CN112051577A - 一种利用分段式垂直阵实现深海中距目标测距及定深方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用分段式垂直阵实现深海中距目标测距及定深方法，与目前常见其他深海被动目标测距与定深方法相比，本发明无需经过复杂运算来获取精确的声场结构特征，而是仅利用了深海声速剖面信息，从而依据声互易性原理和分层介质折射效应原理，通过斯涅尔定律以波束形成和关联处理得到的入射角作为输入，通过递推的方法求得对应的目标声线，进而由分布在不同深度的垂直阵数据处理结果进行融合，可以较准确地对中距离目标进行测距和定深。该方法具有实现代价较低，计算量小，实时性强，通过仿真数据处理分析验证，对不同距离‑深度的目标均具有一定的测距和定深能力。

Description

一种利用分段式垂直阵实现深海中距目标测距及定深方法
技术领域
本发明涉及属于深海被动测距与定深技术范畴，主要是一种利用分段式垂直阵实现深海 中距目标测距及定深方法。
背景技术
深海中潜标垂直阵用于进行目标检测和定位是实现远程无人警戒网络需要突破的关键节 点技术，通常采用的方法有通过匹配场定位技术、基于目标运动特性分析的目标航迹融合推 断技术等等，然而前者对环境参数要求高且运算量大，不适用于长期布放在水下的自主探测 节点，后者只能针对目标按一定规则持续运动且在深度上出现较大变化态势的特定情形下， 通过与运动方程耦合获得近似解。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种利用分段式垂直阵实现深海中 距目标测距及定深方法，本方法采用了一种分段式的垂直阵，通过波束形成技术和基于Snell (斯涅尔)定律的声线逆推技术可以获取中距目标的距离与深度信息，可以应用于深海潜标、 深海固定式基阵/传感器警戒与搜救网络等情形中。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种利用分段式垂直阵实现深海中距目标 测距及定深方法，包括以下步骤：首先需要结合分段式垂直阵进行波束形成处理得到的目标 空-时-频特征进行关联，获得同一个目标在不同深度垂直阵的入射角信息；然后，在通过温 深密度传感器采集得到的声速剖面数据前提下，基于声互易性原理，依据反映声线折射效应 的斯涅尔定律对波束入射角进行声线逆推，获得声源传播至不同深度垂直阵接收端的两条声 线轨迹，声线的相交处即可近似为目标距离与深度估计值。
所述的分段垂直阵即由共缆异深的两段或多段垂直阵构成，每段垂直阵均具有独立的俯 仰波束角度分辨能力。
更进一步的，主要包括以下步骤：
(1)深海声速剖面数据采集：通过温深密度传感器采集得到深海测量位置处声速随深度 变化的声速剖面结果ssp(d)，其中d＝0,h,2h,…，h表示深度采样间隔；
(2)波束形成：分别对布放在深度D1和D2处的垂直阵数据X1、X2进行波束形成处理，获得相应的窄带波束谱Spec1、Spec2，Spec1＝(VHX1)H(VHX1)，Spec2＝(VHX2)H(VHX2)， 其中V＝exp(-j2πflcos(θ)/c)，f表示频点集合，l表示垂直阵相邻阵元间距，c表示垂直阵 观测深度处的声速，θ表示波束搜索俯仰角，且波束搜索角度范围为0°～180°；
(3)特征关联：基于步骤(2)中所得的波束谱Spec1和Spec2进行空-时-频特征关联得到 目标在深度D1和D2处的垂直阵上的入射方向角度
Figure BDA0002584012080000021
和
Figure BDA0002584012080000022
(4)声线逆推及融合求解：利用步骤(1)中获得的声速剖面信息，依据声互易性原理 和分层介质折射效应原理，通过斯涅尔定律进行声线逆推求得目标距离与深度的近似解；其 中，对于入射角
Figure BDA0002584012080000023
的声线求解通过迭代方式表示为(1)
Figure BDA0002584012080000024
(2)
Figure BDA0002584012080000025
同理，对于入射角
Figure BDA0002584012080000026
的 声线求解通过迭代方式表示为(1)
Figure BDA0002584012080000027
(2)
Figure BDA0002584012080000028
Figure BDA0002584012080000029
分别对两条声线进行拟合后，获得相应 声线的相交点位置即可得到目标测距与定深结果。
本发明的有益效果为：与目前常见其他深海被动目标测距与定深方法相比，该方法无需 经过复杂运算来获取精确的声场结构特征，而是仅利用了深海声速剖面信息，从而依据声互 易性原理和分层介质折射效应原理，通过斯涅尔定律以波束形成产生的入射角作为输入，通 过递推的方法求得对应的目标声线，进而由分布在不同深度的垂直阵数据处理结果进行融合， 可以较准确地对中距离目标进行测距和定深。该方法具有实现代价较低，计算量小，实时性 强，通过仿真数据处理分析验证，对不同距离-深度的目标均具有一定的测距和定深能力。
附图说明
图1给出了所提出的分段式垂直阵实现深海中距目标测距及定深实现流程图。
图2给出了声速剖面-节点布放的仿真示意图。
图3给出了仿真中目标声源信号在65Hz和83Hz的传播损失图。
图4给出了基阵在不同深度-距离处宽带波束形成角度与俯仰角真值(绿线)仿真比较。
图5给出了当节点距离目标5km处，位于深度1000m和深度2500m的两段垂直阵分别处 理得到的波束谱结果，其中红色虚线表示目标与基阵间的俯仰角真值。
图6给出了当节点距离目标6km处，位于深度1000m和深度2500m的两段垂直阵分别处 理得到的波束谱结果，其中红色虚线表示目标与基阵间的俯仰角真值。
图7给出了当节点距离目标8km处，位于深度1000m和深度2500m的两段垂直阵分别处 理得到的波束谱结果，其中红色虚线表示目标与基阵间的俯仰角真值。
图8给出了当节点距离目标5km处得到的处理结果。
图9给出了当节点距离目标6km处得到的处理结果。
图10给出了当节点距离目标8km处得到的处理结果。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
本发明“一种利用分段式垂直阵实现深海中距目标测距及定深方法”提供了对深海环境 下中距离(5～10km)目标的测距及定深的实现技术。首先需要说明的是，分段垂直阵即由共 缆异深的两段或多段垂直阵构成，每段垂直阵均具有独立的俯仰波束角度分辨能力。综合而 言，即通过两段垂直阵各自获取的目标空-时-频特征，进行关联融合处理，从而提取目标更 准确的距离与深度信息。具体而言，由于深海环境中，声速随深度变化范围较大，通过垂直 阵获取的波束入射角不能直接按直线延伸来指向目标位置，即深海环境下波束形成获得的俯 仰角并未为目标-基阵几何上真实的俯仰角，所以需要考虑分层介质中波的传播特性；首先需 要结合不同深度垂直阵进行波束形成处理得到的目标空-时-频特征进行关联，获得同一个目 标在不同深度垂直阵的入射角信息，然后，在通过温深传感器采集得到的声速剖面数据前提 下，基于声互易性原理，依据反映声线折射效应的斯涅尔定律对波束入射角进行声线逆推， 获得声源传播至不同深度垂直阵接收端的两条声线轨迹，声线的相交处即可近似为目标距离 与深度估计值。
图1给出了所提出的分段式垂直阵实现深海中距目标测距及定深实现流程图。(1)、首先 采集测量海区的声速剖面数据；(2)、对两段垂直阵进行波束形成处理；(3)、基于特征对目 标垂直俯仰波束进行关联，并得到相应的入射角；(4)、由(1)中声速-深度数据进行声线逆 推；(5)、由两段垂直阵拟合声线的相交点获取目标距离与深度的估计值。具体步骤如下：
第一步，通过温深密度传感器采集得到深海测量位置处声速随深度变化的声速剖面结果 ssp(d)，其中d＝0,h,2h,…，h表示深度采样间隔。
第二步，分别对布放在深度D1和D2处的垂直阵数据X1、X2进行波束形成处理，获得相 应的窄带波束谱Spec1、Spec2，Spec1＝(VHX1)H(VHX1)，Spec2＝(VHX2)H(VHX2)，其中 V＝exp(-j2πflcos(θ)/c),f表示频点集合，l表示垂直阵相邻阵元间距，c表示垂直阵观测深 度处的声速，θ表示波束搜索俯仰角，且波束搜索角度范围为0°～180°。
第三步，基于Spec1和Spec2空-时-频特征关联得到目标在深度D1和D2处的垂直阵上的入 射方向角度
Figure BDA0002584012080000041
和
Figure BDA0002584012080000042
关联方法可以基于频谱结构特征或者波束谱-线谱强度相似性特征，由于 该步骤技术在本方法中并不特定，故不作赘述。
第四步，若在均匀等声速情形下，可以直接由
Figure BDA0002584012080000043
和
Figure BDA0002584012080000044
求得目标距离-深度的解析解，即目 标距离为
Figure BDA0002584012080000045
深度为
Figure BDA0002584012080000046
然而实际中，深海声速随 深度变化范围较大，依据当前直线传播解析方法得到的目标距离与深度会极大地偏离真实位 置，甚至可能无解。因此，需要利用第一步中获得的声速剖面信息通过斯涅尔定律进行声线 逆推求得目标距离与深度的近似解。其中，对于入射角
Figure BDA0002584012080000047
的声线求解可以通过迭代方式表示 为(1)
Figure BDA0002584012080000048
(2)
Figure BDA0002584012080000049
Figure BDA00025840120800000410
同理，对于入射角
Figure BDA00025840120800000411
的声线求解可以通过迭代方式表示为(1)
Figure BDA00025840120800000412
(2)
Figure BDA00025840120800000413
Figure BDA00025840120800000414
分别对两条声线进行拟合后，获得相应声线的相交点位置即 可得到目标测距与定深结果。
图2给出了声速剖面-节点布放的仿真示意图，其中左侧为仿真中采用的声速剖面，声速 拐点位于深度1000m处；右侧为声源和节点布放的示意图，其中目标声源放置于深度200m 处，节点的分段垂直阵深度分别为1000m和2500m，每段垂直阵为32元，阵元间距均为5m， 分别将节点至于距离5km、6km和8km处进行仿真对照。
图3给出了仿真中目标声源信号在65Hz和83Hz的传播损失图，在中等距离范围内，不 同距离的传播损失变化范围较小，然而在同一距离的不同深度上，从传播损失图中可以发现 出现了类似干涉条纹的分布。
图4给出了基阵在不同深度-距离处宽带波束形成角度与俯仰角真值(绿线)仿真比较。 其中4(a)显示了基阵在距离目标5km处，不同深度上波束入射角与真值之间的差异，图中 可以看出，入射角与俯仰角真值之间的差异随着深度增加而减少。4(b)、4(c)则分别显示 了基阵在距离目标6km和8km处，不同深度上波束入射角与俯仰角真值之间的差异关系。
表1结合图5、图6和图7给出了相应的波束入射角与俯仰角真值之间的数值比较。
表2结合图8、图9和图10给出了该专利提出方法对目标测距和定深的处理结果，同时 与一般的几何求解方法处理结果进行了比较，从表2中可以看出，本专利提出方法对目标估 距和定深的准确度更高。
表1仿真波束俯仰角与真值比较
Figure BDA0002584012080000051
表2测距与定深结果比较
Figure BDA0002584012080000052
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换 或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用分段式垂直阵实现深海中距目标测距及定深方法，其特征在于：包括以下步骤：首先需要结合分段式垂直阵进行波束形成处理得到的目标空-时-频特征进行关联，获得同一个目标在不同深度垂直阵的入射角信息；然后，在通过温深密度传感器采集得到的声速剖面数据前提下，基于声互易性原理，依据反映声线折射效应的斯涅尔定律对波束入射角进行声线逆推，获得声源传播至不同深度垂直阵接收端的两条声线轨迹，声线的相交处即可近似为目标距离与深度估计值。
2.根据权利要求1所述的利用分段式垂直阵实现深海中距目标测距及定深方法，其特征在于：所述的分段垂直阵即由共缆异深的两段或多段垂直阵构成，每段垂直阵均具有独立的俯仰波束角度分辨能力。
3.根据权利要求1所述的利用分段式垂直阵实现深海中距目标测距及定深方法，其特征在于：主要包括以下步骤：
(1)深海声速剖面数据采集：通过温深密度传感器采集得到深海测量位置处声速随深度变化的声速剖面结果ssp(d)，其中d＝0,h,2h,…，h表示深度采样间隔；
(2)波束形成：分别对布放在深度D1和D2处的垂直阵数据X1、X2进行波束形成处理，获得相应的窄带波束谱Spec1、Spec2，Spec1＝(VHX1)H(VHX1)，Spec2＝(VHX2)H(VHX2)，其中V＝exp(-j2πflcos(θ)/c)，f表示频点集合，l表示垂直阵相邻阵元间距，c表示垂直阵观测深度处的声速，θ表示波束搜索俯仰角，且波束搜索角度范围为0°～180°；
(3)特征关联：基于步骤(2)中所得的波束谱Spec1和Spec2进行空-时-频特征关联得到目标在深度D1和D2处的垂直阵上的入射方向角度
Figure FDA0002584012070000018
和
Figure FDA0002584012070000019
(4)声线逆推及融合求解：利用步骤(1)中获得的声速剖面信息，依据声互易性原理和分层介质折射效应原理，通过斯涅尔定律进行声线逆推求得目标距离与深度的近似解；其中，对于入射角
Figure FDA0002584012070000011
的声线求解通过迭代方式表示为(1)
Figure FDA0002584012070000012
(2)
Figure FDA0002584012070000013
同理，对于入射角
Figure FDA0002584012070000014
的声线求解通过迭代方式表示为(1)
Figure FDA0002584012070000015
(2)
Figure FDA0002584012070000016
Figure FDA0002584012070000017
分别对两条声线进行拟合后，获得相应声线的相交点位置即可得到目标测距与定深结果。
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