CN113281728B - 一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法，将简正波分离技术与现有方法相结合，打破了现有方法要求波导中只能存在两阶传播简正波这一苛刻限制。由于实际波导中声速在垂直方向上的非均匀性，前两阶模态组合贡献下垂直声能流正负号往往是与距离有关的，很难应用于判定水面目标与水下目标，针对这一问题，本发明给出了基于任意两阶模态或者三阶模态组合垂直声能流的水面目标与水下目标判定方法，突破了现有方法的缺陷，在实际中具有更强的应用价值。所提方法只需要单个矢量水听器，试验成本低、试验布放回收容易，计算代价低，容易在无人移动平台上实现，具有很强的工程应用前景。

Description

一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法
技术领域
本发明属于船舶与海洋工程技术领域，涉及一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法
背景技术
文献“Pekeris波导中简正波声强流及其互谱信号处理，声学学报，2008，Vol33(4)300-305”公开了一种基于单矢量水听器声压与质点振速联合互谱处理实现目标判决的方法。分析了Pekeris波导中甚低频声场中的单矢量水听器垂直声能流特性，数值计算结果表明:当水听器位于某些深度上，当波导中仅存在两阶模态时，在某些频率点上，声场垂直声能流正负号分布与水平距离近似无关，可以用于水面目标、水下目标的双择判决。该方法仅需要单个矢量水听器，成本低廉，布放简便，从这个角度上讲具有巨大的工程应用潜力。但是该方法使用有三个缺陷：(1)文章中所给的模型仅适用于Pekeris波导中，也即海水海底声速都必须为一常数值，实际中海水声速以及海底声速在深度方向上是变换的，均匀声速这一条件很难满足；(2)波导中激发的简正波阶数取决于海深、海底底质参数、声波频率等参数，要求波导中仅存在两阶传播的模态这在实际中很难满足；(3)对于实际波导，受介质参数的影响，前两阶模态垂直声能流的虚部往往是与距离有关的，此时则无法用于区分水面目标与水下目标。综上所述，可以看到该方法在实际工程中应用价值不高。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法，是一种任意水平分层介质波导中水面目标与水下目标判定的方法。解决对于任意与距离无关波导，当波导中存在多阶模态时候如何分离各阶模态，以及利用哪些阶模态组合的垂直声能流来实现水面目标与水下目标的判定。
技术方案
一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：利用声场计算软件计算实测声速剖面下第m阶模态的声压值pm和垂直振速值vzm，利用下式求得任意两阶和三阶模态贡献下的垂直声能流
Figure BDA0003067952270000021
和/>
Figure BDA0003067952270000022
Figure BDA0003067952270000023
Figure BDA0003067952270000024
步骤2：计算垂直声能流虚部
Figure BDA0003067952270000025
与/>
Figure BDA0003067952270000026
在空间上的分布，其中sgn(.)表示符号函数，Im(.)表示对(.)中的值取虚部，得到最优模态组合量(m,n)或者(m,n,k)，其应满足最优组合量下/>
Figure BDA0003067952270000027
或者/>
Figure BDA0003067952270000028
与距离无关或者与距离近似无关；
步骤3：对实际接收的声压信号序列Yp(t)和垂直振速信号序列Yvz(t)进行Warping变换，其Warping算子为
Figure BDA0003067952270000029
利用下式得到Warping域的各阶模态声压信号
Figure BDA00030679522700000210
和垂直振速信号/>
Figure BDA00030679522700000211
Figure BDA00030679522700000212
Figure BDA00030679522700000213
步骤4：再对分离后的各阶模态做Warping逆变换即得到各阶模态的时域信号。
Warping逆变换算子为
Figure BDA00030679522700000214
步骤5：对时域信号做短时傅里叶变换，得到各阶模态的频域复声压值pm和频域复垂直振速值vzm；
步骤6：计算实测信号m+n阶或者m+n+p阶模态组合下垂直声能流
Figure BDA00030679522700000215
或者/>
Figure BDA00030679522700000216
结合步骤1和步骤2仿真给出的声能流正负号在空间上的分布，计算实测信号垂直声能流的正负号判定目标为水面目标还是水下目标。
有益效果
本发明提出的一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法，针对基于垂直声能流的水面水下目标判定方法适用性差这一问题，将简正波分离技术与现有方法相结合，打破了现有方法要求波导中只能存在两阶传播简正波这一苛刻限制。由于实际波导中声速在垂直方向上的非均匀性，前两阶模态组合贡献下垂直声能流正负号往往是与距离有关的，很难应用于判定水面目标与水下目标，针对这一问题，本发明给出了基于任意两阶模态或者三阶模态组合垂直声能流的水面目标与水下目标判定方法，突破了现有方法的缺陷，在实际中具有更强的应用价值。所提方法只需要单个矢量水听器，试验成本低、试验布放回收容易，计算代价低，容易在无人移动平台上实现，具有很强的工程应用前景。
附图说明
图1本发明具体实施框架流程图
图2为某次实测海水声速剖面
图3为海试环境下前两阶模态贡献下垂直声能流虚部正负值在空间上的分布
前2阶模态垂直声能流虚部(黑色表示小于1，白色表示大于1)
图4为海试环境下前2、3阶模态贡献下垂直声能流虚部正负值在空间上的分布
2阶与3阶模态垂直声能流虚部(黑色表示小于1，白色表示大于1)
图5为对某次海试声压信号Warping变换分离的前三阶模态时频图，即Warping变换之后分离的各阶声压信号
图6为对某次海试垂直振速信号Warping变换分离的前三阶模态时频图，即Warping变换之后分离的各阶垂直振速信号
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明是通过以下技术方案来实现：
基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决，包括：
(1)浅海宽带声源声压信号模态分离；
(2)浅海宽带声源垂直振速信号模态分离；
(3)不同模态组合贡献下的垂直声能流；
(4)垂直声能流虚部与目标声源深度之间关系
浅海宽带声压信号和垂直振速信号模态分离采用Warping变换技术，Warping变换在数学上是一种等价且可逆的置换过程，用于与水声信号可以将不同阶简正波模态分离，其定义为：
Figure BDA0003067952270000041
其中h(tw)称为Warping算子，Y(t)为接收的水声信号时间序列。对Y(t)进行Warping变换相当于对原信号进行了重采样,即将原始采样时刻t变成新的采样时刻tw。实际波导中的Warping算子为
Figure BDA0003067952270000042
tr＝r/c表示信号从声源传播到接收器所需的时间，r表示声源与接收点之间的水平距离，c表示理想波导中的声速，tr的取值对Warping变化结果影响很小，在实际操作中较为随意。
实际中，海洋波导中接收信号Y(t)可以写成多阶模态时域信号之和形式：
Figure BDA0003067952270000043
其中am(t)和φm(t)分别表示第m阶模态时域信号的幅度和相位。上式中
Figure BDA0003067952270000044
其中fcm表示第m阶模态的截止频率，所以Y(t)经过Warping变换后结果可以写成：
Figure BDA0003067952270000051
式中
Figure BDA0003067952270000052
表示Warping域中第m阶模态的幅度。由上式可以看到，Warping域中各阶模态表现为对应于各自截止频率fcm的单频信号。由于各阶模态的截止频率fcm各不相同，因此在Warping域利用频率滤波方法很容易分离各阶模态，然后在对分离后的各阶模态进行Warping逆变换，Warping逆变换算子h-1(tw)表达式为
Figure BDA0003067952270000053
最终可以得到各阶模态的时域信号ym(t)。对第m阶模态时域信号ym(t)做短傅里叶变换即可得到该阶模态的频域声压值pm，同理可以得到第m阶模态垂直振速信号的频域值vzm。
得到各阶简正波复声压值pm与复垂直振速值vzm后即可得到不同阶模态组合下垂直声能流。假设可分离的简正波模态阶数为M，分别计算不同频率下任意两阶模态组合m,n(m≠n),m＝1…M,n＝1…M贡献下垂直声能流
Figure BDA0003067952270000054
以及任意三阶模态组合m,n,k(m≠n≠k)，m＝1…M,n＝1…M，k＝1…M贡献下的垂直声能流/>
Figure BDA0003067952270000055
垂直声能流的计算公式如下：
Figure BDA0003067952270000056
Figure BDA0003067952270000057
其中pm+n和vzm+n表示的是第m阶和n阶模态组合贡献下的声压值和垂直振速值：
pm+n＝pm+pn
vzm+n＝vzm+vzn
pm+n+k和vzm+n+k表示的是第m阶、n阶与k阶模态组合贡献下的声压值和垂直振速值：
pm+n+k＝pm+pn+pk
vzm+n+k＝vzm+vzn+vzk
寻找对距离参数不敏感的垂直声能流组合量
Figure BDA0003067952270000061
或者/>
Figure BDA0003067952270000062
利用该模态组合量的垂直声能流虚部来判定目标是水面目标还是水下目标。
具体实施方式：
本发明首先利用实测声速剖面，仿真不同阶模态组合下垂直声能流虚部正负号在空间上的分布，寻找试验环境下最适用于水面水下目标判定的简正波模态组合量。然后对实测数据的声压分量与垂直振速分量做Warping变换，分离各阶模态最终得到实测数据声压和垂直振速信号不同阶模态分量的频域声压值。最后计算最优模态组合下的垂直声能流，根据垂直声能流虚部的正负号判定是目标是水面目标还是水下目标，具体流程如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤一：仿真实测声速剖面下不同阶模态组合下垂直声能流，需要说的是，由于海底参数只影响本征函数的大小，基本不影响本征函数的正负号，所以海底声速的选取基本不影响垂直声能流的正负，因此在仿真时候海底声速可以随意取值。不同阶模态组合下垂直声能流计算公式如下：
Figure BDA0003067952270000063
Figure BDA0003067952270000064
其中pm+n和vzm+n表示的是第m阶和n阶模态贡献下的声压值和垂直振速值，pm+n+k和vzm+n+k表示的是第m阶、n阶与k阶模态组合贡献下的声压值和垂直振速值。
pm+n＝pm+pn
vzm+n＝vzm+vzn
pm+n+k和vzm+n+k表示的是第m阶、n阶与k阶模态组合贡献下的声压值和垂直振速值：
pm+n+k＝pm+pn+pk
vzm+n+k＝vzm+vzn+vzk
步骤二：计算垂直声能流虚部
Figure BDA0003067952270000065
与/>
Figure BDA0003067952270000066
在空间上的分布，其中sgn(.)表示符号函数，Im(.)表示对(.)中的值取虚部。给出最优模态组合量(m,n)或者(m,n,k)，其应满足最优组合量下/>
Figure BDA0003067952270000067
或者/>
Figure BDA0003067952270000068
与距离无关或者与距离近似无关。
步骤三：对实际接收的声压信号序列Yp(t)和垂直振速信号序列Yvz(t)Warping变换，其Warping算子为
Figure BDA0003067952270000071
利用下式可以得到Warping域的各阶模态声压信号
Figure BDA0003067952270000072
和垂直振速信号/>
Figure BDA0003067952270000073
Figure BDA0003067952270000074
Figure BDA0003067952270000075
步骤四：Warping变换之后的各阶模态特征频率在时频域内近似是平行的，所以可以通过模态滤波分离各阶模态。再对分离后的各阶模态做Warping逆变换即可得到各阶模态的时域信号。Warping逆变换算子为
Figure BDA0003067952270000076
步骤五：对分离后的各阶模态时域信号做短时傅里叶变换，得到各阶模态的频域复声压值pm和频域复垂直振速值vzm。
步骤六：计算实测信号m+n阶或者m+n+p阶模态组合下垂直声能流
Figure BDA0003067952270000077
或者/>
Figure BDA0003067952270000078
通过其正负号判定目标为水面目标还是水下目标。
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对本发明内容做进一步说明：
图2给出的是某次海上实测声速剖面，声速在垂直方向上是非均匀的。图3给出的这种声速剖面下的前两阶模态组合下垂直声能流虚部在空间上正负值的分布，其中黑色表示小于1的区域，白色表示大于1的区域，从仿真结果中可以看到
Figure BDA0003067952270000079
在很多距离点上都是与距离有关的，当目标位于[10m 30m]以及[45m 55m]深度区间内，目标距离接收点的距离不同，/>
Figure BDA00030679522700000710
不同，由于目标距离接收点的位置未知，所以利用前两阶模态垂直声能流虚部的正负无法判定目标为水面目标还是水下目标。
图4给出的实测声速剖面下的2、3阶模态组合下垂直声能流虚部在空间上正负值的分布，其中黑色表示小于1的区域，白色表示大于1的区域，可以看到，此时
Figure BDA00030679522700000711
基本是与距离无关的。因此可以采用二三阶模态垂直声能流的虚部来区分水面目标与水下目标。
图5和图6给出的是实测的声压信号和垂直振速经过Warping变换之后得到的前三阶模态的时频图。对这三阶模态信号做Warping逆变换即可得到各阶模态时域信号，进而通过短时傅里叶变换即可得到各阶模态复声压值和复垂直振速值。利用
Figure BDA0003067952270000081
得到2、3阶模态组合下垂直声能流值为0.184563+0.265487i，其虚部为正，说明目标位于图3白色区域，所以目标是水下目标。实际试验中投放的是爆炸声源，爆炸定深为48m，与分析的结果一致，证明了该发明的正确性。
本实例中的物理量及其含义以及取值见表1。
表1实例中的物理量及其含义
Figure BDA0003067952270000082

Claims (1)

1.一种基于单矢量水听器的浅海水面水下目标判决方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：利用声场计算软件计算实测声速剖面下第m阶模态的声压值pm和垂直振速值vzm，利用下式求得任意两阶和三阶模态贡献下的垂直声能流
Figure QLYQS_1
和/>
Figure QLYQS_2
Figure QLYQS_3
Figure QLYQS_4
步骤2：计算垂直声能流虚部
Figure QLYQS_5
与/>
Figure QLYQS_6
在空间上的分布，其中sgn(.)表示符号函数，Im(.)表示对(.)中的值取虚部，得到最优模态组合量(m,n)或者(m,n,k)，其应满足最优组合量下/>
Figure QLYQS_7
或者/>
Figure QLYQS_8
与距离无关或者与距离近似无关；
步骤3：对实际接收的声压信号序列Yp(t)和垂直振速信号序列Yvz(t)进行Warping变换，其Warping算子为
Figure QLYQS_9
利用下式得到Warping域的各阶模态声压信号/>
Figure QLYQS_10
和垂直振速信号/>
Figure QLYQS_11
Figure QLYQS_12
Figure QLYQS_13
步骤4：再对分离后的各阶模态做Warping逆变换即得到各阶模态的时域信号，Warping逆变换算子为
Figure QLYQS_14
步骤5：对时域信号做短时傅里叶变换，得到各阶模态的频域复声压值pm和频域复垂直振速值vzm；
步骤6：计算实测信号m+n阶或者m+n+p阶模态组合下垂直声能流
Figure QLYQS_15
或者/>
Figure QLYQS_16
结合步骤1和步骤2仿真给出的声能流正负号在空间上的分布，计算实测信号垂直声能流的正负号判定目标为水面目标还是水下目标。
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浅海低频声场中目标深度分类方法研究;余;惠俊英;陈阳;孙国仓;滕超;;物理学报(第09期);全文 *

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