CN112182868A - 一种基于鲸/海豚click叫声的浅海主动声呐探测方法 - Google Patents

一种基于鲸/海豚click叫声的浅海主动声呐探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于鲸/海豚click叫声的浅海主动声呐探测方法，包括以下步骤：首先，基于鲸/海豚click叫声的频谱特征，构建鲸/海豚的仿生click叫声模型，仿生click叫声模型由两个高斯包络的负线性调频信号组成，记为LF分量和HF分量，HF分量的频率范围高于LF分量的频率范围，且HF分量相对于LF分量在时间轴上延迟了ΔT；其次，通过改变仿生click叫声sC(t)的参数，包括持续时间T，延迟时间ΔT，LF分量和HF分量的频率范围以及幅值，构造出不同类型的仿生click叫声；最后，基于上述的仿生click叫声模型，设计了相应的探测策略，根据目标距离和声呐所处环境，改变仿生click叫声的参数，以调节仿生click叫声的探测性能。

Description

一种基于鲸/海豚click叫声的浅海主动声呐探测方法
技术领域
本发明属于水声信号处理领域，特别是一种基于鲸/海豚click叫声的浅海主动声呐探测方法。
背景技术
混响是主动声呐的主要干扰混响是由发射信号从各种散射体(水底、水面、水中不均匀体)上的散射或反射产生的。混响是主动声呐目标探测的主要干扰，是影响浅海主动声呐探测性能的主要因素之一。
混响频率与声呐信号频率基本相同，水雷、水下蛙人、海底掩埋线缆等浅海目标，运动速度慢，其声呐回波的多普勒频移较小，因此很难通过多普勒处理抑制混响干扰，目标回波其很容易淹没在浅海混响中，因此，声呐信号必须具有良好的抗混响能力。此外，浅海目标的探测，还要有足够高的空间分辨力。因此，声呐信号必须具有良好的抗混响能力和较高的距离分辨率。
鲸和海豚具有探测识别复杂环境下目标的卓越能力，其能够在海底混响严重的浅海环境准确躲避障碍物，发现隐藏在砂石下的猎物。鲸和海豚发出的click叫声是一种短时宽带信号，是鲸和海豚进行探测、识别的主要信号，具有极高的研究价值。click叫声的频谱具有双峰特征，即click脉冲中有一个低频分量和一个高频分量，当鲸和海豚处于混响严重的狭窄环境中或接近探测目标的过程中，click叫声的频谱特征会随之改变。目前已有一些对click叫声建模的方法，例如：
公开号为CN105391500A的专利文件中，公开了一种基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法，该方法采用单瑞利脉冲信号来模仿海豚click叫声，并将仿生信号用于仿生伪装隐蔽通信，但由于海豚嘀嗒声通信通常具有双峰特性，并且双峰之间能量具有一定的关系，因此该方法并不能很好的模仿海豚click叫声信号。
公开号为CN106503336A的专利文件中，公开了一种海豚嘀嗒声信号建模与合成的方法，该方法采用两个瑞利脉冲信号模仿模仿海豚click叫声，但由于click叫声的频谱特征会随目标距离和水下环境的改变而不断变化，以调节信号的探测性能，因此该方法无法模仿海豚click叫声的这种动态变化规律。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于鲸/海豚click叫声的浅海主动声呐探测方法，它通过模仿鲸和海豚发出的click叫声在自然环境中的变化规律，根据目标距离和所处环境自适应改变声呐信号的探测性能，能同时满足浅海探测对声呐信号抗混响能和距离分辨率的要求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于鲸/海豚click叫声的浅海主动声呐探测方法，包括以下步骤：
首先，基于鲸/海豚click叫声的频谱特征，构建鲸/海豚的仿生click叫声模型，仿生click叫声模型由两个高斯包络的负线性调频信号组成，记为LF分量和HF分量，HF分量的频率范围高于LF分量的频率范围，且HF分量相对于LF分量在时间轴上延迟了ΔT；仿生click叫声模型的时域信号表达式为：
sC(t)＝sLF(t)+sHF(t-ΔT) (1)
其中sC(t)表示仿生click叫声，sLF(t)和sHF(t)分别为LF分量和HF分量的时域信号表达式，sHF(t-ΔT)表示将sHF(t)在时域上向右平移ΔT；
其次，通过改变仿生click叫声sC(t)的参数，包括持续时间T，延迟时间ΔT，LF分量和HF分量的频率范围以及幅值，构造出不同类型的仿生click叫声；其中，sLF(t)的表达式为：
Figure BDA0002693034680000021
sHF(t)的表达式为：
Figure BDA0002693034680000022
其中，T表示信号持续时间，0≤t≤T，σ＝T/6，R为目标距离，ALF(R)和AHF(R)分别为LF分量和HF分量的最大幅值，且ALF(R)和AHF(R)都是关于自变量R的函数，kHL＝ALF(R):ALF(R)表示两个分量最大幅值的比值，BLF(kHL)和BHF(kHL)分别为LF分量和HF分量的带宽，且BLF(kHL)和BHF(kHL)都是关于kHL的函数，fLF是LF分量的最小频率，fHF是HF分量的最大频率。
最后，基于上述的仿生click叫声模型，设计了相应的探测策略，根据目标距离和声呐所处环境，改变仿生click叫声的参数，以调节仿生click叫声的探测性能。kHL与R正相关，BLF(kHL)与kHL负相关，BHF(kHL)与kHL正相关；当声呐处于混响严重的狭窄环境中或接近探测目标的过程中，目标距离R减小，此时降低kHL的值，以提高仿生click叫声sC(t)的抗混响性能；同时，LF分量的带宽BLF(kHL)随之增大，同时HF分量的带宽BHF(kHL)随之减小，以减小由于HF分量能量减少所带来的距离分辨率的损失。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明根据鲸和海豚的频谱特征建立了仿生click叫声模型，click叫声是鲸和海豚鲸和海豚进行探测、识别的主要信号，同时频谱特征是研究人员对鲸和海豚进行种群分类、识别的重要依据，因此，本发明将对鲸和海豚的生物学研究提供帮助。
(2)本发明构造的仿生click叫声，可以方便的调整仿生信号的持续时间、时频结构、频率范围等参数，从而通过适当改变仿生信号的参数，提高仿生信号的水下探测性能或水下通信性能。
(3)本发明构造的仿生click叫声，能够根据目标距离的变化，自适应改变信号参数，从而在海底混响严重的浅海环境中，显著提高信号的抗混响性能，同时大幅减少距离分辨率的损失。
(4)本发明具有很强的通用性，能够根据鲸/海豚click叫声的频谱特征及变化规律，通过调整仿生click叫声中两个分量的参数，高相似度模仿不同类型的鲸/海豚click叫声。
附图说明
图1示出本发明实施例中使用的伪虎鲸的四种频谱类型。
图2示出本发明中仿生click叫声sC(t)的时频域结构示意图。
图3示出本发明中I型仿生click叫声的频谱。
图4示出本发明中II型仿生click叫声的频谱。
图5示出本发明中III型仿生click叫声的频谱。
图6示出本发明中IV型仿生click叫声的频谱。
图7示出本发明中DC6和DC6imp在η＝1处的Q函数值与kHL的关系。
图8示出本发明中DC6和DC6imp的距离分辨率与kHL的关系。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种基于鲸/海豚click叫声的浅海主动声呐探测方法，它通过模仿鲸和海豚发出的click叫声在自然环境中的变化规律，根据目标距离和所处环境自适应改变声呐信号的探测性能，能同时满足浅海探测对声呐信号抗混响能和距离分辨率的要求。
伪虎鲸和宽吻海豚的频谱具有双峰特征，图1中本发明以伪虎鲸为例，给出了鲸/海豚的四种频谱类型。当鲸/海豚处于混响严重的狭窄环境中或接近探测目标的过程中，会减小click叫声的声源级。当声源级较低时，click叫声为I型，其频谱仅在低频处(<70kHz)有一个谱峰。随着声源级逐渐提高到中等水平，高频处(>70kHz)的峰值逐渐增加，click叫声逐渐变为II型和III型，频谱出现明显的双峰特征，即频谱有两个谱峰，次峰的衰减在3dB之内。随着声源级增加到高水平，高频处的峰值逐渐大于低频处的峰值，click叫声变为IV型。
基于鲸/海豚click叫声实现主动声呐探测的具体实现步骤为：
首先，基于鲸/海豚click叫声的频谱特征，本发明设计了仿生click叫声模型，仿生click叫声由两个高斯包络的负线性调频信号组成，记为LF分量和HF分量，HF分量的频率范围高于LF分量的频率范围，且HF分量相对于LF分量在时间轴上延迟了ΔT。仿生click叫声的时域信号表达式为：
sC(t)＝sLF(t)+sHF(t-ΔT) (1)
其中sC(t)表示仿生click叫声，sLF(t)和sHF(t)分别为LF分量和HF分量的时域信号表达式，sHF(t-ΔT)表示将sHF(t)在时域上向右平移ΔT。图2所示为仿生click叫声sC(t)的时频域结构示意图。
进一步，sC(t)中，sLF(t)的表达式为：
Figure BDA0002693034680000041
sHF(t)的表达式为：
Figure BDA0002693034680000042
其中，T表示信号持续时间，0≤t≤T，σ＝T/6，R为目标距离，ALF(R)和AHF(R)分别为LF分量和HF分量的最大幅值，且ALF(R)和AHF(R)都是关于自变量R的函数，kHL＝ALF(R):ALF(R)表示两个分量最大幅值的比值，BLF(kHL)和BHF(kHL)分别为LF分量和HF分量的带宽，且BLF(kHL)和BHF(kHL)都是关于kHL的函数，fLF是LF分量的最小频率，fHF是HF分量的最大频率。通过改变仿生click叫声sC(t)的参数，包括持续时间T，延迟时间ΔT，LF分量和HF分量的频率范围以及幅值，能够构造不同类型的仿生click叫声。仿真中，当仿生click叫声的T＝100μs，ΔT＝20μs，fLF＝30kHZ，BLF＝48kHZ，fHF＝130kHz，BHF＝48kHz。通过改变kHL构造不同类型的仿生click叫声，图3、图4、图5和图6分别为中I型1、II型2、III型3和IV型仿生click叫声的频谱，四个仿生click叫声的kHL分别为
Figure BDA0002693034680000051
Figure BDA0002693034680000052
和
Figure BDA0002693034680000053
基于上述的仿生click叫声模型，设计相应的探测策略，能够根据目标距离和声呐所处环境，改变仿生click叫声的参数，以调节仿生click叫声的探测性能。kHL与R正相关，BLF(kHL)与kHL负相关，BHF(kHL)与kHL正相关。当声呐处于混响严重的狭窄环境中或接近探测目标的过程中，目标距离R减小，此时降低kHL的值，以提高仿生click叫声sC(t)的抗混响性能。同时，LF分量的带宽BLF(kHL)随之增大，同时HF分量的带宽BHF(kHL)随之减小，以减小由于HF分量能量减少所带来的距离分辨率的损失。
具体的，在仿真中，构造两个仿生click叫声“DC”和“DCimp”，两个仿生信号的T＝100μs且ΔT＝20μs。DC中，LF分量和HF分量的频率范围不变，其中fLF＝30kHZ，BLF＝48kHZ，fHF＝130kHz，BHF＝48kHz；DC6imp中，LF分量和HF分量的频率范围随kHL的变化而变化，其中LF分量的fLF＝30kHZ，BLF＝48kHZ+52kHz×(1-kHL)，HF分量的fHF＝130kHz，BHF＝48kHz×kHL；
本实施例分别使用宽带模糊函数和Q函数来评价信号的距离分辨率和抗混响性能，宽带模糊函数的表达式为：
Figure BDA0002693034680000054
其中，τ为时延，η＝(c-v)/(c+v)≈1-2v/c为多普勒尺度因子，c是声音在水中的传播速度，v是声呐与目标的径向相对速度。Q函数的表达式为：
Q(η)＝∫|χ(η,τ)|2dτ (5)
图7和图8分别展示了DC6和DC6imp在η＝1处的Q函数值和距离分辨率与kHL的关系。从图7可看出，随kHL的减小，DC6和DC6imp在η＝1处Q函数值均减小，信号的抗混响性能提高，且由于DC6imp在减小AHF(R)的同时增大了LF分量的带宽，其Q函数值比DC6更低。从图8可看出，随着kHL的减小，DC6和DC6imp的距离分辨率的值均增大，距离分辨率降低，但DC6imp的分辨率的优于DC6的距离分辨率。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于鲸/海豚click叫声的浅海主动声呐探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，基于鲸/海豚click叫声的频谱特征，构建鲸/海豚的仿生click叫声模型，仿生click叫声模型由两个高斯包络的负线性调频信号组成，记为LF分量和HF分量，HF分量的频率范围高于LF分量的频率范围，且HF分量相对于LF分量在时间轴上延迟了ΔT；仿生click叫声模型的时域信号表达式为：
sC(t)＝sLF(t)+sHF(t-ΔT) (1)
其中sC(t)表示仿生click叫声，sLF(t)和sHF(t)分别为LF分量和HF分量的时域信号表达式，sHF(t-ΔT)表示将sHF(t)在时域上向右平移ΔT；
其次，通过改变仿生click叫声sC(t)的参数，包括持续时间T，延迟时间ΔT，LF分量和HF分量的频率范围以及幅值，构造出不同类型的仿生click叫声；
最后，根据目标距离和声呐所处环境，改变仿生click叫声的参数，以调节仿生click叫声的探测性能。
2.根据权利要求1所述一种基于鲸/海豚click叫声的浅海主动声呐探测方法，其特征在于，sLF(t)的表达式为：
Figure FDA0002693034670000011
sHF(t)的表达式为：
Figure FDA0002693034670000012
其中，T表示信号持续时间，0≤t≤T，σ＝T/6，R为目标距离，ALF(R)和AHF(R)分别为LF分量和HF分量的最大幅值，且ALF(R)和AHF(R)都是关于自变量R的函数，kHL＝ALF(R):ALF(R)表示两个分量最大幅值的比值，BLF(kHL)和BHF(kHL)分别为LF分量和HF分量的带宽，且BLF(kHL)和BHF(kHL)都是关于kHL的函数，fLF是LF分量的最小频率，fHF是HF分量的最大频率。
3.根据权利要求2所述一种基于鲸/海豚click叫声的浅海主动声呐探测方法，其特征在于，kHL与R正相关，BLF(kHL)与kHL负相关，BHF(kHL)与kHL正相关；当声呐处于混响严重的狭窄环境中或接近探测目标的过程中，目标距离R减小，此时降低kHL的值，以提高仿生click叫声sC(t)的抗混响性能；同时，LF分量的带宽BLF(kHL)随之增大，同时HF分量的带宽BHF(kHL)随之减小，以减小由于HF分量能量减少所带来的距离分辨率的损失。
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