CN112986902B - 单检波器跨冰层对水中宽带声源分频段方位估计方法 - Google Patents
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Abstract
单检波器跨冰层对水中宽带声源分频段方位估计方法，涉及水声信号处理。对单检波器性能提出相应要求，单检波器在冰层上方拾取到的三个方向的冰下水中声源发射信号进行加窗分频处理：接收信号水平方向与垂向相关滤波；旋转分析并寻找径向最大能量，得到冰下水中声源方位估计；最大能量对应的水平方位角进行180°模糊性的修正；将各频段确定后的水平方位角标注在同一方位图上，得到40Hz～1kHz频段范围内所有的方位估计；或分频段标注，得到不同频段的方位估计图。解决海冰覆盖条件下，水听器阵或矢量水听器布放困难、水中的流噪声和其它水下噪声对水中目标声源信号干扰等难题。布放简易，对冰下移动目标声源响应快、干扰小，经济实惠。
Description
技术领域
本发明属于水声信号处理技术领域，尤其是涉及一种单检波器跨冰层对水中宽带声源分频段方位估计方法。
背景技术
随着人类文明的发展，海洋的战略地位日益突显，各国积极开发利用海洋资源和空间，采用各种手段对海洋的水下环境进行探测、研究和开发，对水下目标进行探测和定位。声波是目前在海洋中唯一能够进行远距离传播的能量形式，因此，在众多的海洋水下探测、定位和开发设备中，声波及其振动能量探测是其主要使用的技术手段。
对于水下声源的方位估计，常规的方法是利用水听器阵或矢量水听器在水中进行，但如果在海水的上方覆盖有海冰,比如北冰洋常年被冰层覆盖的海域,则需要突破冰层的限制。突破冰层限制的直接方法是凿开冰层，然后再部署水听器阵或矢量水听器，这样做费时费力，不利于对水下移动目标声源的快速响应与定位，且这些常规水听器阵列或矢量水听器均价格不菲。若在冰面上直接部署简易的可测量三维(3D)粒子运动的单检波器阵元，并结合相应的数据处理与分析方法，实现对冰下声源的方位估计，则可有效弥补前述挖开冰层布放水听器阵或矢量水听器进行定位方法的缺点。
在实际的工程实践中，常常需要对各种水听器阵接收的水下声信号进行方位估计。对于水下多阵元接收的确定性信号，虽然通过带通滤波和各种改进的music算法等可以对声源方位进行估计，但采用单个三维检波器进行水下目标声源方位估计时会遇到以下技术方法难点：首先，由于冰下目标声源发出的声波，需要通过冰层才能到达冰面的检波器，这样声波在冰层中的传播和水冰界面的声反射特性就会强烈影响冰下声源的方位估计。其次，冰层会随着时间的推移发生变化，有些海冰中可能含有大量非均匀融池和卤水泡，特别是北极当年冰和多年冰的物理性质差别较大，当不同频段水声信号作用和传播在这些冰层时，会产生不同的反射、散射和透射特性，以及传播衰减等问题，也会对水下声源的方位估计产生不同的影响，因此，声源的不同频段信号在水冰界面和水-冰-气结构间会产生复杂的声耦合问题，最终会造成冰下宽带声源的方位估计困难。解决该问题的重点需要进一步从水中声源的频域和水中声源传入冰层后粒子各方向产生的振动特征入手，开展冰下声源的方位估计。
发明内容
本发明的目的在于针对海冰覆盖下水下宽带声源方位估计的难题，提供一种单检波器跨冰层对水中宽带声源分频段方位估计方法。
本发明包括以下步骤：
1)确定单检波器的检波维度、频响范围和加速度测量范围，并将单检波器布设于冰层上方；
2)对单检波器在冰层上方拾取到的三个方向的冰下声源发射信号进行加窗分频处理，接收信号水平方向与垂向相关滤波，旋转分析并寻找径向最大能量，得到冰下声源方位估计；
3)最大能量对应的水平方位角进行180°模糊性的修正；
4)将各频段确定后的水平方位角标注在同一方位图上，得到40Hz～1kHz频段范围内所有的方位估计；或分频段标注，得到不同频段的方位估计图。
在步骤1)中，所述检波维度的具体条件可为：3通道/台，其中水平2个通道成90°夹角，垂直一个通道，可同时测试冰层中声波传播过程3个方向的振动加速度信号；所述频响范围可为0.01Hz～1kHz；所述加速度测量范围可为0.003g～40g。
在步骤2)中，所述得到冰下声源方位估计的具体方法为：对接收到的冰下水中声源发射信号从40Hz起到1kHz范围内，分频处理，得到15个频段不同方向的接收信号；再将相同频段水平x方向和水平y方向接收到的声信号，与相同频段垂直z方向接收到的声信号进行垂直相关滤波处理，建立垂直-径向面中径向最大能量与水平方位角间的关系式，通过旋转水平方位角，得到径向最大能量对应的水平方位角即为所求的冰下声源方位估计。
在步骤3)中，所述最大能量对应的水平方位角进行180°模糊性的修正的具体方法可为：利用垂直-径向面内，实际水平传播到达的P-SV波粒子运动具有前向旋转特点，建立粒子前向运动的判别式，判断水平方位角的方向，进行180°模糊性的修正。
本发明实现单个三维检波器对冰下宽带声源进行方位估计，适用于冰下水中宽带声源，本发明首先对单检波器接收到的信号进行加窗分频处理，然后对分频段滤波后的接收信号进行垂向相关的滤波处理，建立接收信号与方向相关的最大能量函数，并通过水平方位的旋转处理并寻找径向最大能量；最后对方位估计结果中的180°模糊性问题进行修正，实现对冰下宽带声源的方位估计。
与现有技术(水听器阵、矢量水听器)相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明只用一个三维检波器阵元即可实现，不需要过多的阵元，也不需要挖开冰层，且不需要进行水听器的抗流降噪等，因此更加简单易行，实现对冰下移动目标声源的快速响应。
(2)通过分频段进行估计，宽带声源一次发声，单个检波器阵元同时得到多个不同频段的信号数据，增加估计样本的数据量。
(3)由于分频段方位估计是通过同一声源同时进行，因此，声源的一次发声，多个频段同时开展方位估计，并对估计结果进行对比和统计，且通过不同频段间的比较可以观察和排除一些奇异值，以减少估计误差。
(4)因不同频段估计结果的准确性与海冰类型有关，本发明根据不同频段估计结果的一致性情况，初步反演海冰的类型。
附图说明
图1为跨冰层对冰下声源进行方位估计实验的方案示意图。
图2为单检波器接收到信号的归一化示意图。
图3为单检波器水平x方向接收到的信号分频段滤波后处理的归一化示意图。
图4为本方法处理后得到的在一个方位估计图上显示的15个频段的方位估计结果示意图。
图5为本方法处理后得到的分开显示的15个频段的方位估计结果示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明针对冰下水中的宽频声源，对冰层上方的单检波器性能提出相应的要求。应用单检波器在冰层上方，通过对接收信号的分频段滤波、建立最大能量函数、水平方位的旋转处理、方位估计结果的180°模糊性修正，最后实现对冰下水中宽带声源的方位估计。
1.单检波器的基本性能要求：检波维度，频响范围，加速度测量范围。检波维度：3通道/台，其中水平2个通道成90°夹角，垂直一个通道；可同时测试冰层中声波传播过程3个方向的振动加速度信号；测振频响范围：0.01Hz～1kHz；加速度测量范围：0.003g～40g。
2.接收信号的分频处理：对检波器在冰层上方拾取到的三个方向的冰下声源发射信号，按照1/3倍频程从小到大的顺序，进行Fir1带通滤波，阶数取60。经处理后，将得到中心频率从40Hz起到1kHz范围内，一共得到15个频段不同方向的接收信号。
3.接收信号垂向相关滤波：将相同频段水平x方向和水平y方向接收到的声信号，与相同频段垂直z方向接收到的声信号进行垂直相关滤波处理。得到垂向相关滤波后的15个频段水平x方向和y方向的接收声信号。
4.寻找径向最大能量：根据水下声波作为纵波P波进入冰层后会产生纵波P波和垂直极化横波SV波，并主要分布在垂直-径向面，且在声源的水平方位会有最大能量的特点，建立垂直-径向面中径向最大能量与水平方位角间的关系式。最后通过旋转水平方位角，得到径向最大能量。其中该最大能量对应的水平方位角即为所求的冰下声源方位估计。
5.180°模糊性的修正：由于最大能量对应的水平方位角会存在180°模糊性的问题，还需在进一步利用垂直-径向面内，实际水平传播到达的P-SV波粒子运动具有前向旋转特点，建立粒子前向运动的判别式，判断水平方位角的方向，从而解决180°模糊性问题。
6.将各频段确定后的水平方位角标注在同一方位图上，得到40Hz～1kHz频段范围内所有的方位估计；也可以分频段标注，从而得到不同频段的方位估计图。
具体信号处理方法如下：
对采集到的宽频水下声信号fn作傅里叶变换，得到离散频谱序列Fk：
其中，N是离散信号序列的点数；K＝0,1,…,N-1；再乘以窗函数w(n)，进行加窗和修正处理，得到加窗分频处理后的离散频谱序列Mk：
再经Fir1带通滤波分频段滤波，以及低通滤波，阶数取60，将获得滤波后各频段接收声信号。
设入射P波，具有任意波形函数P(t)，则其x，y，z部分的运动形式为：
px(t)＝Ap(t)cosθ
py(t)＝Ap(t)sinθ
pz(t)＝Bp(t) (3)
式中，A、B为正的实常数，θ为水平方位角。运用垂向相关滤波，将每个水平分量信号乘以垂直z方向的信号得到：
pxz(t)＝px(t)pz(t)＝ABp2(t)cosθ
pyz(t)＝py(t)pz(t)＝ABp2(t)sinθ (4)
再设t时刻，粒子在x轴、y轴上的位移为xt，yt，由于该粒子的运动受限于垂直-径向面，因此，该时刻粒子径向运动在水平面投影rt，且它们与水平方位θ、xt和yt组成一定的关系式：
rt＝xt cosθ+yt sinθ (5)
设最大能量函数ψ(θ)为冰层所有粒子径向运动水平投影rt的平方和，则有：
通过对最大能量函数求导数，当导数为零时，得到最大值。该值对应的方位θ角，即为未垂向滤波前的方位估计。通过旋转水平方位角θ，使其在水平面(0°～360°)内随机变化，因此也可称为旋转分析。
代入垂向滤波后的各方向的信号，则
ψZ(θ)＝cos2θ∑(xtzt)2+sin2θ∑(ytzt)2+2cosθsinθ∑xtztytzt (8)
同样，经求导，当导数为零时，则可求得垂向滤波后的方位估计。
本方法的方位估计中，由于最大函数值还会存在180°模糊性的问题，需要进一步的修正。由于单检波器阵元接收的信号中有纵波和横波，它们之间的相位存在一定的关系，促使接收到的垂向z的振动会领先于水平径向振动。因此可以通过代入方位的估计值，求得水平径向振动如下所示：
rt＝xt cosθmax+yt sinθmax (9)
再建立前向运动的判别式：
当σ＞0，为粒子前向运动，这时所得到的方位估计值不需要修正；如果σ＜0，为后向运动，这时需将所得到的方位估计值进行修正，取其相反方向所对应的方位值。
另外，由于海冰光滑时，各频段的响应较为一致，方位估计测量时各频段的一致性会较高；海冰粗糙时，各频段的响应会有变化，方位估计测量时各频段的一致性会较低。根据这个特点，如果用本方法进行冰下声源方位估计时，可以对海冰的光滑和粗糙度进行初步反演。
图1～5给出采用本发明方法进行单检波器跨冰层宽带声源方位估计的实例，其真实的方位为90°。从图4和5来看，本方法处理后得到的多个频段的方位估计结果均集中在90°附近，少数频段估计结果的误差较大。可依据方位估计结果的统计概率，选取概率值最大的方位估计结果作为最终估计结果，从而减少估计误差，获得真实的方位估计结果。此外，还可通过多次实验结果的统计，判断不同频率信号估计结果的准确性，进而优选出方位估计信号的频段。如图5中，当频率小于等于315Hz时，方位估计结果的准确率比频率大于315Hz时的方位估计结果的准确率高。
本发明解决了海冰覆盖条件下，水听器阵或矢量水听器布放困难、水中的流噪声和其它水下噪声对水中目标声源信号干扰等难题。具有布放简易、对冰下移动目标声源响应快、干扰小以及经济实惠的特点。本发明能在冰下宽带声源发声次数较少的情况下，通过分频段产生多个频段的方位估计，进一步优化方位估计。不同频段间的比较还可排除异常信号，即该方法具有自比较功能。另外，还可根据不同频段估计结果的一致性程度，对海冰的类型进行初步反演。
Claims (4)
1.单检波器跨冰层对水中宽带声源分频段方位估计方法，其特征在于包括以下步骤：
1)确定单检波器的检波维度、频响范围和加速度测量范围，并将单检波器布于冰层上方；
2)对单检波器在冰层上方拾取到的三个方向的冰下声源发射信号进行加窗分频处理，接收信号水平方向与垂向相关滤波，旋转分析并寻找径向最大能量，得到冰下声源方位估计；
3)最大能量对应的水平方位角进行180°模糊性的修正；
4)将各频段确定后的水平方位角标注在同一方位图上，得到40Hz～1kHz频段范围内所有的方位估计；或分频段标注，得到不同频段的方位估计图。
2.如权利要求1所述单检波器跨冰层对水中宽带声源分频段方位估计方法，其特征在于在步骤1)中，所述检波维度的具体条件为：3通道/台，其中水平2个通道成90°夹角，垂直一个通道，同时测试冰层中声波传播过程3个方向的振动加速度信号；所述频响范围为0.01Hz～1kHz；所述加速度测量范围为0.003g～40g。
3.如权利要求1所述单检波器跨冰层对水中宽带声源分频段方位估计方法，其特征在于在步骤2)中，所述得到冰下声源方位估计的具体方法为：对接收到的冰下水中声源发射信号从40Hz起到1kHz范围内，分频处理，得到15个频段不同方向的接收信号；再将相同频段水平x方向和水平y方向接收到的声信号，与相同频段垂直z方向接收到的声信号进行垂直相关滤波处理，建立垂直-径向面中径向最大能量与水平方位角间的关系式，通过旋转水平方位角，得到径向最大能量对应的水平方位角即为所求的冰下声源方位估计。
4.如权利要求1所述单检波器跨冰层对水中宽带声源分频段方位估计方法，其特征在于在步骤3)中，所述方位角进行180°模糊性的修正的具体方法为：建立质点前向运动的判别式，依据判别式数值判断方位角的大小，进行180°模糊性的修正。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 松花江冰下声学试验技术研究;殷敬伟等;《应用声学》;20160131;第35卷(第01期);58-68 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112986902A (zh) | 2021-06-18 |
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