CN112305502A - 一种基于阵列不变量的水面水下声源二元判别方法 - Google Patents

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于喜凤
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Abstract

本发明公开了一种基于阵列不变量的水面水下声源二元判别方法，首先将水听器垂直阵置于浅海负跃层以下，接收距离已知的静止声源发射的信号，对接收信号的到达角和时延进行处理获得阵列不变量值，进而利用波导不变量与阵列不变量之间的关系估计波导不变量值，最后根据波导不变量值对目标声源深度进行分类。相比于现有的水面水下目标分类方法，本发明所提方法针对静止声源，对信号波形无要求，适用范围广泛；不需要环境先验参数信息，计算量较小，易于实现，能够充分利用阵列增益。

Description

一种基于阵列不变量的水面水下声源二元判别方法
技术领域
本发明属于信号处理领域，具体涉及一种声源判别方法。
背景技术
水下声源深度分类是水声学的重点和难点问题。目标的深度信息是目标识别的一个重要方面，如何有效且准确地识别水面和水下目标一直以来都是一项关键技术，现有水下声源深度分类方法的特点阐述如下：
(1)在浅海，常用匹配场处理算法估计目标深度，选择已知的环境参数作为传播模型的输入参数进行声场建模，选定感兴趣扫描区域并划分网格，并对落在网格点上的假定声源进行声场计算，得到接收阵位置处的拷贝声场。利用匹配场算法对实际测得的声场与建模获得的声场做相关处理，得到输出模糊度平面，无失配情况下，在真实目标位置处出现相关峰值，以此估计目标深度。
(2)针对水面目标和水下目标的二元判别，常利用不同深度声源激发水中模态的差异性判别声源深度。声信号可以表示为若干个简正波之和，简正波模式的阶数，幅度与目标声源、接收器的深度等有着密切的关系，不同深度的声源激发的各声音号简正波的能量不同。通过分离比较低阶简正波和高阶简正波能量，而后进行深度判别，例如模态闪烁指数二值判别法、波导变量值深度判别法。
但是在实际应用中，上述方法往往受到水平阵孔径的限制，或需要较为精确的海洋环境信息，计算量较大，水面水下声源深度判别依旧缺乏简单可靠的手段。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于阵列不变量的水面水下声源二元判别方法，首先将水听器垂直阵置于浅海负跃层以下，接收距离已知的静止声源发射的信号，对接收信号的到达角和时延进行处理获得阵列不变量值，进而利用波导不变量与阵列不变量之间的关系估计波导不变量值，最后根据波导不变量值对目标声源深度进行分类。相比于现有的水面水下目标分类方法，本发明所提方法针对静止声源，对信号波形无要求，适用范围广泛；不需要环境先验参数信息，计算量较小，易于实现，能够充分利用阵列增益。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：假设垂直阵列是由N个基元组成的均匀直线阵列，阵元间距为d，信号到达角度有M个，相邻阵元间距小于接收信号波长的一半，则垂直阵列接收到的信号表示为：
X(t)＝[x1(t),x2(t),…,xk(t),…,xN(t)] (1)
式中，xk(t)表示每个基元对应的接收信号，k＝1,2,…,N；每个信号到达角度分别对应一段信号，总共有M段信号，每段接收信号表示为一个N×L的矩阵，L为接收信号的快拍数；经过常规波束形成后获得每段信号的到达角θm，m＝1,2,…,M，及与到达角相对应的到达时间tm；
步骤2：令sm＝sinθm，则sm和tm满足下列方程：
Figure BDA0002741713070000021
其中χv表示垂直阵列不变量；
利用式(2)对sm和tm曲线拟合，得到χv值；
步骤3：假设声源与垂直阵列距离为R，垂直阵列处的平均声速为c，则波导不变量β与垂直阵列不变量χv之间的线性关系如下式：
Figure BDA0002741713070000022
根据式(3)得到β值；
步骤4：给定波导不变量临界值βc，将步骤三中得到的β值与βc值进行比较，当β≥βc时，判定声源为水下目标；否则当β<βc时，判定声源为为水面目标。
优选地，所述基元为水听器。
优选地，所述声源为距离已知的静止声源。
本发明的有益效果是：由于采用了本发明的一种基于阵列不变量的水面水下声源二元判别方法，能够快速、稳健地对水面水下声源进行二元判别；相比于现有方法，本发明不受限于声源波形，适用范围广泛；不需要环境先验参数信息，计算量较小，易于实现；并且能够充分利用阵列增益。
附图说明
图1为本发明的仿真环境。
图2为本发明仿真得到的波束时间迁移图，声源深度5m。
图3为本发明仿真得到的波束时间迁移图，声源深度50m。
图4为本发明波导不变量β取值的概率分布情况，声源深度5m。
图5为本发明波导不变量β取值的概率分布情况，声源深度50m。
图6为本发明利用阵列不变量值估计的波导不变量值在不同声源深度上的变化。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于阵列不变量的水面水下声源二元判别方法，包括以下步骤：
步骤1：假设垂直阵列是由N个基元组成的均匀直线阵列，阵元间距为d，信号到达角度有M个，相邻阵元间距小于接收信号波长的一半，则垂直阵列接收到的信号表示为：
X(t)＝[x1(t),x2(t),…,xk(t),…,xN(t)] (1)
式中，xk(t)表示每个基元对应的接收信号，k＝1,2,…,N；每个信号到达角度分别对应一段信号，总共有M段信号，每段接收信号表示为一个N×L的矩阵，L为接收信号的快拍数；经过常规波束形成后获得每段信号的到达角θm，m＝1,2,…,M，及与到达角相对应的到达时间tm；
步骤2：令sm＝sinθm，则sm和tm满足下列方程：
Figure BDA0002741713070000031
其中χv表示垂直阵列不变量；
利用式(2)对sm和tm曲线拟合，得到χv值；
步骤3：假设声源与垂直阵列距离为R，垂直阵列处的平均声速为c，则波导不变量β与垂直阵列不变量χv之间的线性关系如下式：
Figure BDA0002741713070000032
根据式(3)得到β值；
步骤4：给定波导不变量临界值βc，将步骤三中得到的β值与βc值进行比较，当β≥βc时，判定声源为水下目标；否则当β<βc时，判定声源为为水面目标。
具体实施例：
1、图1是仿真环境，海深100m，仿真用声速剖面为典型夏季负跃层声速剖面，跃层深度在10m-30m，其声速从1520m/s减小到1480m/s，海底声速1580m/s，海底密度1.85g/cm3，海底吸收系数为0.04dB/λ，声源中心频率为350Hz，距离为5.5km。接收阵列由16个阵元组成，阵元间距其中1#阵元深度45m，16#阵元深度70m。得到基阵接收信号：
X(t)＝[x1(t),x2(t),...,xN(t)]，N＝16
根据信号到达角度的不同将信号分割成10段，每段接收信号可以表示为一个16×L的矩阵，L＝fs×t为接收信号的快拍数，fs为采样频率，t为信号接收时间。经常规波束形成后可获得每段信号的到达角θm，m＝1,2,…,10，及其对应的到达时间为tm。
2、当接收阵列为垂直阵列时，令sm＝sinθm，sm和tm满足式(2)，对sm和tm曲线拟合，得到χv值。当声源深度为5m和50m时，波束时间迁移图如图2和图3所示，得到声源深度为5m和50m时对应的垂直阵列不变量χv值分别为-0.209和-0.482。
3、根据波导不变量β与垂直阵列不变量χv之间的关系估计β值，波导不变量β与垂直阵列不变量χv之间的线性关系如式(3)。
当声源深度为5m和50m，声源距离为5.5km时，χv值为-0.209和-0.482时对应的波导不变量β值分别为0.767和1.768，其结果与图4和图5利用二维傅里叶变换方法得到的波导不变量取值的概率分布情况结果一致。
4、根据用户设定波导不变量临界值βc对声源深度进行二元判别。在本仿真环境下，不同目标声源深度对应的β值的变化情况如图6所示。因此，令βc＝1。将步骤三中由实际数据得到的β值与用户设定的βc值进行比较，当β≥βc时，判定为水下目标，反之为水面目标。因此，判定5m声源信号来自水面目标，而50m声源信号则来自水下目标。
综上所述，本发明首先利用阵列接收信号X(t)＝[x1(t),x2(t),...,xN(t)]和已知目标距离R，计算阵列不变量值χv，然后推导得到β值。最后，比较β值和用户给定βc的大小，判别水面水下声源。根据射线模型仿真，证明了本发明方法的可行性。

Claims (3)

1.一种基于阵列不变量的水面水下声源二元判别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：假设垂直阵列是由N个基元组成的均匀直线阵列，阵元间距为d，信号到达角度有M个，相邻阵元间距小于接收信号波长的一半，则垂直阵列接收到的信号表示为：
X(t)＝[x1(t),x2(t),…,xk(t),…,xN(t)] (1)
式中，xk(t)表示每个基元对应的接收信号，k＝1,2,…,N；每个信号到达角度分别对应一段信号，总共有M段信号，每段接收信号表示为一个N×L的矩阵，L为接收信号的快拍数；经过常规波束形成后获得每段信号的到达角θm，m＝1,2,…,M，及与到达角相对应的到达时间tm；
步骤2：令sm＝sinθm，则sm和tm满足下列方程：
Figure FDA0002741713060000011
其中χv表示垂直阵列不变量；
利用式(2)对sm和tm曲线拟合，得到χv值；
步骤3：假设声源与垂直阵列距离为R，垂直阵列处的平均声速为c，则波导不变量β与垂直阵列不变量χv之间的线性关系如下式：
Figure FDA0002741713060000012
根据式(3)得到β值；
步骤4：给定波导不变量临界值βc，将步骤三中得到的β值与βc值进行比较，当β≥βc时，判定声源为水下目标；否则当β<βc时，判定声源为为水面目标。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵列不变量的水面水下声源二元判别方法，其特征在于，所述基元为水听器。
3.根据权利要求1所述的一种基于阵列不变量的水面水下声源二元判别方法，其特征在于，所述声源为距离已知的静止声源。
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