CN117406172A - 一种基于深海环境下拖船干扰特性的海深估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于深海环境下拖船干扰特性的海深估计方法，包括：(1)海底平坦环境下的海深估计；通过监督学习获取反映海深与拖船干扰方位角关系的回归函数；基于水平拖曳线列阵接收数据常规波束形成处理结果获取拖船干扰方位角，并利用回归函数估计海深；(2)海底斜坡环境下的海深估计；将水平拖曳线列阵划分为两个子阵，并获取各子阵接收数据常规波束形成处理得到的非端射方向干扰方位角；根据一次海底反射声入射角计算公式，将一次海底反射声入射角近似等于非端射方向拖船干扰方位角，联立得到二元一次方程组，求解得到海深。
Description
技术领域
本发明属于水声定位与识别技术领域，具体涉及一种基于深海环境下拖船干扰特性的海深估计方法。
背景技术
拖船辐射噪声是一种声源种类繁多、噪声强度大、频谱成份复杂的声信号，一方面它会影响水平线列阵对目标信号的探测，另一方面它又会蕴含丰富的连续谱、线谱、调制谱等信息，可以用于目标的检测识别等方面。
通过仪器测量获得基阵接收深度等先验信息后，可以将拖船辐射噪声中可利用的线谱、连续谱或者能量等信息应用于地声参数的反演。薄连坤等将贝叶斯方法和自适应重要性抽样方法结合后应用于拖船辐射噪声处理中，实现了浅海环境参数的有效反演。他首先通过仿真来分析不同参数对所提反演方法的敏感性，发现在反演区间内，当采用频率较低的自噪声分量进行反演时，声源深度、海深、线列阵接收深度等几何参数会表现出较好的敏感性，为此在后续实验中选取了两个低频频点对应的线谱信息来反演环境参数。考虑到贝叶斯方法是从统计的角度看待问题，需要计算大量的拷贝场，运算量很大，所以通过将自适应重要性抽样方法融入贝叶斯反演中，减少了运算量，并且数据处理分析结果也表明该方法能够较准确的实现环境参数的反演。不过该方法不能够很好地应对当地声参数随深度分层变化时的情况，为此祝捍皓等通过选择舰船辐射噪声中信噪比较高的线谱所对应的声压信号作为反演对象，提出了一种可以自适应反演海底分层结构及其对应的地声参数的贝叶斯方法，数据分析处理结果表明反演得到的地声参数能够较好反映实验海域的物理特性，并且利用反演参数预测出来的拖船噪声传播损失，与实测得到的传播损失较为吻合。大多反演方法利用的都是标量水听器采集到的信息，而矢量水听器能够采集到更多的信息并且低频指向性更好，所以任群言等将矢量水听器采集到的航船噪声声压信号和质点振速作为研究对象，利用遗传算法去搜索能够有效匹配不同频点上声压和质点振速的环境参数，实现了沉积层声速、密度、厚度等参数的反演。
近年来，人们主要关注于浅海环境下拖船干扰抑制以及干扰特性的应用，然而对深海环境下拖船干扰特性分析和利用的研究较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于深海环境下拖船干扰特性的海深估计方法，以挖掘深海环境下拖船辐射噪声的可利用特性，产生应用价值。
为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：
一种基于深海环境下拖船干扰特性的海深估计方法，包括：
(1)海底平坦环境下的海深估计
通过监督学习获取反映海深与拖船干扰方位角关系的回归函数；
基于水平拖曳线列阵接收数据常规波束形成处理结果获取拖船干扰方位角，并利用回归函数估计海深；
(2)海底斜坡环境下的海深估计
将水平拖曳线列阵划分为两个子阵，并获取各子阵接收数据常规波束形成处理得到的非端射方向干扰方位角；
根据一次海底反射声入射角计算公式，将一次海底反射声入射角近似等于非端射方向拖船干扰方位角，联立得到二元一次方程组，求解得到海深；
式中θ表示斜坡坡度、θ1表示经一次海底反射后入射到子阵中心阵元的入射角、H表示海深、H1表示拖船噪声源深度、L1表示拖船噪声源到子阵中心阵元的水平距离、H′1表示水平线列阵的接收深度。
优选地，所述监督学习具体包括：
查询先验信息，仿真模拟不同海深下线列阵对拖船自噪声的波束响应，提取拖船干扰方位角，包括靠近端射方向和非端射方向的干扰方位角；
构建实验数据组，其样本由两干扰方位角的绝对差值及对应的海深构成；
选择模型进行拟合，得到回归函数。
优选地，所述回归函数表示为式(3)，
式中，n表示多项式的拟合阶数，n＜N，N表示用于拟合的实验数据组样本总个数。
优选地，常规波束形成对应的输出功率P(θ)根据式(1)计算得到，
P(θ)＝|WHX(t)X(t)HW| (1)
式中，θ表示波束指向角，H表示共轭转置，X(t)为接收信号的矢量表示，W为常规波束形成对应的加权向量，通过式(2)计算得到，
w0表示频率，τi，(i＝1，2，...，M)表示相对于参考阵元的时延，T表示转置。
优选地，所述方法还包括利用相对误差百分比计算公式计算海深估计精度，
Hs为实际海深，Hg为估计得到的海深。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明根据仿真发现的深海环境下可利用拖船干扰特性，非端射方向拖船干扰主要由一次海底反射声造成、非端射方向干扰方位角随海深增加逐渐变大，针对海底平坦和小坡度海底斜坡环境分别给出了相应的海深估计方法，并利用仿真数据验证了所提方法具有很好的海深估计性能，能够为实际工程应用中目标方位和距离的修正提供海深信息。
附图说明
图1为本发明的基于海深环境下拖船干扰特性的海深估计方法的流程图；其中图1(a)为海底平坦环境下基于拖船干扰特性的海深估计方法的流程图，图1(b)为海底斜坡环境下基于拖船干扰特性的海深估计方法的流程图。
图2为深海环境下入射到线列阵首尾阵元的本征射线图。
图3为线列阵对拖船自噪声波束响应随海深变化得到的仿真结果图。
图4为海底平坦环境下利用三次多项式拟合得到的海深估计结果图。
图5为海底斜坡坡度为1°时对应的声传播损失图。
图6为海底斜坡坡度为1°时不同子阵处理结果图。
图7为海底斜坡环境下对联立出的二元一次方程组求解得到的海深估计结果图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案做进一步解释，本发明要求保护的技术方案包括但不限于该实施例记载的内容。
图2示出了声源深度5m、水平线列阵接收深度150m、第一个阵元到声源的水平距离800m、典型Munk声速剖面下，基于射线模型计算程序Bellhop计算得到的入射到线列阵首尾阵元的本征射线。图3示出了声源深度5m、水平线列阵接收深度150m、第一个阵元到声源的水平距离800m、典型Munk声速剖面、阵元间距1.5m、粉砂质砂海底环境下，当海深取1000m、2000m、3000m、4000m、5000m时，水平线列阵对拖船辐射噪声的波束响应。分析仿真结果可以发现深海环境下非端射方向拖船干扰主要由一次海底反射声造成，随着海深的增加非端射方向干扰方位角逐渐增加。
本发明提供一种基于深海环境下拖船干扰特性的海深估计方法，包括海底平坦环境下的海深估计和小坡度海底坡度环境下的海深估计。
海底平坦环境下的海深估计包括以下步骤：通过监督学习获取反映海深与拖船干扰方位角关系的回归函数；基于水平拖曳线列阵接收数据的常规波束形成处理结果获取拖船干扰方位角，并利用回归函数估计海深。
参照图1(a)所示，该海底平坦环境下的海深估计具体包括以下步骤：
(1-1)，查询先验信息，通过常规波束形成方法仿真模拟不同海深下线列阵对拖船自噪声的波束响应，提取拖船干扰方位角，包括靠近端射方向和非端射方向的干扰方位角。
该常规波束形成方法对应的输出功率P(θ)如式(1)所示，
P(θ)＝|WHX(t)X(t)HW| (1)
式中，θ表示波束指向角，H表示共轭转置，X(t)为接收信号的矢量表示，W为常规波束形成对应的加权向量，通过式(2)计算得到，
w0表示频率，τi，(i＝1，2，...，M)表示相对于参考阵元的时延，T表示转置。
(1-2)构建实验数据组，其样本由两干扰方位角的绝对差值及对应的海深构成。
(1-3)使用最小二乘多项式拟合，得到回归函数如式(3)所示：
式中，n表示多项式的拟合阶数，n＜N，N表示用于拟合的实验数据组样本总个数。
(1-4)利用常规波束形成方法处理水平线列阵的接收数据后，提取靠近端射方向和非端射方向的干扰方位角，计算两者的绝对差值后代入回归函数估计海深。
图4为仿真模拟海深从2000m递增至6000m，递增步长为50m，同时提取出不同海深下对应的干扰方位角，构建出实验数据组并利用三次多项式拟合得到的结果。
海底斜坡环境下的海深估计包括以下步骤：将水平拖曳线列阵划分为两个子阵，并获取各子阵接收数据经常规波束形成处理得到的非端射方向干扰方位角；根据一次海底反射声入射角计算公式，将一次海底反射声入射角近似等于非端射方向拖船干扰方位角，联立得到二元一次方程组，求解得到海深。
该一次海底反射声入射角计算公式为：
式中θ表示斜坡坡度、θ1表示经一次海底反射后入射到子阵中心阵元的入射角、H表示海深、H1表示拖船噪声源深度、L1表示拖船噪声源到子阵中心阵元的水平距离、H′1表示水平线列阵的接收深度。
这里需要注意的是，本发明中所指的海底斜坡环境仅为斜坡小于2°的海底环境。
如图1(b)所示，海底斜坡环境下的海深估计具体包括以下步骤：
(2-1)获取阵元域的接收数据，基于接收数据对各子阵分别进行常规波束形成后，分别提取得到两个非端射方向干扰方位角；
(2-2)将非端射方向干扰方位角近似为一次海底反射后入射到子阵中心阵元的入射角θ1，将该非端射方向干扰方位角分别代入式(4)后得到二元一次方程，求解得到估计的海深。
本发明中的斜坡仅针对坡度小于2°的情况。当海底斜坡坡度为1°时，对应的声传播损失如图5所示。图6为在图5的斜坡环境下，对模拟得到的水平线列阵接收数据进行常规波束形成处理得到的时间方位历程图。基于图6的子阵处理结果，提取出其对应的非端射方向干扰方位，如图7所示；并利用深海环境下非端射方向拖船干扰特性将其近似为一次海底反射声入射角，将该结果代入推导得到的一次海底反射声入射角计算公式，联立得到二元一次方程组，并在此基础上通过软件求解实现海深估计。
本发明中，利用相对误差百分比计算公式来衡量所提方法的估计精度：
Hs为实际海深，Hg为估计得到的海深。通过仿真数据的处理分析来验证所提方法的估计精度。
Claims (5)
1.一种基于深海环境下拖船干扰特性的海深估计方法，其特征在于，包括：
(1)海底平坦环境下的海深估计
通过监督学习获取反映海深与拖船干扰方位角关系的回归函数；
基于水平拖曳线列阵接收数据的常规波束形成处理结果获取拖船干扰方位角，并利用回归函数估计海深；
(2)海底斜坡环境下的海深估计
将水平拖曳线列阵划分为两个子阵，并获取各子阵接收数据经常规波束形成处理得到的非端射方向干扰方位角；
根据一次海底反射声入射角计算公式，将一次海底反射声入射角近似等于非端射方向拖船干扰方位角，联立得到二元一次方程组，求解得到海深；
式中θ表示斜坡坡度、θ1表示经一次海底反射后入射到子阵中心阵元的入射角、H表示海深、H1表示拖船噪声源深度、L1表示拖船噪声源到子阵中心阵元的水平距离、H′1表示水平线列阵的接收深度。
2.如权利要求1所述的一种基于深海环境下拖船干扰特性的海深估计方法，其特征在于，
所述监督学习具体包括：
查询先验信息，仿真模拟不同海深下线列阵对拖船自噪声的波束响应，提取拖船干扰方位角，包括靠近端射方向和非端射方向的干扰方位角；
构建实验数据组，其样本由两干扰方位角的绝对差值及对应的海深构成；
选择模型进行拟合，得到回归函数。
3.如权利要求2所述的一种基于深海环境下拖船干扰特性的海深估计方法，其特征在于，所述回归函数表示为式(3)，
式中，n表示多项式的拟合阶数，n＜N，N表示用于拟合的实验数据组样本总个数。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种基于深海环境下拖船干扰特性的海深估计方法，其特征在于，常规波束形成对应的输出功率P(θ)根据式(1)计算得到，
P(θ)＝|WHX(t)X(t)HW| (1)
式中，θ表示波束指向角，H表示共轭转置，X(t)为接收信号的矢量表示，W为常规波束形成对应的加权向量，通过式(2)计算得到，
w0表示频率，τi，(i＝1，2，...，M)表示相对于参考阵元的时延，T表示转置。
5.如权利要求1所述的一种基于深海环境下拖船干扰特性的海深估计方法，其特征在于，所述方法还包括利用相对误差百分比计算公式计算海深估计精度，
Hs为实际海深，Hg为估计得到的海深。
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