CN112083428B - 基于声矢量场处理的海洋内波预警监测方法 - Google Patents

基于声矢量场处理的海洋内波预警监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声矢量场处理的海洋内波预警监测方法，该方法利用海洋内背景声源作为非协作声源目标，使用超低频矢量水听器拾取目标声源的三维信息，跟踪目标声源信号垂直维掠射角的变化，结合海洋内波声学起伏特征，实现海洋内波实时监测。该方法通过水平维目标方位估计确定非协作声源目标，通过求取目标声源的垂直维掠射角，保持跟踪锁定，一旦目标的垂直维掠射角发生异常跳变，则与设定的跳变范围进行对比识别，从而达到内波的预警监测。本方法步骤简单，仪器布放回收便捷，监测效果佳，在内波监测领域具有较好的工程实用价值。

Description

基于声矢量场处理的海洋内波预警监测方法
技术领域
本发明属于海洋内波监测技术领域，具体是使用时-空-频三维跟踪算法对监测海域内的非协作声源目标实时跟踪反演海洋内波的监测及预警方法。
背景技术
海洋内波是发生在密度稳定层化的海水内部的一种波动，在海洋内部其振幅范围一般为几米到几十米，波长为几百米至几千米，周期为几分钟至几十小时，海洋内波对人类海洋活动极具威胁性和破坏性。目前国内外海洋内波检测方法主要有两种：一是采用锚系仪器阵列，走航拖曳仪器，中性浮子探测和声学仪器等，通过检测海水流变引起的物理变化来获取和检测内波信息。另一种检测内波的方式是通过卫星遥感观测，通过获取内波在波峰后和波谷后处产生的辐聚和辐散现象，来实现内波发现与跟踪。然而，利用海水流变检测内波的技术存在诸多问题：锚系仪器阵列在细结构方面存在严重缺陷，其安装仪器有限，不可能获得足够长的物理垂向和水平空间序列，且锚系链容易受海流拖拽力影响发生摇晃，多普勒影响显著。走航拖曳仪器测量的缺点在于成本高，随机性强，检测海域范围小，同样无法做到全自主实时检测。卫星遥感观测进行内波检测主要通过合成孔径雷达来实现，其最大优点是能做到大面积实时观测，但是该方法仅反映在影响到海水表层的特定内波，不能对隐藏于海底的内波进行直接、连续的观测，且SAR观测精度受海面状况的制约较大。
发明内容
鉴于此，本发明提出一种基于声矢量场处理的海洋内波预警监测方法，搜索海洋背景声场中的非协作声源目标信号，计算目标信号的垂直维掠射角，跟踪目标信号的时-空-频角度的变化反演内波，方法简单，成本低，监测效果好。
本发明所述的基于声矢量场处理的海洋内波预警监测方法，步骤如下：
(1)将超低频矢量水听器放于海底，拾取海洋背景声场信息。
(2)根据声压和质点振速联合信息处理方法，利用水平维目标方位估计搜索非协作声源目标。
(3)根据锁定的非协作声源目标，计算目标信号的垂直维掠射角α。
(4)跟踪目标声源信号时-空-频三维角度变化，绘制时间(t)-频率(f)-方位(α)图，直观的通过图上垂直方位角的跳变来判断内波的到来，通过上位机显示在软件界面。
(5)若监测范围内出现内波，将引起三维声速剖面的变化、声场的起伏，跟踪的目标信号源声能流强度改变，引起目标垂直维掠射角发生异常跳变，从而达到内波的预警监测。
本发明的优势在于：内波成因复杂，直接监测较为困难，准确度较低，本发明利用跟踪海洋内非协作声源目标的垂直维掠射角变化来反演内波，可以简单快速的监测内波活动，误差小，反应迅速，监测内波距离范围为5km。
附图说明
图1(a)是正常海洋背景状态内波监测示意图，
图1(b)是内波来袭状态内波监测示意图；
图2是基于声矢量场处理的海洋内波预警监测方法原理图；
图3是目标方位估计三维声源声能流示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明采用搜索海洋背景声场中具有较高能量的信号作为检测内波的非协作声源，通过计算目标信号的垂直维掠射角，跟踪目标信号的时-空-频角度的变化来反演内波，预警监测。
如图2所示，基于声矢量场处理的海洋内波预警监测方法具体步骤如下：
(1)将超低频矢量水听器放于海底，拾取海洋背景声场信息，信息表达式如下：
其中x(t)为目标声压信号,p(t)为矢量水听器拾取的声压信号，vx(t)为矢量水听器拾取的X轴振速信号，vy(t)为矢量水听器拾取的Y轴振速信号，vz(t)为矢量水听器拾取的Z轴振速信号,代表相互正交的三个振速分量；np(t)、nvx(t)、nvy(t)、nvz(t)为干扰噪声的声压与X、Y、Z方向的振速分量。
(2)根据声压和质点振速联合信息处理方法，利用水平维目标方位估计搜索非协作声源目标，具体采用基于加权直方图法统计的水平多目标DOA方位估计；
(3)根据锁定的非协作声源目标，如图3所示，计算目标信号的垂直维掠射角α，表达式如下：
Isx'(f)、Isy'(f)、Isz'(f)为X、Y、Z方向上的净声强流谱，目标水平方位角和垂直掠射角分别为(θ,α)，Is为目标声能流；噪声源方位角和掠射角分别为(θi,αi)，In为噪声源声能流，Is'与In'分别为Is、In在X、Y二维平面的正交投影，各方位干扰噪声声能流在目标方位的分量I'nx(θi,αi,f)、I'ny(θi,αi,f)、I'nz(θi,αi,f)，目标声能流Is在各维度的分量Isx、Isy、Isz，N为在方位角为θi的频点个数，E[·]为求期望，K为不同方位的独立干扰噪声源个数。
则目标信号源垂直维掠射角表达式为：
(4)跟踪目标声源信号时-空-频三维角度变化，绘制时间(t)-频率(f)-方位(α)图，直观的通过图上垂直方位角的跳变来判断内波的到来，通过上位机显示在软件界面。
(5)若不存在海洋内波，如图1(a)，跟踪的某背景辐射源声信号将以A路线直达潜标，掠射角为α1；而当海洋内波来袭时，海水等温度面、介质密度层发生变化，引起声速剖面发生变化，导致海洋信道发生改变，以图1(b)所示，声信号将以B路线到达潜标，掠射角为α2，与α1有明显的不同，潜标以此特征变化间接识别内波来袭，快速启动报警模块，完成报警职能。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.基于声矢量场处理的海洋内波预警监测方法，其特征在于，包括：
步骤1、将超低频矢量水听器放于海底，拾取海洋背景声场信息；具体是使用的超低频矢量水听器由一个声压水听器和三个振速水听器复合而成，拾取声压信号p(t)和X、Y、Z方向的振速分量；
步骤2、根据声压和质点振速联合信息处理方法，利用水平维目标方位估计搜索非协作声源目标；
步骤3、根据锁定的非协作声源目标，计算目标信号的垂直维掠射角a，用下述表达式表示：
Isx'(f)、Isy'(f)、Isz'(f)为X、Y、Z方向上的净声强流谱，其中：
θ为目标水平方位角，Is为目标声能流；噪声源方位角和掠射角分别为(θi,ai)，In为噪声源声能流，N为在方位角为θi的频点个数，K为不同方位的独立干扰噪声源个数，E[·]为求期望；
步骤4、跟踪目标声源信号时-空-频三维角度变化；
步骤5、若监测范围内出现内波，将引起三维声速剖面的变化、声场的起伏，跟踪的目标信号源声能流强度改变，引起目标垂直维掠射角发生异常跳变，从而达到内波的预警监测。
2.如权利要求1所述的基于声矢量场处理的海洋内波预警监测方法，其特征在于，水平维目标方位估计为基于加权直方图法统计的水平多目标DOA方位估计。
3.如权利要求1所述的基于声矢量场处理的海洋内波预警监测方法，其特征在于，计算目标信号的垂直维掠射角，用三维声能流模型计算。
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