CN112083404B - 一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法 - Google Patents

一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，包括：接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱；利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析获得多途时延估计值；根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值；计算多途时延估计值与不同声源深度下的多途时延模板值的差值，将差值最小的多途时延模板值对应的深度作为目标声源深度估计值。

Description

一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法
技术领域
本发明属于水声探测、声呐技术领域，具体涉及一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法。
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。
在深海直达声区域，由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，这两类波的到达时延随着声源深度的增大而增大，这为利用声场中的多途时延、宽带干涉特征实现声源深度估计提供了一个重要技术途径。公布号为CN 109444864 A和CN 108562891 A的中国专利涉及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，该方法样需要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。基于深海劳埃德镜干涉现象的定深方法参见参考文献：“Performance metrics for depth-based signal separationusing deep vertical line arrays”，该文于2016年1月发表在《J.Acoust.Soc.Am.》第139期，起始页码为418，该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，该方法需要布放于海底的垂直阵和对目标的长时间跟踪，且仅适用于直达声区域的近水平距离部分。公布号为CN 111580048 A的中国专利涉及一种单矢量水听器的宽带声源深度估计方法，该方法忽略了海水声速剖面的影响，深度估计误差会随着收发距离的增大而增大，同样仅适用于直达声区域的近水平距离部分。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，以解决现有深海环境下声源深度估计需要垂直线列阵、计算量大、仅适用于直达声区近水平距离等问题。本发明利用下述性质解决了传统方法需要垂直线列阵和计算量大的问题：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到达角，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，只需计算单一估计到达角下不同假设声源深度对应的多途时延或频域干涉周期模板值，而不需计算整个距离和深度二维空间的仿真声场，降低了系统计算量。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，通过将单矢量水听器布放在深海大深度位置实现，所述方法包括：
接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱；
利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；
利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得多途时延估计值；
根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值；计算多途时延估计值与不同声源深度下的多途时延模板值的差值，将差值最小的多途时延模板值对应的深度作为目标声源深度估计值。
作为上述方法的一种改进，所述接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱，具体包括：
采集近海面宽带目标声源发出的声压时域信号p(t)和三分量质点振速时域信号vx(t)、vy(t)和vz(t)，其中，t为时间，x、y和z为单矢量水听器内部定义的互相垂直的三个方向，z方向垂直于海平面；信号单次采集长度为1s-10s，信号的采样率为fs，取值范围100Hz-10kHz；
利用快速傅里叶变换对声压时域信号p(t)和三分量质点振速时域信号vx(t)、vy(t)和vz(t)进行处理，得到频点fi处的声压信号频谱P(fi)、x方向质点振速信号频谱Vx(fi)、y方向质点振速信号频谱Vy(fi)和z方向质点振速信号频谱Vz(fi)，i＝1,2,…L；f1和fL为选用频率范围的上下界；L为频点的个数；
利用下式计算得到x、y和z方向上的声能流Ix、Iy和Iz：
Figure BDA0002694167640000031
Figure BDA0002694167640000032
Figure BDA0002694167640000033
式中上标*表示复共轭算符，符号
Figure BDA0002694167640000034
表示取数据实部；
利用下式获得频点fi处去均值后的声场强度谱I1(fi)：
Figure BDA0002694167640000035
作为上述方法的一种改进，利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值估计出目标到达角；具体包括：
由x方向和y方向的声能流，计算目标方位角
Figure BDA0002694167640000036
Figure BDA0002694167640000037
由x方向、y方向的声能流及目标方位角，合成水平声能流Ir：
Figure BDA0002694167640000038
由水平声能流Ir和z方向声能流，计算目标到达角
Figure BDA0002694167640000039
Figure BDA00026941676400000310
其中，目标到达角取值范围为0-90度。
作为上述方法的一种改进，所述利用谱分析方法对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得多途时延估计值；具体包括：
对去均值后的声场强度谱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，谱分析采用快速傅里叶变换或多重分类算法；
到达时延谱Q1(τj)的最大值对应的时延为直达波和海面反射波的到达时延估计值
Figure BDA00026941676400000311
作为上述方法的一种改进，所述根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值；计算多途时延估计值与不同声源深度下的多途时延模板值的差值，将差值最小的多途时延模板值对应的深度作为目标声源深度估计值；具体包括：
根据目标到达角估计值
Figure BDA0002694167640000041
结合声速剖面c(z)计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值τmod(zs)，目标声源深度zs范围设定为1-400m，深度间隔设置为1m；
多途时延模板值τmod(zs)为：
Figure BDA0002694167640000042
用求和替代积分，得到：
Figure BDA0002694167640000043
其中，积分间隔Δz取值应小于0.1，求和点数n＝zs/Δz；
其中，1-400m深度位置z处的声速c(z)通过实时测量或者查询数据库获得，单矢量水听器的深度位置zr处的声速c(zr)通过查询数据库或由海水声速经验公式计算得到；
定义深度估计代价函数E(zs)：
Figure BDA0002694167640000044
代价函数最大值对应的深度为目标声源深度估计值
Figure BDA0002694167640000045
本发明提供了一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，通过将单矢量水听器布放在深海大深度位置实现，所述方法包括：
接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱；
利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；
利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得频率干涉周期估计值；
根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的频域干涉周期模板值；计算频域干涉周期估计值与不同声源深度下的频域干涉周期模板值的差值，将差值最小的频域干涉周期模板值对应的深度作为目标声源深度估计值。
作为上述方法的一种改进，所述接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱，具体包括：
采集近海面宽带目标声源发出的声压时域信号p(t)和三分量质点振速时域信号vx(t)、vy(t)和vz(t)，其中，t为时间，x、y和z为单矢量水听器内部定义的互相垂直的三个方向，z方向垂直于海平面；信号单次采集长度为1s-10s，信号的采样率为fs，取值范围100Hz-10kHz；
利用快速傅里叶变换对声压时域信号p(t)和三分量质点振速时域信号vx(t)、vy(t)和vz(t)进行处理，得到频点fi处的声压信号频谱P(fi)、x方向质点振速信号频谱Vx(fi)、y方向质点振速信号频谱Vy(fi)和z方向质点振速信号频谱Vz(fi)，i＝1,2,…L；f1和fL为选用频率范围的上下界；L为频点的个数；
利用下式计算得到x、y和z方向上的声能流Ix、Iy和Iz：
Figure BDA0002694167640000051
Figure BDA0002694167640000052
Figure BDA0002694167640000053
式中上标*表示复共轭算符，符号
Figure BDA0002694167640000054
表示取数据实部；
利用下式获得频点fi处去均值后的声场强度谱I1(fi)：
Figure BDA0002694167640000055
作为上述方法的一种改进，利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；具体包括：
由x方向和y方向的声能流，计算目标方位角
Figure BDA0002694167640000056
Figure BDA0002694167640000061
由x方向、y方向的声能流及目标方位角，合成水平声能流Ir：
Figure BDA0002694167640000062
由水平声能流Ir和z方向声能流，计算目标到达角
Figure BDA0002694167640000063
Figure BDA0002694167640000064
其中，目标到达角取值范围为0-90度。
作为上述方法的一种改进，所述利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得频率干涉周期估计值；具体包括：
对去均值后的声场强度谱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，谱分析采用快速傅里叶变换或多重分类算法；
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)，频率干涉周期谱中最大值对应的频率为直达波和海面反射波的频率干涉周期估计值
Figure BDA0002694167640000065
作为上述方法的一种改进，所述根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的频域干涉周期模板值；计算频域干涉周期估计值与不同声源深度下的频域干涉周期模板值的差值，将差值最小的频域干涉周期模板值对应的深度作为目标声源深度估计值；具体包括：
根据目标到达角估计值
Figure BDA0002694167640000066
结合声速剖面c(z)计算该到达角下不同声源深度对应的频域干涉周期模板值fmod(zs)，目标声源深度zs范围设定为1-400m，深度间隔设置为1m；
频域干涉周期模板值fmod(zs)为：
Figure BDA0002694167640000067
其中，1-400m深度位置z处的声速c(z)通过实时测量或者查询数据库获得，单矢量水听器的深度位置zr处的声速c(zr)通过查询数据库或由海水声速经验公式计算得到；
定义深度估计代价函数E(zs)：
Figure BDA0002694167640000071
代价函数最大值对应的深度为声源深度估计值
Figure BDA0002694167640000072
本发明的优势在于：
1、本发明利用单矢量水听器估计目标到达角及由目标到达角结合表层声速直接计算多途时延/频域干涉周期模板值这两个因素：由矢量水听器的四分量信号直接估计目标到达角，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；
2、本发明的方法中，由实测目标到达角结合表层声速直接计算多途时延或频域干涉周期模板值，不需要整个海水层的声速剖面，不需要计算距离和深度二维空间的拷贝场，与传统匹配场定深方法相比，大大降低了计算量。
附图说明
图1是深海直达声区大深度接收环境下直达波和海面反射波多途传播路径示意图；
图2是本发明实施例中的仿真环境示意图及声速剖面；
图3是本发明实施例中声压通道记录的声强距离频率干涉图；
图4是本发明实施例中23.2km处声源辐射声场强度谱；
图5(a)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的示意图；
图5(b)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频率干涉周期谱的示意图；
图6是本发明实施例中到达角为5.2度时不同假设声源深度下计算的多途到达时间差模板值；
图7是本发明实施例中23.2km处声源深度估计代价函数；
图8是本发明实施例中利用MUSIC算法对图3中不同距离接收声强进行谱分析的结果；
图9(a)是本发明实例中计算的不同到达角下多途时延值与由声场仿真程序Bellhop计算值的比较；
图9(b)是本发明实施例中计算的不同目标距离下多途时延值与由声场仿真程序Bellhop计算值的比较；
图10(a)是本发明实施例中所有收发距离下的声源深度估计结果；
图10(b)是本发明实施例中所有收发距离下的声源深度估计结果的相对误差。
具体实施方式
现结合附图对本发明的技术方案作进一步描述：
本发明提出了一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，将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、到达角估计和多途时延/频率干涉周期估计、多途时延/频域干涉周期模板值计算等处理，实现声源深度的估计，所述的单矢量水听器潜标系统布放深度为200-6000m，所述的声源深度范围为5-1000m；所述的声源水平距离范围为0-60km；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-25km，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给出了仿真环境示意图及海水声速剖面，海深水平不变，深度为5000米。仿真中单个矢量水听器布放于海底，用于接收深度为253m的声源信号，声源辐射信号频率为400-500Hz。仿真中声源水平距离由0.1km增加到25km，距离间隔为0.1km，目标方位角设置为30度。图3给出了声压通道记录的距离频率维声强图，由于声场的多途到达结构，图中存在明显的干涉结构。下面以距矢量水听器23.2km处的声源为例说明本方法的具体实施过程；
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时域信号进行处理，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，L为频点的总数，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400-500Hz；
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 BDA0002694167640000091
其中，上标*表示复共轭算符，符号
Figure BDA0002694167640000092
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；
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 BDA0002694167640000093
Figure BDA0002694167640000094
估计的目标方位角为30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 BDA0002694167640000095
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
Figure BDA0002694167640000096
Figure BDA0002694167640000097
到达角取值范围为0-90度，估计的目标到达角为5.2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：
Figure BDA0002694167640000098
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)，τj为到达时延，其为区间
Figure BDA0002694167640000099
内以
Figure BDA00026941676400000910
为采样间隔的序列，即
Figure BDA00026941676400000911
j为采样点的序号；谱分析采用多重分类算法，结果见图5(a)，到达时延谱中最大值对应的时延为0.0684s，对应为直达波和海面反射波的到达时延估计值；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5(b)，频率干涉周期谱中最大值对应的频率为14.62Hz，为直达波和海面反射波的频率干涉周期估计值；
步骤8：根据步骤6获得的目标到达角估计值
Figure BDA0002694167640000101
结合声速剖面c(z)计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值τmod(zs)或频域干涉周期模板值Qmod(zs)，目标声源深度zs范围设定为1-400m，深度间隔设置为1m。
多途时延模板值τmod(zs)计算公式为：
Figure BDA0002694167640000102
积分用求和替代，即：
Figure BDA0002694167640000103
其中积分间隔Δz取值为0.01，求和点数n＝zs/Δz；
频域干涉周期模板值Qmod(zs)的计算公式为：
Figure BDA0002694167640000104
公式中，1-400m深度的声速c(z)可以实时测量或者查询数据库获得，大深度接收器处的声速c(zr)可通过查询数据库或由海水声速经验公式计算得到。
图6给出了到达角为5.2度时不同假设声源深度下计算的多途到达时间差模板值，图中虚线数值为步骤7估计的直达波和海面反射波到达时延0.0684s。
步骤9：将多途时延或频域干涉周期估计值与不同声源深度下的模板值比较，定义深度估计代价函数为：
Figure BDA0002694167640000105
代价函数最大值对应的深度为声源深度估计值，即
Figure BDA0002694167640000111
s.t.E(zs)＝maxE(zs)。
图7给出了代价函数随假设深度的变化，图中虚线为声源实际深度。对于23.2km处的声源，目标深度估计值为252m。
利用上述步骤对0.1-25km范围内其他距离的声源进行处理，图8给出了按照步骤7对所有距离的接收声强(图3)进行MUSIC谱分析的结果，图中虚线为由声场计算模型Bellhop计算的直达波和海面反射波到达时延，可以看出，由步骤7可以很好的估计出多途到达时延。图9(a)/图9(b)给出了声源深度为253m时由步骤8计算的不同到达角下/不同目标距离下直达波和海面反射波到达时间差，图中星线为由声场计算模型Bellhop计算的到达时间差，可以看出，步骤8能够准确的替代声场计算模型获得多途到达时延模板值。所有距离处的声源深度估计结果参见图10(a)和图10(b)，图中虚线为声源实际深度，可以看出估计深度与实际深度符合较好，深度估计相对误差在2％以内。仿真数据处理结果表明，本发明可以有效的估计声源深度。
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 (10)

1.一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，通过将单矢量水听器布放在深海大深度位置实现，所述方法包括：
接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱；
利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；
利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得多途时延估计值；
根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值；计算多途时延估计值与不同声源深度下的多途时延模板值的差值，将差值最小的多途时延模板值对应的深度作为目标声源深度估计值。
2.根据权利要求1所述的基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，其特征在于，所述接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱，具体包括：
采集近海面宽带目标声源发出的声压时域信号p(t)和三分量质点振速时域信号vx(t)、vy(t)和vz(t)，其中，t为时间，x、y和z为单矢量水听器内部定义的互相垂直的三个方向，z方向垂直于海平面；信号单次采集长度为1s-10s，信号的采样率为fs，取值范围100Hz-10kHz；
利用快速傅里叶变换对声压时域信号p(t)和三分量质点振速时域信号vx(t)、vy(t)和vz(t)进行处理，得到频点fi处的声压信号频谱P(fi)、x方向质点振速信号频谱Vx(fi)、y方向质点振速信号频谱Vy(fi)和z方向质点振速信号频谱Vz(fi)，i＝1,2,…L；f1和fL为选用频率范围的上下界；L为频点的个数；
利用下式计算得到x、y和z方向上的声能流Ix、Iy和Iz：
Figure FDA0002916887370000011
Figure FDA0002916887370000012
Figure FDA0002916887370000013
式中上标*表示复共轭算符，符号
Figure FDA0002916887370000014
表示取数据实部；
利用下式获得频点fi处去均值后的声场强度谱I1(fi)：
Figure FDA0002916887370000021
3.根据权利要求2所述的基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，其特征在于，利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值估计出目标到达角；具体包括：
由x方向和y方向的声能流，计算目标方位角
Figure FDA0002916887370000022
Figure FDA0002916887370000023
由x方向、y方向的声能流及目标方位角，合成水平声能流Ir：
Figure FDA0002916887370000024
由水平声能流Ir和z方向声能流，计算目标到达角
Figure FDA0002916887370000025
Figure FDA0002916887370000026
其中，目标到达角取值范围为0-90度。
4.根据权利要求3所述的基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，其特征在于，所述利用谱分析方法对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得多途时延估计值；具体包括：
对去均值后的声场强度谱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，谱分析采用快速傅里叶变换或多重分类算法；
到达时延谱Q1(τj)的最大值对应的时延为直达波和海面反射波的到达时延估计值
Figure FDA0002916887370000027
5.根据权利要求4所述的基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，其特征在于，所述根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值；计算多途时延估计值与不同声源深度下的多途时延模板值的差值，将差值最小的多途时延模板值对应的深度作为目标声源深度估计值；具体包括：
根据目标到达角估计值
Figure FDA0002916887370000028
结合声速剖面c(z)计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值τmod(zs)，目标声源深度zs范围设定为1-400m，深度间隔设置为1m；
多途时延模板值τmod(zs)为：
Figure FDA0002916887370000031
用求和替代积分，得到：
Figure FDA0002916887370000032
其中，积分间隔Δz取值应小于0.1，求和点数n＝zs/Δz；
其中，1-400m深度位置z处的声速c(z)通过实时测量或者查询数据库获得，单矢量水听器的深度位置zr处的声速c(zr)通过查询数据库或由海水声速经验公式计算得到；
定义深度估计代价函数E(zs)：
Figure FDA0002916887370000033
代价函数最大值对应的深度为目标声源深度估计值
Figure FDA0002916887370000034
6.一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，通过将单矢量水听器布放在深海大深度位置实现，所述方法包括：
接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱；
利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；
利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得频率干涉周期估计值；
根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的频域干涉周期模板值；计算频率干涉周期估计值与不同声源深度下的频域干涉周期模板值的差值，将差值最小的频域干涉周期模板值对应的深度作为目标声源深度估计值。
7.根据权利要求6所述的基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，其特征在于，所述接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱，具体包括：
采集近海面宽带目标声源发出的声压时域信号p(t)和三分量质点振速时域信号vx(t)、vy(t)和vz(t)，其中，t为时间，x、y和z为单矢量水听器内部定义的互相垂直的三个方向，z方向垂直于海平面；信号单次采集长度为1s-10s，信号的采样率为fs，取值范围100Hz-10kHz；
利用快速傅里叶变换对声压时域信号p(t)和三分量质点振速时域信号vx(t)、vy(t)和vz(t)进行处理，得到频点fi处的声压信号频谱P(fi)、x方向质点振速信号频谱Vx(fi)、y方向质点振速信号频谱Vy(fi)和z方向质点振速信号频谱Vz(fi)，i＝1,2,…L；f1和fL为选用频率范围的上下界；L为频点的个数；
利用下式计算得到x、y和z方向上的声能流Ix、Iy和Iz：
Figure FDA0002916887370000041
Figure FDA0002916887370000042
Figure FDA0002916887370000043
式中上标*表示复共轭算符，符号
Figure FDA0002916887370000044
表示取数据实部；
利用下式获得频点fi处去均值后的声场强度谱I1(fi)：
Figure FDA0002916887370000045
8.根据权利要求7所述的基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，其特征在于，利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；具体包括：
由x方向和y方向的声能流，计算目标方位角
Figure FDA0002916887370000046
Figure FDA0002916887370000047
由x方向、y方向的声能流及目标方位角，合成水平声能流Ir：
Figure FDA0002916887370000048
由水平声能流Ir和z方向声能流，计算目标到达角
Figure FDA0002916887370000051
Figure FDA0002916887370000052
其中，目标到达角取值范围为0-90度。
9.根据权利要求8所述的基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，其特征在于，所述利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得频率干涉周期估计值；具体包括：
对去均值后的声场强度谱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，谱分析采用快速傅里叶变换或多重分类算法；
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)，频率干涉周期谱中最大值对应的频率为直达波和海面反射波的频率干涉周期估计值
Figure FDA0002916887370000053
10.根据权利要求9所述的基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，其特征在于，所述根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的频域干涉周期模板值；计算频率干涉周期估计值与不同声源深度下的频域干涉周期模板值的差值，将差值最小的频域干涉周期模板值对应的深度作为目标声源深度估计值；具体包括：
根据目标到达角估计值
Figure FDA0002916887370000054
结合声速剖面c(z)计算该到达角下不同声源深度对应的频域干涉周期模板值fmod(zs)，目标声源深度zs范围设定为1-400m，深度间隔设置为1m；
频域干涉周期模板值fmod(zs)为：
Figure FDA0002916887370000055
其中，1-400m深度位置z处的声速c(z)通过实时测量或者查询数据库获得，单矢量水听器的深度位置zr处的声速c(zr)通过查询数据库或由海水声速经验公式计算得到；
定义深度估计代价函数E(zs)：
Figure FDA0002916887370000061
代价函数最大值对应的深度为声源深度估计值
Figure FDA0002916887370000062
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