CN112816968A - 一种基于匹配波束强度处理的深海声源深度分辨方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于匹配波束强度处理的深海声源深度分辨方法，针对深海环境下的水面水下目标分辨问题，考虑到布放在临界深度下的垂直阵，经可靠声路径传播的一个显著特征是声源距离与信号到达角之间的明确关系。对于窄带信号，基于直达声和海面反射声的干涉图样可用一种基于傅立叶变换的方法和一种基于过零点角度间距的方法来估计声源深度，这两种方法都需要覆盖一个干涉周期的角度跨度支撑。本发明提出了一种匹配波束强度处理方法，模拟数据的仿真结果表明，对于相同且更短角度跨度的情况，匹配波束强度处理方法实现了比基于傅里叶变换的方法更好的深度分辨率，并且深度分辨率对输入信噪比不太敏感。

Description

一种基于匹配波束强度处理的深海声源深度分辨方法

技术领域

本发明隶属于水声定位与识别技术领域，具体涉及一种基于匹配波束强度处理的深海声 源深度分辨方法。

背景技术

最近的研究表明布放在临界深度下的垂直阵可基于可靠声路径(直达路径与海面反射路 径结合)用于200m以浅声源的检测和定位。实验观测到深海临界深度下的背景噪声谱级要比 临界深度以上的背景噪声谱级低5-20dB，且经由可靠声路径传播声信号的传播损失小于同等 距离浅海传播损失10–20dB。因此，利用布放在深海临界深度下的垂直阵进行水面或水下 目标的检测和定位是可行的。近些年来，各种各样的可靠声路径定位方法陆续被提出和研究。 McCargar et al.,and Zurk and Kniffin et al.考虑到直达路径和海面反射路径的叠加(劳 埃德镜干涉现象)引起的距离-深度平面内的干涉条纹，并解释了对于一个窄带信号，信号的 能量作为距离的函数受到了声源深度的调制变化，这种深度调制变化可用于声源深度的估计。

对于宽带信号，Yang等人解释了声强作为频率的函数受声源深度的调制，并利用频谱的 周期性可以实现声源的深度估计。Duan等人使用扩展的卡曼滤波，利用声场干涉结构估计声 源深度，并且利用单水听器多途结构实现了声源的定位。

对窄带信号，声源深度估计多是基于劳埃德镜干涉的深度调制特征。每一帧垂直阵数据 经波束形成处理可生成波束能量随到达角和时间的变化，可从中提取出峰值能量到达角及其 对应的波束能量。广义的傅里叶变换用于提取声源的深度，并且一个更简单的，基于波束能 量周期性的方法也被用于声源深度的估计。但这两种方法都需要覆盖一个完整的干涉周期。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于匹配波束强度处理的深海 声源深度分辨方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。本发明提出一种基于匹配波束强度处理的 深海声源深度分辨方法，针对深海环境下的水面水下目标分辨问题，考虑到布放在临界深度 下的垂直阵，经可靠声路径传播的一个显著特征是声源距离与信号到达角之间的明确关系。 对于窄带信号，基于直达声和海面反射声的干涉图样，本项目提出了一种匹配波束强度处理 方法，模拟数据的仿真结果表明，对于相同且更短角度跨度的情况，匹配波束强度处理方法 实现了比基于傅里叶变换的方法更好的深度分辨率，并且深度分辨率对输入信噪比不太敏感。 由此匹配波束强度处理可以更好的估计浅声源的深度，进而利用声源深度的初步估计结果更 准确的实现水面水下目标的分辨；具体步骤如下：

(1)针对布放在深海临界深度以下的N元垂直接收阵列，其基阵中心位置布放在深度

对其接收声压信号P(z_j)做常规波束形成处理有

峰值位于sinθ＝sinθ_S，波束能量如下

(2)当声源运动时，可以得到波束能量随时间和导向角的变化图B(sinθ,t)。

(3)从B(sinθ,t)提取波束能量峰值对应的角度θ_B(t)，进而从波束能量峰值对应的角度 θ_B(t)估计出目标距离随时间的变化

(4)定义拷贝场波束能量B(μ)，由μ＝sinθ_B＝sinθ_S，拷贝场波束能量

B(μ)＝μ²[1-cos(2kz_sμ)]

(5)定义深度估计模糊度函数Amb(z)，物理意义为匹配数据波束能量峰值随时间的变 化与不同声源深度仿真波束峰值随时间的变化。

模糊度函数的值表示数据和仿真的匹配程度，也称作匹配系数。

(6)利用模糊度函数Amb(z)实现声源深度的初步估计，进而利用声源深度的初步估计 结果依据下式对水面声源或水下声源做出判决，

H₀:z_s≤z_lim

H₁:z_s>z_lim

其中z_s为声源深度，z_lim为分辨深度。需要说明的是z的正方向是水深增加的方向。因此 H₀表示来自水面的声源，H₁表示来自水下的声源。值得注意的是，这里我们需要分辨水面 和水下的声源，因此z_lim通常设置为水下20～30m。

本发明的有益效果为：该方法通过匹配数据波束能量与拷贝波束能量来实现深度估计。 该方法的优点在于在相同的距离和角度跨度的情况下，可以得到更高的精度，并且在海面附 近深度估计效果相比广义傅里叶变换法更好。

附图说明

图1给出了匹配波束强度处理实现深海声源目标深度分辨的算法流程。

图2(a)给出了深度为50m的声源随时间运动时垂直阵接收数据通过波束形成获得的波束角 度-时间变化，图2(b)给出了输入与输出信噪比作为时间或距离的函数，其中噪声级设置为 在8km声源距离处具有的4dB的输入信噪比。可以看出由于直达声与海面反射声的干涉，在波 束零点处输出信噪比小于输入信噪比，即输出信号加噪声比输入噪声大。

图3中给出输入信噪比为4dB与50dB情况下估计的峰值波束能量变化。从图3中观察到，噪声填 充了波束能量变化中的零点——零点处的波束能量与高信噪比情况下的波束能量之差表示输 入信噪比；输入信噪比越高，零点越深。此外，噪声会导致峰值波束能量随时间波动。数据 表明，μ＝sinθ_B不确定度约为0.01。

图4给出信号到达角及估计的距离随时间的变化，由于噪声的影响，信号到达角随时间波动剧 烈，当信号强度减弱时，估计的结果则是不可靠的。利用到达角平滑的结果可以实现声源距 离的粗略估计。

图5分别给出了输入信噪比为4dB与50dB情况下，应用广义傅里叶变换与匹配波束强度处理 的声源深度估计结果，可以看出，匹配波束强度处理呈现更好的深度分辨率。在初步估计声 源深度的基础上可以判决为水下声源。

图6(a)给出了深度为10m的声源随时间运动时垂直阵接收数据通过波束形成获得的波束角 度-时间变化，图6(b)给出了输入与输出信噪比作为时间或距离的函数，其中噪声级设置为 在8km声源距离处具有的4dB的输入信噪比。可以看出由于直达声与海面反射声的干涉，在波 束零点处输出信噪比小于输入信噪比，即输出信号加噪声比输入噪声大。

图7分别给出了输入信噪比为4dB与50dB情况下，应用广义傅里叶变换与匹配波束强度处理 的声源深度估计结果，可以看出，此时声源距离海面较近，广义傅里叶变换方法无法准确估 计声源深度，匹配波束强度处理呈现更好的深度分辨率，可以实现近海面声源的深度估计。 在初步估计声源深度的基础上可以判决为水面声源。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明的具体实施方式如下：

(1)针对布放在深海临界深度以下的N元垂直接收阵列，其基阵中心位置布放在深度

对其接收声压信号P(z_j)做常规波束形成处理有

峰值位于sinθ＝sinθ_S，波束能量如下

(2)当声源运动时，可以得到波束能量随时间和导向角的变化图B(sinθ,t)。

(3)从B(sinθ,t)提取波束能量峰值对应的角度θ_B(t)，进而从波束能量峰值对应的角度 θ_B(t)估计出目标距离随时间的变化

(4)定义拷贝场波束能量B(μ)，由μ＝sinθ_B＝sinθ_S，拷贝场波束能量

B(μ)＝μ²[1-cos(2kz_sμ)]

(5)定义深度估计模糊度函数Amb(z)，物理意义为匹配数据波束能量峰值随时间的变 化与不同声源深度仿真波束峰值随时间的变化。

模糊度函数的值表示数据和仿真的匹配程度，也称作匹配系数。

(6)利用模糊度函数Amb(z)实现声源深度的初步估计，进而利用声源深度的初步估计 结果依据下式对水面声源或水下声源做出判决，

H₀:z_s≤z_lim

H₁:z_s>z_lim

其中z_s为声源深度，z_lim为分辨深度。需要说明的是z的正方向是水深增加的方向。因此H₀表 示来自水面的声源，H₁表示来自水下的声源。值得注意的是，这里我们需要分辨水面和水下 的声源，因此z_lim通常设置为水下20～30m。

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 (2)

1.一种基于匹配波束强度处理的深海声源深度分辨方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：

(1)针对布放在深海临界深度以下的N元垂直接收阵列，其基阵中心位置布放在深度z，对其接收声压信号P(z_j)做常规波束形成处理有

峰值位于sinθ＝sinθ_S，波束能量如下

(2)当声源运动时，得到波束能量随时间和导向角的变化图B(sinθ,t)；

(3)从B(sinθ,t)提取波束能量峰值对应的角度θ_B(t)，进而从波束能量峰值对应的角度θ_B(t)估计出目标距离随时间的变化

(4)定义拷贝场波束能量B(μ)，由μ＝sinθ_B＝sinθ_S，拷贝场波束能量

B(μ)＝μ²[1-cos(2kz_sμ)]

(5)定义深度估计模糊度函数Amb(z)，物理意义为匹配数据波束能量峰值随时间的变化与不同声源深度仿真波束峰值随时间的变化；

模糊度函数的值表示数据和仿真的匹配程度，也称作匹配系数；

(6)利用模糊度函数Amb(z)实现声源深度的初步估计，进而利用声源深度的初步估计结果依据下式对水面声源或水下声源做出判决，

H₀:z_s≤z_lim

H₁:z_s>z_lim

其中z_s为声源深度，z_lim为分辨深度，需要说明的是z的正方向是水深增加的方向，因此H₀表示来自水面的声源，H₁表示来自水下的声源。

2.根据权利要求1所述的基于匹配波束强度处理的深海声源深度分辨方法，其特征在于：所述z_lim设置为水下20～30m。

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