和Rr'分别为直达波、海面和海底反射波传播路径，c为声速；上式表明多途接收信号的功率谱为三条路径信号功率谱之和，并叠加了三个频率分量的干涉项；干涉项的存在使两条路径的信号完全相干时，干涉谱产生干涉谱峰。
所述的干涉谱谱峰分别出现在以下3种情形：
(a)直达波与海面反射波的干涉谱峰：
fdr(τr-τd)＝m
(b)直达波与海底反射波的干涉谱峰：
fdr'(τr'-τd)＝m′
(c)海面与海底反射波的干涉谱峰：
frr'(τ'r-τr)＝m″
其中m、m′、m″为整数。其中，由于目标运动，直达波、海面和海底反射波延时τd＝Rd/c、τr＝Rr/c和τ'r＝Rr'/c随时间变化，干涉频率也随时间变化，形成干涉频率条纹。此外，干涉频率与直达波和反射波、海面和海底反射波的时延差成反比，距离越近，直达波与反射波、海面与海底反射波的时延差越大，干涉频率越小，可见干涉频率中含有目标距离信息，提取干涉频率可以实现水下目标测距和测速。
更进一步的，所述步骤(3)中的目标状态为干涉频率。
有益效果：与现有技术相比，本发明采用检测前跟踪方法跟踪提取水下运动目标辐射声场时频干涉谱中的干涉频率条纹，通过干涉谱谱峰沿目标运动方向的积累，实现谱峰的自动跟踪和干涉频率的有效提取，计算量小，实时性好，且可同时跟踪并提取多个干涉频率条纹；此外，干涉频率条纹中均蕴含有声源运动状态和信道特性等丰富的信息，干涉频率条纹的提取是进行目标测距和测速等运动参数估计的基础。另一方面，本发明所述方法也可用于简正波声场干涉结构的干涉条纹提取。
附图说明
图1是依据本发明所述方法得到的浅海低频声场时频干涉谱；
图2是本发明在实施检测前跟踪方法提取的干涉频率条纹。
具体实施例
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例做进一步的阐述。
本发明所提供的是一种浅海低频声场时频干涉条纹提取方法，研究提出利用检测前跟踪的动态规划法，对水下运动目标辐射声场的时频干涉谱，通过干涉谱谱峰沿目标运动方向的积累，实现谱峰的自动跟踪和干涉频率条纹的有效提取。该方法计算量小，实时性好，且可同时跟踪并提取多个干涉频率条纹，也可用于简正波声场干涉结构的干涉条纹提取。
针对现有技术中对于声场干涉结构中干涉条纹的提取的计算复杂度高，实际提取和研究工作的不足，本发明所述的方法具体实施如下：
步骤(1)获取水下运动目标辐射噪声的多途接收信号：给定目标源信号为带限噪声，频带为200～2000Hz，采样频率为8kHz，目标匀速运动，速度为5m/s，航向180度；海面声速为1500m/s，海底介质声速为1800m/s，密度为1.6g/cm3，海深70m；目标和接收器的深度为35m，接收器与目标源的距离为250m，初始方位60度。信噪比10dB，累积总帧数K＝8，每帧8192点。观测数据长80s。采用单水听器接收，用bellhop声场模型得到信道脉冲响应，多途接收信号为目标辐射噪声源信号通过信道滤波器的响应；
步骤(2)获取浅海低频声场时频干涉谱：对不同时刻水听器接收信号做FFT变换，计算不同时刻接收信号的功率谱,综合一段时间内的功率谱得到时频干涉谱；
步骤(3)以k＝1时刻的信号功率谱p1(x1)作为值函数的初值：I(x1)＝p1(x1)，以xk表示k时刻所有可能的目标状态；
步骤(4)当2≤k≤K时，沿目标运动方向进行干涉谱谱峰的积累，得到更新的值函数
其中pk为k时刻的接收信号功率谱；
步骤(5)提取备选目标状态集合：对累积值函数检测所有的极大值点，得到一个待处理的向量，WS＝{x|x1,x2,…,xN}，该向量为所有的备选目标状态集合；
步骤(6)值函数比较：遍历步骤(5)得到的备选目标集合中的每一个目标状态xn，将该目标状态对应的值函数与比较区域内的值函数值进行对比，提取值函数值最大的目标状态，并在目标状态转移矩阵中记录该目标状态；
步骤(7)如果k<K，令k＝k+1，返回步骤(4)；如果k＝K，值函数积累结束；
步骤(8)航迹回溯：利用记录的目标状态转移矩阵，回溯值函数各极大值所对应的目标状态，作为估计的状态序列，该状态序列即为提取出的不同时刻的干涉频率。
图1为浅海低频声场时频干涉谱，由于直达波与海面、海底反射波相互干涉的结果，在200～2000Hz频带内形成13条干涉频率条纹。图2为本发明检测前跟踪方法提取的干涉频率条纹。由图2可见，本发明可同时跟踪提取200～2000Hz频带内全部13条干涉频率条纹，且不要求观测时间内目标通过最近距离，实时性好；低频端，声场干涉较强，干涉频率跟踪提取的效果更好。
本发明所述的一种浅海低频声场时频干涉条纹提取方法为现有声场干涉结构的干涉条纹提取方法存在计算量大，实时性差，同时提取多个干涉条纹时性能下降等问题提供了一种有效的解决方法。本发明研究利用检测前跟踪方法，对水下运动目标辐射声场的时频干涉谱，通过干涉谱谱峰沿目标运动方向的积累，实现谱峰的自动跟踪和干涉频率条纹的有效提取，不仅用于浅海低频声场时频干涉条纹提取，也可用于简正波声场干涉结构的干涉条纹提取。
Claims (7)
1.一种浅海低频声场时频干涉条纹提取方法,其特征在于,包括以下步骤：
(1)获取水下运动目标辐射的宽带声信号；
(2)计算不同时刻接收信号的功率谱，获取浅海低频声场时频干涉谱；
(3)初始化：以k＝1时刻的信号功率谱p1(x1)作为值函数的初值：I(x1)＝p1(x1)，以xk表示k时刻所有可能的目标状态；
(4)值函数累积：对于2≤k≤K时刻，沿目标运动方向进行干涉谱谱峰的积累，更新值函数
其中pk为k时刻的接收信号功率谱；
(5)提取备选目标状态集合：对累积值函数检测所有的极大值点，得到一个待处理的向量WS＝{x|x1,x2,…,xN}，该向量包含所有的备选目标状态集合；
(6)值函数比较：遍历步骤(5)得到的备选目标状态集合中的每一个目标状态xn，将该目标状态对应的值函数与比较区域内的值函数值进行对比，提取值函数值最大的目标状态，并在目标状态转移矩阵中记录该目标状态；
(7)如果k<K，令k＝k+1，返回步骤(4)；如果k＝K，值函数积累结束；
(8)航迹回溯：利用记录的目标状态转移矩阵，回溯值函数各极大值所对应的目标状态，作为估计的状态序列，所述状态序列为提取出的不同时刻的干涉频率。
2.根据权利要求1所述的浅海低频声场时频干涉条纹提取方法，其特征在于，所述步骤(1)通过单个水听器或水听器阵获取运动目标辐射的宽带声信号，所述运动目标包括匀速运动目标或慢速机动运动目标。
3.根据权利要求1所述的浅海低频声场时频干涉条纹提取方法，其特征在于，所述步骤(2)所接收信号为单水听器探测系统中单个水听器的接收信号，或基于水听器阵的探测系统的阵列波束输出信号。
4.根据权利要求1所述的浅海低频声场时频干涉条纹提取方法，其特征在于,所述步骤(2)中对于只有直达波、一次海面反射波和一次海底反射波情况，第k帧接收数据的功率谱为：
其中pxx(f)为信号的自功率谱，H1、H2和H3分别为直达波、海面和海底反射波路径均匀增益因子，τd＝Rd/c、τr＝Rr/c和τ′r＝Rr′/c分别为直达波、海面和海底反射波延时，Rd、Rd和R′r分别为直达波、海面和海底反射波传播路径，c为声速；上式中多途接收信号的功率谱为三条路径信号功率谱之和，并叠加了三个频率分量的干涉项；干涉项的存在使两条路径的信号完全相干时，干涉谱产生干涉谱峰。
5.根据权利要求4所述的浅海低频声场时频干涉条纹提取方法，其特征在于，所述干涉谱谱峰包括如下情形：
(a)直达波与海面反射波的干涉谱峰：
fdr(τr-τd)＝m
(b)直达波与海底反射波的干涉谱峰：
fdr'(τ′r-τd)＝m′
(c)海面与海底反射波的干涉谱峰：
frr'(τ′r-τr)＝m″
其中m、m′、m″为整数；由于目标运动，直达波、海面和海底反射波延时τd＝Rd/c、τr＝Rr/c和τ′r＝R′r/c随时间变化，干涉频率也随时间变化，形成干涉频率条纹。
6.根据权利要求5所述的浅海低频声场时频干涉条纹提取方法，其特征在于，干涉频率与直达波和反射波、海面和海底反射波的时延差成反比，距离越近，直达波与反射波、海面与海底反射波的时延差越大，干涉频率越小，所述干涉频率中包含目标距离信息，通过提取干涉频率实现水下目标测距和测速。
7.根据权利要求1所述的浅海低频声场时频干涉条纹提取方法，其特征在于，步骤(3)所述目标状态为干涉频率。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20201002 |
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