CN115602141A - 一种用于蛙人的主动声学隐身方法 - Google Patents

一种用于蛙人的主动声学隐身方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于水下声学对抗技术领域，具体公开了一种用于蛙人的主动声学隐身方法，其采用的主动声学隐身装置包括换能器以及信号处理板；换能器包括接收换能器阵列以及发射换能器基阵；接收换能器接收蛙人周围的声学信号，经过处理提取声学信号的特征，并判断当前环境是否有主动声呐的存在，如果主动声呐存在于当前的环境，则信号处理板通过分析接收到的声学信号，产生同频反相的干扰信号，并控制发射换能器基阵向指定方向发送该干扰信号，以达到声学隐身的目的。本发明方法通过分析当前水下声学环境态势，并主动发射干扰声波，有效地降低蛙人被主动声呐探测到的概率，提高了声学隐身效果。

Description

一种用于蛙人的主动声学隐身方法
技术领域
本发明属于水下声学对抗技术领域，涉及一种用于蛙人的主动声学隐身方法。
背景技术
由于蛙人的辐射噪声较小，蛙人探测一般使用主动声呐进行。主动声呐的工作方式是主动发出声波，通过对接收到的回波进行分析，获取目标的空间位置信息等。
目前，传统的声学隐身方法多为被动式隐身，此种声学隐身方法主要是使用吸声材料降低反射强度，从而达到降低蛙人被主动声呐探测到的概率的目的。
然而，被动式隐身采用的吸声材料具有工作频段的限制，无法根据环境中的声学态势进行自适应调整。因此，难以在日益复杂的水下声学对抗环境具有较好的隐身效果。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于蛙人的主动声学隐身方法，通过分析当前水下声学环境态势，并主动发射干扰声波，以降低蛙人被主动声呐探测到的概率，提高声学隐身效果。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种用于蛙人的主动声学隐身方法，其采用的主动声学隐身装置包括换能器以及信号处理板；换能器包括接收换能器阵列以及发射换能器基阵；
上述用于蛙人的主动声学隐身方法包括如下步骤：
步骤1. 接收换能器阵列接收蛙人周围环境中的声学信号并将其发送至信号处理板；
步骤2. 信号处理板提取接收到的声学信号的特征，并判断当前环境是否有主动声呐的存在；如果当前环境中存在处于工作状态的主动声呐，转到步骤3；否则，转到步骤5；
步骤3. 信号处理板判断主动声呐的方位以及数量，并根据接收到的声学信号，利用自适应滤波方法产生与接收到的声学信号同频反相的干扰信号；
步骤4. 信号处理板控制发射换能器基阵将产生的干扰信号向指定方向发射出去；
步骤5. 当信号处理板判定当前环境中没有主动声呐工作时，不再向外发送干扰信号。
本发明具有如下优点：
1. 本发明可自动监测当前环境中是否存在处于工作状态的主动声呐，自主判断其工作模式，并产生干扰信号抵消主动声呐探测声波，实现主动声学隐身；
2. 本发明可判断当前环境中处于工作状态下的主动声呐数量及方位信息，并据此产生不同的干扰信号抵消主动声呐的探测声波，从而实现复杂水声环境下的声学隐身。
附图说明
图1为本发明实施例中用于蛙人的主动声学隐身方法的流程图；
图2为本发明实施例中用于蛙人的主动声学隐身方法的应用环境图；
图3为本发明实施例中用于蛙人的主动声学隐身装置的结构框图；
图4为本发明实施例中判断当前环境是否有主动声呐的流程图；
图5为本发明实施例中通过自适应滤波方法对干扰信号进行估计的流程图。
其中，1-信号处理板，2-发射换能器基阵，3-参考接收换能器阵列，4-误差接收换能器阵列，5-水密电子舱。
具体实施方式
如图2示出了本发明实施例中用于蛙人的主动声学隐身方法的应用环境。该主动声学隐身方法可应用于存在一或多个主动声呐的环境中，其基本原理如下：
首先通过波束形成方法判断主动声呐的方位，同时对接收到的信号进行处理得到相应的干扰信号，并通过波束形成方法向指定方向发射干扰信号，达到主动隐身的目的。
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
本实施例中用于蛙人的主动声学隐身方法，其采用的主动声学隐身装置包括换能器以及信号处理板1；换能器包括接收换能器阵列以及发射换能器基阵2，如图3所示。
其中，接收换能器的功能是将当前环境中的声学信号，转化成信号处理板可以处理的电信号，分别采集参考噪声信号和误差噪声信号。发射换能器基阵的功能是将要发送的干扰信号从电信号形式转换为声波形式，实现干扰主动声呐正常工作的功能。
信号处理板在接收到接收换能器阵列的信号后，进而完成水下声学环境分析、主动声呐信号探测、干扰信号生成以及驱动发射换能器基阵等功能。
此外，主动声学隐身装置还包括水密电子舱5，用于为信号处理板等提供水密工作环境。
如图3所示，接收换能器阵列进一步包括参考接收换能器阵列3及误差接收换能器阵列4，其中，参考接收换能器阵列用于接收声学信号，误差接收换能器用于接收误差信号。
如图1所示，本实施例中用于蛙人的主动声学隐身方法，包括如下步骤：
步骤1. 接收换能器阵列接收蛙人周围环境中的声学信号并将其发送至信号处理板，完成对声学环境态势的分析与感知。此处的声学信号是指主动声呐发出的声学信号。
如图2所示，当环境中存在1个或多个工作中的主动声呐时，接收换能器阵列接收到的声学信号中存在有1个或多个主动声呐探测信号。
步骤2. 信号处理板提取接收到的声学信号的特征，并判断当前环境是否有主动声呐的存在；如果当前环境中存在处于工作状态的主动声呐，转到步骤3；否则，转到步骤5。
检测当前水声环境中是否存在处于工作状态的主动声呐，其工作的主要过程是对当前水下声学环境进行持续监测，并重点关注蛙人探测声呐的工作频段。
当蛙人探测声呐的工作频段存在较强的信号功率时，对该频段进行进一步的监测，并对该监测频段的信号生成信号特征图谱，与声呐特征图库中的特征图谱进行比对，以判断环境中是否存在处于工作状态的主动声呐，声呐特征图库中的特征图谱是通过对处于不同工作模式下主动声呐发射的探测声波进行短时傅里叶变换而获得的特征图谱集。
如图4所示，当前环境是否有主动声呐存在的判断过程如下：
步骤2.1. 设定信号处理窗口长度为N、重叠因子为α以及子带宽度为Wf。
预设主动声呐的工作模式Mode以及检测阈值Thres。
步骤2.2. 按照信号处理窗口长度N与重叠因子α，获得待处理的声学信号s(t)，对声学信号s(t)实施功率谱密度估计，得到声学信号s(t)的信号功率谱密度psd(f)。
步骤2.3. 从频率f=0处，以Wf/2为频率步进值，对[f，f+Wf]频段内的信号功率谱密度psd(f)数值进行累加运算，获得当前频段的信号功率。
如果此频段内的信号功率超过设定的检测阈值Thres时，将当前频段加入待监测频段，否则，对下一频段的信号功率进行检测。
步骤2.4. 对待监测频段的信号分别进行短时傅里叶变换，生成信号特征图谱css(t)。
将该信号特征图谱css(t)与声呐特征图库中各个主动声呐工作模式Mode_i的特征图谱csmode_i进行下述运算，得到与预设主动声呐工作模式Mode_i的相似度corrmode_i。
corrmode_i=∑∑csT s(t)csmode_i。
其中，Mode_i表示声呐特征图库中第i种声主动声呐工作模式；当该相似度corrmode_i值超过预设相似度阈值时，则认为当前环境中存在处于工作模式Mode_i的主动声呐。
步骤3. 信号处理板判断主动声呐的方位以及数量，并根据接收到的声学信号，利用自适应滤波方法产生与接收到的声学信号同频反相的干扰信号，用于抵消主动声呐的探测声学信号，从而实现声学隐身的目的。
具体的，当存在一个或多个主动声呐的环境中，接收换能器阵列通过波束形成方法进行波达方向估计，判断处于工作状态的主动声呐的方位以及数量，发射换能器基阵通过波束形成使发射信号具有指向性，从而向指定方向发射干扰信号。
判断当前环境中处于工作状态的主动声呐的数量以及方位的步骤如下：
步骤3.1.1. 对接收换能器接收到的各声波信号进行波束形成得到信号的空间谱，使用恒虚警方法寻找空间谱谱峰，获得当前环境中处于工作状态的主动声呐数量及其位置；
步骤3.1.2. 当空间谱谱峰数量为1时，则判定当前环境中仅存在1个处于工作状态的主动声呐，该空间谱谱峰对应的方位即为主动声呐所在的方位；
步骤3.1.3. 当空间谱谱峰数量大于1时，则判定当前环境中存在多个处于工作状态的主动声呐，各空间谱谱峰分别对应的方位即每个主动声呐所在的方位。
在获得当前环境中处于工作状态声呐的数量和方位后，信号处理板接收参考接收换能器的噪声信号与误差接收换能器的误差信号，将噪声信号通过自适应滤波器生成干扰信号，同时通过误差信号调整自适应滤波器的参数，以降低生成信号的误差，增强声学隐身的效果。
如图5所示，通过自适应滤波方法对各方向的干扰信号进行估计的步骤如下：
步骤3.2.1. 当环境中仅存在1个处于工作状态的主动声呐时，通过对接收换能器阵列中各阵元信号si(t)进行波束形成，对主动声呐所在方位θ的信号进行增强，得到接收信号x(t)。
x(t)= ∑i s(t-τi)。
其中τi是当声波方向为θ时，第i阵元与参考阵元的时延。
对接收信号x(t)进行离散化处理得到x(k)。
设定自适应滤波器阶数为n，自适应滤波器的权重为w(k)=[w1(k),w2(k),…, wn(k)]T。
在信号处理板中将接收换能器阵列接收到的信号x(t)，通过自适应滤波器的自适应滤波方法处理后得到干扰信号y(k)。
y(k)= wT(k)·xn(k)= ∑i=1 n wi(k)·x(k-i+1)。
其中，wv(k)表示自适应滤波器第v个权重值，v∈[1,n]。
xn(k)=[x(k),x(k-1),…,x(k-n+1)]T。
定义误差接收换能器接收的误差信号e(k)，根据误差信号e(k)通过最小均方误差即LMS方法更新自适应滤波器的权重w(k+1)=w(k)+μ·e(k)·x(k)。
其中，μ为调节因子，用于调节误差e(k)对于自适应滤波器的权重的影响程度。
μ的取值范围为[0,1)。在噪声消除过程中，自适应滤波器根据误差信号e(t)调整自适应滤波器的权值，使误差接收换能器接收到的误差信号尽可能小。
步骤3.2.2. 当环境中存在多个处于工作状态的主动声呐时，按照步骤3.2.1的方法对各个方向的干扰信号进行自适应滤波处理，获得各个方向估计的待消声区域的干扰声波。
步骤4. 信号处理板控制发射换能器基阵将上述步骤3.2.1或上述步骤3.2.2产生的干扰信号向指定方向发射出去，从而达到主动声学隐身的目的。具体过程如下：
步骤4.1. 当环境中仅存在1个处于工作状态的主动声呐时，根据发射换能器基阵的阵列形式及主动声呐所在的方位θ，对干扰信号y(k)延时处理得到各发射换能器的发射信号y’(k)。y’(k)= y(k-τi)。
其中，τi是当声波方向为θ时，第i阵元与参考阵元的时延。
信号处理板驱动各发射换能器发射信号y’(k)，使发射换能器基阵发射的干扰信号具有指向性，进而抵消相应方向的声学信号，达到声学隐身的目的。
步骤4.2. 当环境中存在多个处于工作状态的主动声呐时，按照上述步骤4.1进行处理，依次得到多个干扰信号yj(k)，并计算出各个发射换能器阵元的发射信号y’j(k)。
其中，yj(k)表示抵消第j个主动声呐探测声波的干扰信号。
各个发射换能器阵元的发射信号为y’j(k)= ∑j yj(k-τij)。其中，θj为第j个主动声呐的声波方向，τij为声波方向为θj时第i阵元与参考阵元的时延。
步骤5. 当信号处理板判定当前环境中没有主动声呐工作时，本发明实施例中的主动声学隐身装置不再向外发送干扰信号，以防止环境中被动声呐的探测。
蛙人通过携带一套本发明中的主动声学隐身装置，结合上述主动声学隐身方法即可实现主动声学隐身。本发明方法可应用于存在一个或多个主动声呐的环境中。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (7)

1.一种用于蛙人的主动声学隐身方法，其采用的主动声学隐身装置包括换能器以及信号处理板；换能器包括接收换能器阵列以及发射换能器基阵；其特征在于，
所述主动声学隐身方法包括如下步骤：
步骤1. 接收换能器阵列接收蛙人周围环境中的声学信号并将其发送至信号处理板；
步骤2. 信号处理板提取接收到的声学信号的特征，并判断当前环境是否有主动声呐的存在；如果当前环境中存在处于工作状态的主动声呐，转到步骤3；否则，转到步骤5；
步骤3. 信号处理板判断主动声呐的方位以及数量，并根据接收到的声学信号，利用自适应滤波方法产生与接收到的声学信号同频反相的干扰信号；
步骤4. 信号处理板控制发射换能器基阵将产生的干扰信号向指定方向发射出去；
步骤5. 当前环境中没有主动声呐工作时，主动声学隐身装置不再向外发送干扰信号。
2.根据权利要求1所述的用于蛙人的主动声学隐身方法，其特征在于，
所述步骤2中，当前环境是否有主动声呐存在的判断过程如下：
步骤2.1. 设定信号处理窗口长度为N、重叠因子为α以及子带宽度为Wf；
预设主动声呐的工作模式Mode以及检测阈值Thres；
步骤2.2. 按照信号处理窗口长度N与重叠因子α，获得待处理的声学信号s(t)，对声学信号s(t)实施功率谱密度估计，得到声学信号s(t)的信号功率谱密度psd(f)；
步骤2.3. 从频率f=0处，以Wf/2为频率步进值，对[f，f+Wf]频段内的信号功率谱密度psd(f)数值进行累加运算，获得当前频段的信号功率；
如果当前频段内的信号功率超过设定的检测阈值Thres时，将当前频段加入待监测频段；否则，继续对下一频段的信号功率进行检测；
步骤2.4. 对待监测频段的信号分别进行短时傅里叶变换，生成信号特征图谱css(t)；
将该信号特征图谱css(t)与声呐特征图库中各个主动声呐工作模式Mode_i的特征图谱csmode_i进行运算，得到与主动声呐工作模式Mode_i的相似度corrmode_i；
corrmode_i=∑∑csT s(t)csmode_i；
其中，Mode_i表示声呐特征图库中第i种声主动声呐工作模式；当该相似度corrmode_i值超过预设相似度阈值时，则认为当前环境中存在处于工作模式Mode_i的主动声呐。
3.根据权利要求1所述的用于蛙人的主动声学隐身方法，其特征在于，
当存在一个或多个主动声呐的环境中，接收换能器阵列通过波束形成方法，进行波达方向估计，判断处于工作状态的主动声呐的方位以及数量；
发射换能器基阵通过波束形成使发射信号具有指向性，从而向指定方向发射干扰信号。
4.根据权利要求3所述的用于蛙人的主动声学隐身方法，其特征在于，
如果当前环境存在处于工作状态的主动声呐时，通过波束形成方法进行波达方向估计，并判断当前环境中处于工作状态的主动声呐的数量以及方位，具体步骤如下：
步骤3.1.1. 对接收换能器接收到的各声波信号进行波束形成得到信号的空间谱，使用恒虚警方法寻找空间谱谱峰，获得当前环境中处于工作状态的主动声呐数量及其位置；
步骤3.1.2. 当空间谱谱峰数量为1时，则判定当前环境中仅存在1个处于工作状态的主动声呐，该空间谱谱峰对应的方位即为主动声呐所在的方位；
步骤3.1.3. 当空间谱谱峰数量大于1时，则判定当前环境中存在多个处于工作状态的主动声呐，各空间谱谱峰分别对应的方位即每个主动声呐所在的方位。
5.根据权利要求1所述的用于蛙人的主动声学隐身方法，其特征在于，
所述接收换能器阵列包括参考接收换能器阵列以及误差接收换能器阵列，其中，参考接收换能器阵列用于接收声学信号，误差接收换能器用于接收误差信号。
6.根据权利要求5所述的用于蛙人的主动声学隐身方法，其特征在于，
所述步骤3中，在获得当前环境中处于工作状态声呐的数量和方位后，通过自适应滤波方法对各方向的干扰信号进行估计，计算出相应的信号参数，具体步骤如下：
步骤3.2.1. 当环境中存在1个处于工作状态的主动声呐时，通过对接收换能器阵列中各阵元信号si(t)进行波束形成，对主动声呐所在方位θ的信号进行增强，得到接收信号x(t)；
x(t)= ∑i s(t-τi)；
其中，τi是当声波方向为θ时，第i阵元与参考阵元的时延；
对接收信号x(t)进行离散化处理得到x(k)；
设定自适应滤波器阶数为n，自适应滤波器的权重为w(k)=[w1(k),w2(k),…, wn(k)]T；
在信号处理板中将接收换能器阵列接收到的信号x(t)，通过自适应滤波器的自适应滤波方法处理后得到干扰信号y(k)= wT(k)·xn(k)= ∑v=1 n wv(k)·x(k-v+1)；
其中，wv(k)表示自适应滤波器第v个权重值，v∈[1,n]；
xn(k)=[x(k),x(k-1),…,x(k-n+1)]T；
定义误差接收换能器接收的误差信号e(k)；在噪声消除过程中，自适应滤波器根据误差信号e(k)通过最小均方误差方法，更新自适应滤波器的权重w(k+1)=w(k)+μ·e(k)·x(k)；
其中，μ为调节因子，μ的取值范围为[0,1)；
步骤3.2.2. 当环境中存在多个处于工作状态的主动声呐时，按照步骤3.2.1的方法对各个方向的干扰信号进行自适应滤波处理，获得各个方向估计的待消声区域的干扰声波。
7.根据权利要求6所述的用于蛙人的主动声学隐身方法，其特征在于，
所述步骤4具体为：
步骤4.1. 当环境中仅存在1个处于工作状态的主动声呐时，根据发射换能器基阵的阵列形式及主动声呐所在的方位θ，对干扰信号y(k)延时处理得到各发射换能器的发射信号y’(k)；y’(k)= y(k-τi)；
其中，τi是当声波方向为θ时，第i阵元与参考阵元的时延；
信号处理板驱动各个发射换能器发射信号y’(k)，使发射换能器基阵发射的干扰信号具有指向性，进而抵消相应方向的声学信号，达到声学隐身的目的；
步骤4.2. 当环境中存在多个处于工作状态的主动声呐时，按照上述步骤4.1进行处理，依次得到多个干扰信号yj(k)，并计算出各个发射换能器阵元的发射信号y’j(k)；
其中，yj(k)表示抵消第j个主动声呐探测声波的干扰信号；
各个发射换能器阵元的发射信号为y’j(k)= ∑j yj(k-τij)；其中，θj为第j个主动声呐的声波方向，τij为声波方向为θj时第i阵元与参考阵元的时延。
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