CN111580048B - 一种利用单矢量水听器的宽带声源深度估计方法 - Google Patents

一种利用单矢量水听器的宽带声源深度估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用单矢量水听器的宽带声源深度估计方法，包括：通过单矢量水听器采集近海面宽带声源发出的四分量宽带信号；利用快速傅里叶变换对单矢量水听器采集的四分量宽带信号进行处理，得到各频点处的四分量信号频谱；由各频点处的四分量信号频谱，计算得到三个方向的声能流，然后计算目标到达角；对声压信号频谱强度进行去均值处理获得去均值后的声场强度谱，对声场强度谱沿频率轴进行谱分析，获得到达时延谱或频率干涉周期谱；利用声源深度与到达时延谱、目标到达角三者的关系建立深度函数或者利用声源深度与频率干涉周期谱、目标到达角三者的关系建立深度函数；则深度函数最大值点对应的深度为声源深度估计值。

Description

一种利用单矢量水听器的宽带声源深度估计方法
技术领域
本发明属于水声探测、声呐技术等领域，涉及一种利用单矢量水听器的宽带声源深度估计方法。
背景技术
深海目标的深度估计是近些年水声研究的热点及难点问题之一。现有深度估计方法有匹配场方法、基于多途到达时延或干涉条纹的定深方法。匹配场处理方法对海洋环境参数以及阵列倾斜等参数敏感，对于深海环境，搜索范围大，计算量大，耗时长，且系统配置需为与海深可比的大孔径阵列，在深海条件下适用性差。
基于多途时延匹配的深度估计方法，该方法参见参考文献[1](“Particle filterfor multipath time delay tracking from correlation functions in deep water”，2018年7月发表在《J.Acoust.Soc.Am.》第144期，起始页码为397)，该方法利用卡尔曼滤波类方法或粒子滤波类从信号自相关函数中提取多途到达时延，将到达时延与不同假设目标深度下的模型计算结果进行匹配，从而估计目标深度。这类方法需要人工调整参数来保证算法的性能，运算量大，且需要海洋环境参数以获得模型计算结果。
深海环境中，从近海面目标传播至大深度接收点的直达波与海面反射波受水体和海底底质特性影响小，传播损失小，信号稳定，由于这两类波的干涉，目标宽带辐射噪声传播至大深度接收器的声强沿频率、目标达到角和声源深度三个维度内呈现强弱相间的干涉特征，这为利用宽带干涉特征实现目标深度估计提供了一个重要技术途径。在参考文献[2]中(公布号为CN 109444864A的中国专利，名称为：一种利用垂直阵波束输出在频率和到达角二维空间的干涉特征匹配深海目标深度估计方法)，其公布的方法需要借助布放于海底的垂直线列阵，以获得波束输出功率及目标到达角，且需要海洋环境参数信息以获得模型计算结果。参考文献[3](基于深海劳埃德镜干涉现象的定深方法参见“Performancemetrics for depth-based signal separation using deep vertical line arrays”，2016年1月发表在《J.Acoust.Soc.Am.》第139期，起始页码为418)中，其提供的方法忽略水中声速的变化，利用垂直阵检测来波方向的窄带能量随到达角变化的干涉周期实现目标深度估计，该方法同样需要布放于海底的垂直阵且需要对目标的长时间跟踪。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出一种在深海大深度近水平距离接收环境中，利用直达波和海面反射波的宽带干涉现象实现单矢量水听器被动声源深度估计方法，能够解决现有深海环境下声源深度估计方法需要垂直线列阵、需要精确的海洋环境参数信息等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用单矢量水听器的宽带声源深度估计方法，所述单矢量水听器潜标系统布放于深海；所述方法包括：
通过单矢量水听器采集近海面宽带声源发出的四分量宽带信号：声压信号和三分量质点振速信号；
利用快速傅里叶变换对单矢量水听器采集的四分量宽带信号进行处理，得到各频点处的四分量信号频谱；
由各频点处的四分量信号频谱，计算得到三个方向的声能流，然后计算目标到达角；
对声压信号频谱强度进行去均值处理获得去均值后的声场强度谱，对声场强度谱沿频率轴进行谱分析，获得到达时延谱或频率干涉周期谱；
利用声源深度与到达时延谱、目标到达角三者的关系建立深度函数或者利用声源深度与频率干涉周期谱、目标到达角三者的关系建立深度函数；则深度函数最大值点对应的深度为声源深度估计值。
作为上述方法的一种改进，所述三分量质点振速信号包括：vx(t)、vy(t)和vz(t)，其中，x、y和z为以单矢量水听器为本体定义的互相垂直的三个方向，z方向垂直于海平面，t表示时间；信号单次采集长度为1s-10s，信号的采样率为fs，其取值范围100Hz-10kHz。
作为上述方法的一种改进，所述由各频点处的四分量信号频谱，计算得到三个方向的声能流，然后计算目标到达角；具体包括：
计算x、y和z三个方向的声能流Ix、Iy和Iz：
Figure BDA0002484171210000021
Figure BDA0002484171210000022
Figure BDA0002484171210000023
其中，上标*表示复共轭算符，符号
Figure BDA0002484171210000024
表示取数据实部；P(fi)、Vx(fi)、Vy(fi)和Vz(fi)分别为频点fi处的声压信号频谱、x方向质点振速信号频谱、y方向质点振速信号频谱和z方向质点振速信号频谱，i＝1,2,…,L，L为频点的总数，f1和fL为选用频率范围的上下界；
由x方向和y方向的声能流，计算目标方位角
Figure BDA0002484171210000031
Figure BDA0002484171210000032
由x方向和y方向的声能流及目标方位角，利用下式合成水平声能流Ir：
Figure BDA0002484171210000033
由垂直声能流Iz和水平声能流Ir，利用下式计算得到目标到达角θs：
θs＝|arctan(Iz/Ir)|
目标到达角θs取值范围为0-90度。
作为上述方法的一种改进，所述对声压信号频谱强度进行去均值处理获得去均值后的声场强度谱，对声场强度谱沿频率轴进行谱分析，获得到达时延谱；具体为：
计算去均值后的声场强度谱I1(fi)：
Figure BDA0002484171210000034
对I1(fi)沿频率轴进行谱分析，获得到达时延谱Q1(τj)，τj为到达时延，其为区间
Figure BDA0002484171210000035
内以
Figure BDA0002484171210000036
为采样间隔的序列，即
Figure BDA0002484171210000037
j为采样点的序号；
由频率干涉周期fperiod与到达时延的关系fperiod＝1/τj，获得频率干涉周期谱Q2(fperiod)：
Q2(fperiod)＝Q1(1/fperiod)。
作为上述方法的一种改进，所述利用声源深度与到达时延谱、目标到达角三者的关系建立深度函数，具体为：
E(zs)＝Q1(2zs sin θs/cref)
其中，E(zs)为深度函数，zs为声源深度，cref为参考声速，取值为1500m/s。
作为上述方法的一种改进，所述利用声源深度与频率干涉周期谱、目标到达角三者的关系建立深度函数，具体为：
E(zs)＝Q2(cref/2zs sin θs)
其中，E(zs)为深度函数，zs为声源深度，cref为参考声速，取值为1500m/s。
作为上述方法的一种改进，所述的单矢量水听器潜标系统布放深度为1000-6000m。
作为上述方法的一种改进，所述的声源与单矢量水听器潜标系统的水平距离与两者的深度差的绝对值的比小于1.5-2。
本发明的优势在于：
本发明的方法利用单矢量水听器估计目标俯仰角及近水平距离处的劳埃德镜干涉近似，摆脱对垂直阵和精确海洋环境参数的要求这两个因素；由矢量水听器的四分量信号直接估计目标俯仰角，与传统基于垂直线列阵的方法相比，计算量及系统配置要求得到大幅度降低，可应用于快速布放及长期无人值守的低功耗潜标系统；利用了近水平距离处劳埃德镜干涉近似对表层海水声速变化的不敏感性，由单一参考声速替代海水声速剖面来描述直达波和海面反射波的频率干涉周期，因此本发明的方法适用于海洋环境特别是海水声速剖面未精确获得的情况，方法宽容性更好。
附图说明
图1是深海大深度接收环境下直达波和海面反射波传播路径示意图；
图2是本发明实施例中的海上实验工作环境示意图及实测声速剖面；
图3是本发明实施例中海上实验单矢量水听器记录的四通道信号波形；
图4是本发明实施例中海上实验的声场强度谱；
图5是本发明实施例中利用MUSIC算法对声场强度谱进行处理获得的到达时延谱(a)和频率干涉周期谱(b)；
图6是本发明实施例中深度估计函数；
图7是本发明海上实验估计的目标到达角；
图8(a)是使用本发明的方法的海上实验估计的目标深度；
图8(b)是使用本发明的方法的海上实验估计的目标深度的相对误差。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细描述。
本发明提出的一种深海环境下利用单矢量水听器的宽带声源深度估计方法，首先将单矢量水听器潜标系统布放在深海大深度位置，接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速信号，处理时域信号获得xyz三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱；利用x和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由垂直声能流(z方向的声能流)和水平声能流的比值估计出目标到达角；利用快速傅里叶变换或MUSIC等谱分析方法对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得频率干涉周期谱；最后根据目标深度和频率干涉周期、目标到达角的关系，获得深度估计函数，由其最大值确定目标的真实深度。本发明利用了下述性质解决了传统方法需要垂直线列阵和精确海洋环境参数的问题：发明人由单矢量水听器获取的垂直声能流和水平声能流比值直接估计目标俯仰角，从而无需借助垂直线列阵的方位谱估计获得，大幅度降低了计算量和系统配置要求；另一方面，利用忽略海水声速变化的深海等声速模型下劳埃德镜干涉近似在近水平距离处的适用性，摆脱了基于模型匹配的传统深度估计方法对精确海洋环境参数的要求。其中，声源深度范围为5-1000m。单矢量水听器潜标系统布放深度为1000-6000m。声源与单矢量水听器潜标系统水平距离小于1.5-2倍的接收潜标与声源深度差。
单矢量水听器布放在近海底附近，接收近海面运动声源辐射的宽带信号，并通过傅里叶变换、方位角估计、俯仰角估计和频率干涉周期分析等处理，实现声源深度的估计，其过程分为以下步骤：
步骤1：声源进入接收范围内，此时声源和矢量水听器的水平距离为0km-6km，声源深度在5m-1000m之间，信号中对声场起主要作用的是直达波和海面反射波两个路径，参照图1。图2给出了一次南海海上实验工作环境示意图及实测海水声速剖面，实验中海底地震仪(OBS)布放于海底用于接收标称深度为200m的爆炸声源信号，OBS采样率设置为250Hz，实验海域海底近似平坦，海深约为3472米。实验中，共投放了14个爆炸声源与OBS的水平距离在0.5-5.5km之间。下面以距OBS水平距离为4.21km的声源为例，海底地震仪接收的四分量归一化时域信号波形见图3，由上至下依次为声压、x方向质点振速、y方向质点振速和z方向质点振速；
步骤2：利用快速傅里叶变换(FFT)对单矢量水听器采集的四分量宽带信号进行处理，得到频点fi处的四分量信号频谱P(fi)、Vx(fi)、Vy(fi)和Vz(fi)，i＝1,2,…L，f1和fL为选用频率范围的上下界，本实施例中选用的频率范围为20-100Hz；
步骤3：由声压和质点振速信号的频谱，利用下式计算得到x、y和z方向上的声能流，
Figure BDA0002484171210000061
式中上标*表示复共轭算符，符号
Figure BDA0002484171210000062
表示取数据实部；
步骤4：由X和Y方向的声能流，利用下式计算目标方位角
Figure BDA0002484171210000063
Figure BDA0002484171210000064
估计的目标方位角为62.8度；
步骤5：由x和y方向的声能流及目标方位角，利用下式合成水平声能流Ir：
Figure BDA0002484171210000065
步骤6：由垂直声能流和水平声能流，利用下式计算得到目标到达角θs：
θs＝|arctan(Iz/Ir)| (4)
目标到达角θs取值范围为0-90度，估计的目标俯仰角为39.1度；
步骤7：对声压信号频谱强度进行去均值处理，利用下式获得去均值后的声场强度谱I1(fi)，
Figure BDA0002484171210000066
声场强度谱参见图4，可以看出声场强度谱随频率呈现明显的强弱变化，该变化主要是由于直达波和海面反射波的干涉引起；对I1(fi)沿频率轴进行谱分析，获得到达时延谱Q1(τj)，参见图5，τj为到达时延，其为区间
Figure BDA0002484171210000067
内以
Figure BDA0002484171210000068
为采样间隔的序列，即
Figure BDA0002484171210000069
j为采样点的序号。谱分析采用多重分类算法，到达时延谱中最大值对应的时延为0.16s，对应为直达波和海面反射波的到达时延估计值，时延为0.018s的峰值由爆炸声源的冲击波和气泡脉动的干涉引起；由频率干涉周期fperiod与到达时延的关系fperiod＝1/τj，获得频率干涉周期谱：
Q2(fperiod)＝Q1(1/fperiod) (6)
参见图6，频率干涉周期谱中最大值对应的频率为6.07Hz，为直达波和海面反射波的频率干涉周期估计值；
步骤8：利用声源深度与频率干涉周期、目标到达角的关系
zs＝cref/(2fperiod sin θs) (7)
将频率干涉周期谱Q2(fperiod)利用下式变换为深度函数
E(zs)＝Q2(cref/2zs sin θs) (8)
深度函数也可由到达时延谱获得，即
E(zs)＝Q1(2zs sin θs/cref) (9)
声源深度估计值为深度函数E(zs)最大值点对应的深度，参见图6，对于4.21km处的声源，估计目标深度为195m；本步骤中，cref为参考声速，取值为1500m/s。
利用上述步骤对其他距离的声源进行处理，估计的目标到达角参见图7，两条虚线分别为由声场模型计算的直达波和海面反射波到达角，星号为实验估计的到达角，从图中可以看出，估计的目标到达角与模型计算值基本一致，误差在24％以内，通过分析，该误差主要来源于海底地震仪水平振速通道中海底传播的横波成分的影响；所有声源深度估计结果参见图8(a)，图中虚线为爆炸声源的标称深度，从图8(b)可以看出，深度估计相对误差在24％以内，深度估计相对误差平均值为8.5％。实测数据验证表明，本发明的方法可以有效估计深海近水平距离处声源的深度。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种利用单矢量水听器的宽带声源深度估计方法，所述单矢量水听器潜标系统布放于深海；所述方法包括：
通过单矢量水听器采集近海面宽带声源发出的四分量宽带信号：声压信号和三分量质点振速信号；
利用快速傅里叶变换对单矢量水听器采集的四分量宽带信号进行处理，得到各频点处的四分量信号频谱；
由各频点处的四分量信号频谱，计算得到三个方向的声能流，然后计算目标到达角；
对声压信号频谱强度进行去均值处理获得去均值后的声场强度谱，对声场强度谱沿频率轴进行谱分析，获得到达时延谱或频率干涉周期谱；
利用声源深度与到达时延谱、目标到达角三者的关系建立深度函数或者利用声源深度与频率干涉周期谱、目标到达角三者的关系建立深度函数；则深度函数最大值点对应的深度为声源深度估计值；
所述三分量质点振速信号包括：vx(t)、vy(t)和vz(t)，其中，x、y和z为以单矢量水听器为本体定义的互相垂直的三个方向，z方向垂直于海平面，t表示时间；信号单次采集长度为1s-10s，信号的采样率为fs，其取值范围100Hz-10kHz；
所述由各频点处的四分量信号频谱，计算得到三个方向的声能流，然后计算目标到达角；具体包括：
计算x、y和z三个方向的声能流Ix、Iy和Iz：
Figure FDA0002719668610000011
Figure FDA0002719668610000012
Figure FDA0002719668610000013
其中，上标*表示复共轭算符，符号
Figure FDA0002719668610000014
表示取数据实部；P(fi)、Vx(fi)、Vy(fi)和Vz(fi)分别为频点fi处的声压信号频谱、x方向质点振速信号频谱、y方向质点振速信号频谱和z方向质点振速信号频谱，i＝1,2,…,L，L为频点的总数，f1和fL为选用频率范围的上下界；
由x方向和y方向的声能流，计算目标方位角
Figure FDA0002719668610000021
Figure FDA0002719668610000022
由x方向和y方向的声能流及目标方位角，利用下式合成水平声能流Ir：
Figure FDA0002719668610000023
由垂直声能流Iz和水平声能流Ir，利用下式计算得到目标到达角θs：
θs＝|arctan(Iz/Ir)|
目标到达角θs取值范围为0-90度；
所述对声压信号频谱强度进行去均值处理获得去均值后的声场强度谱，对声场强度谱沿频率轴进行谱分析，获得到达时延谱；具体为：
计算去均值后的声场强度谱I1(fi)：
Figure FDA0002719668610000024
对I1(fi)沿频率轴进行谱分析，获得到达时延谱Q1(τj)，τj为到达时延，其为区间
Figure FDA0002719668610000025
内以
Figure FDA0002719668610000026
为采样间隔的序列，即
Figure FDA0002719668610000027
j为采样点的序号；
由频率干涉周期fperiod与到达时延的关系fperiod＝1/τj，获得频率干涉周期谱Q2(fperiod)：
Q2(fperiod)＝Q1(1/fperiod)
所述利用声源深度与到达时延谱、目标到达角三者的关系建立深度函数，具体为：
E(zs)＝Q1(2zssinθs/cref)
其中，E(zs)为深度函数，zs为声源深度，cref为参考声速，取值为1500m/s；
所述利用声源深度与频率干涉周期谱、目标到达角三者的关系建立深度函数，具体为：
E(zs)＝Q2(cref/2zssinθs)
其中，E(zs)为深度函数，zs为声源深度，cref为参考声速，取值为1500m/s。
2.根据权利要求1所述的利用单矢量水听器的宽带声源深度估计方法，其特征在于，所述的单矢量水听器潜标系统布放深度为1000-6000m。
3.根据权利要求1所述的利用单矢量水听器的宽带声源深度估计方法，其特征在于，所述的声源与单矢量水听器潜标系统的水平距离与两者的深度差的绝对值的比小于1.5-2。
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