CN117590369B

CN117590369B - 一种深海目标深度估计方法、装置、设备及存储介质

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Publication number: CN117590369B
Application number: CN202410075879.XA
Authority: CN
Inventors: 郑广赢; 朱方伟; 郭小玮; 白琳琅
Original assignee: Hanjiang National Laboratory
Current assignee: Hanjiang National Laboratory
Priority date: 2024-01-18
Filing date: 2024-01-18
Publication date: 2024-04-16
Anticipated expiration: 2044-01-18
Also published as: CN117590369A

Abstract

一种深海目标深度估计方法、装置、设备及存储介质，涉及水声探测技术领域，其中，深海目标深度估计方法包括：将深海大深度的垂直阵划分为上半阵和下半阵，计算上半阵常规波束形成后的复声压与下半阵常规波束形成后的复声压的互谱；根据互谱相位随频率的变化情况确定深海目标深度。本申请提出的匹配互谱相位处理用于声源深度的估计，可不受声源频谱起伏的影响，相较于匹配波束强度处理的方式，具备更好的目标深度估计性能。

Description

一种深海目标深度估计方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本申请涉及深海水下声波被动测距与定位技术领域，具体涉及一种深海目标深度估计方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

垂直阵是一种用于水下声信号接收和定位的传感器布置结构，它具有特定的几何形状和排列方式，可用于接收水下环境中垂直方向上的声波信号，从而实现对声源位置和声波信号特性的探测与分析。

垂直阵通常由多个传感器单元组成，这些传感器单元分别固定在垂直方向上的不同位置形成一个垂直排列的阵列结构。通过对这些传感器单元信号的接收和处理，可以实现对水下声波信号的接收和定位。垂直阵通常用于水声通信、声呐、声纳以及水声地震勘探等领域，具有重要的应用价值。

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）用于深海近海面声源的检测和定位。

实验观测到临界深度下的背景噪声低于临界深度的背景噪声5dB-20dB。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10dB-20dB。因此，利用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，利用临界深度下的垂直阵进行水面或水下目标的深度辨识得到了较大关注。但是目前采用的方法均假定声源以一定深度沿直线运动了一定的距离（一般几千米至十几千米）。考虑到声源以10节运动，需大概30分钟运动10km。这些方法适用于判决采集信号过后这里是否曾经有水下目标信号。

然而在实际中，有必要即时的估计声源深度，探测潜在的威胁。目前有学者基于座底的垂直阵，利用劳埃德镜的频域干涉结构，提出了通过峰值波束强度频率干涉结构匹配的深度估计方法，可用于实时或者半实时的目标深度估计与辨识，然而，匹配波束强度处理带来的问题是，深度估计的结果受声源辐射噪声频谱的影响严重，频谱起伏导致对水下目标的深度估计性能退化或失效。

发明内容

本申请提供一种深海目标深度估计方法、装置、设备及存储介质，其提出的匹配互谱相位处理用于声源深度的估计，可不受声源频谱起伏的影响，相较于匹配波束强度处理的方式，具备更好的目标深度估计性能。

第一方面，本申请实施例提供一种深海目标深度估计方法，所述深海目标深度估计方法包括：

将深海大深度的垂直阵划分为上半阵和下半阵，计算上半阵常规波束形成后的复声压与下半阵常规波束形成后的复声压的互谱；

根据互谱相位随频率的变化情况确定深海目标深度。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述计算上半阵常规波束形成后的复声压与下半阵常规波束形成后的复声压的互谱，包括：

对垂直阵接收到的宽带阵元域信号进行宽带常规波束形成，以得到波束能量随俯仰角的变化关系；

确定波束能量的峰值，并以峰值能量对应的目标俯仰角作为声信号的到达方向；

当基于常规波束形成的确定信号到达目标俯仰角后，分别对上半阵和下半阵的信号进行常规波束形成处理，得到上半阵的常规波束形成输出和下半阵的常规波束形成输出；

根据上半阵的常规波束形成输出和下半阵的常规波束形成输出计算互谱。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述对垂直阵接收到的宽带阵元域信号进行宽带常规波束形成，以得到波束能量随俯仰角的变化关系，包括：

对N元垂直阵接收到的宽带阵元域信号进行宽带常规波束形成，并根据公式：/>，得到波束能量随俯仰角的变化/>；

式中，为第/>个频点的角频率，/>，/>为参考声速，/>为频点数，/>为第/>个接收阵元的深度，/>为俯仰角，/>为虚数单位，/>为阵元间距。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述分别对上半阵和下半阵的信号进行常规波束形成处理，得到上半阵的常规波束形成输出和下半阵的常规波束形成输出，包括：

根据公式：，计算上半阵的常规波束形成输出；

根据公式：，计算下半阵的常规波束形成输出/>；

式中，为目标距离，/>为目标深度，/>为目标俯仰角。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述根据上半阵的常规波束形成输出和下半阵的常规波束形成输出计算互谱，包括：

根据公式：，计算互谱。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述根据互谱相位随频率的变化情况确定深海目标深度，包括：

计算互谱的相位角得到互谱相位随频率的变化情况，并基于广义的快速傅里叶变换FTT变换进行匹配互谱相位处理，以提取深海目标深度。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述计算互谱的相位角得到互谱相位随频率的变化情况，并基于广义的快速傅里叶变换FTT变换进行匹配互谱相位处理，以提取深海目标深度，包括：

根据公式：，得到互谱相位随频率的变化/>；

根据公式：，计算模糊度面/>，式中，/>为待估计目标深度，/>为角频率，/>和/>分别为角频率的下限和上限；

以所述模糊度面的峰值对应的/>作为深海目标深度的估计值。

第二方面，本申请实施例提供了一种深海目标深度估计装置，所述深海目标深度估计装置包括：

计算模块，其用于将深海大深度的垂直阵划分为上半阵和下半阵，计算上半阵常规波束形成后的复声压与下半阵常规波束形成后的复声压的互谱；

定位模块，其根据互谱相位随频率的变化情况确定深海目标深度。

第三方面，本申请实施例提供了一种深海目标深度估计设备，所述深海目标深度估计设备包括处理器、存储器、以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的深海目标深度估计程序，其中所述深海目标深度估计程序被所述处理器执行时，实现如上述任一种所述的深海目标深度估计方法的步骤。

第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有深海目标深度估计程序，其中所述深海目标深度估计程序被处理器执行时，实现如上述任一种所述的深海目标深度估计方法的步骤。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本申请中的深海目标深度估计方法，其将深海大深度的垂直阵划分为上半阵和下半阵，计算上半阵常规波束形成后的复声压与下半阵常规波束形成后的复声压的互谱；根据互谱相位随频率的变化情况确定深海目标深度。

即本申请通过将深海大深度的垂直阵划分子阵，取上半阵常规波束形成后的复声压与下半阵常规波束形成后的复声压的互谱，发现了声源深度信息隐含在互谱相位的干涉周期中，提出了匹配互谱相位处理用于声源深度的估计，即根据互谱相位随频率的变化，基于广义的快速傅里叶变换FTT变换进行匹配互谱相位处理，计算模糊度面，然后以模糊度面/>的峰值对应的/>作为深海目标深度的估计值的发明构思。该深海声源深度估计方法不受声源频谱起伏的影响，经仿真数据验证，较好地实现了目标深度的估计。

附图说明

图1为本申请深海目标深度估计方法一实施例的流程示意图；

图2中（a）为声源和接收阵示意图，（b）为起伏的声源频谱示意图（连续谱+线谱）；

图3为目标深度10m情况下，匹配互谱相位处理（MCPP）与匹配波束强度处理（MBIP）深度估计的结果，其中，（a）为声源频谱无起伏的情形；（b）为考虑图2中的（b）所示的声源频谱起伏的情形；

图4为目标深度50m情况下，匹配互谱相位处理（MCPP）与匹配波束强度处理（MBIP）深度估计的结果，其中，（a）为声源频谱无起伏的情形；（b）为考虑图2中的（b）所示的声源频谱起伏的情形；

图5为本申请深海目标深度估计装置一实施例的功能模块示意图；

图6为本申请实施例方案中涉及的深海目标深度估计设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。术语“第一”、“第二”和“第三”等描述，是用于区分不同的对象等，其不代表先后顺序，也不限定“第一”、“第二”和“第三”是不同的类型。

在本申请实施例的描述中，“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”、“例如”或者“举例来说”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；文本中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。

在本申请实施例描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作或步骤，但是应该理解，这些操作或步骤可以不按照其在本申请实施例中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号仅用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作或步骤可以按顺序执行或并行执行，并且这些操作或步骤可以进行组合。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

第一方面，本申请实施例提供一种深海目标深度估计方法。

一实施例中，参照图1，图1为本申请深海目标深度估计方法一实施例的流程示意图。如图1所示，深海目标深度估计方法包括：

S1、将深海大深度的垂直阵划分为上半阵和下半阵，计算上半阵常规波束形成后的复声压与下半阵常规波束形成后的复声压的互谱。

具体而言，步骤S1包括：

S11、对垂直阵接收到的宽带阵元域信号进行宽带常规波束形成，以得到波束能量随俯仰角的变化关系。

在本实施例中，为得到波束能量随俯仰角的变化关系，采用的方式是：

S12、确定波束能量的峰值，并以峰值能量对应的目标俯仰角作为声信号的到达方向。

具体而言，在步骤S12中，通过寻找波束形成得到的波束能量随俯仰角的变化的峰值，然后取/>峰值能量对应的角度/>作为声信号的到达方向。

S13、当基于常规波束形成的确定信号到达目标俯仰角后，分别对上半阵和下半阵的信号进行常规波束形成处理，得到上半阵的常规波束形成输出和下半阵的常规波束形成输出。

具体而言，在步骤S13中，当基于常规波束形成确定信号到达的俯仰角后，分别对垂直阵上半阵和下半阵的信号做常规波束形成处理，即：

根据公式：，计算上半阵的常规波束形成输出；

根据公式：，计算下半阵的常规波束形成输出/>；

式中，为目标距离，/>为目标深度，/>为目标俯仰角。

S14、根据上半阵的常规波束形成输出和下半阵的常规波束形成输出计算互谱。

在得到了上半阵的常规波束形成输出和下半阵的常规波束形成输出之后，便可以：

根据公式：，计算互谱。

S2、根据互谱相位随频率的变化情况确定深海目标深度。

具体实现时，在本实施例中，通过计算互谱的相位角得到互谱相位随频率的变化情况，并基于广义的快速傅里叶变换FTT变换进行匹配互谱相位处理，以提取深海目标深度。

具体而言，步骤S2包括：

S21、根据公式：，得到互谱相位随频率的变化/>；

在本实施例中，取复声压的互谱的相位，即可以得到互谱相位随频率的变化/>。

值得说明的是，与目标辐射噪声频谱无关，且隐含了目标深度的信息，可以用于目标深度的估计。

S22、根据公式：，计算模糊度面/>，式中，为待估计目标深度，/>为角频率，/>和/>分别为角频率的下限和上限；

S23、以所述模糊度面的峰值对应的/>作为深海目标深度的估计值。

至此，便完成了深海目标深度的估计。

在采用建模仿真的方式分析了上述深海目标深度估计方法的深度估计性能后，结论如下：

首先对参数进行设置，在海深5000m，32元垂直阵，首阵元深度4851m，阵元间距4m，处理频段100Hz~300Hz，目标距离4520m，假设等声速环境，忽略声线折射，分别仿真生成无噪声情况下与输入信噪比-10dB情况下，32元垂直阵在100Hz~300Hz的阵元域数据，对阵元数据做宽带的常规波束形成，得到波束能量随频率和俯仰角的变化，取峰值能量对应的角度，以此角度对上下半阵做常规波束形成后取互谱，得到互谱相位随频率的变化。

无噪声情况下，上下半阵波束互谱的相位为一慢变的线性函数；有噪声的情况下，在声场干涉的情况下，干涉相消的频点处，信号能量弱于噪声能量，导致噪声的随机相位起伏占主导，导致在干涉相消的频点处，相位出现极值点，并且相位出现极值点的周期是与目标深度有关的，因此可以通过检测互谱相位极值点出现的周期估计目标的深度。

同时参见图2所示，图3和图4分别给出了目标深度10m和50m情况下，匹配互谱相位处理（MCPP）与匹配波束强度处理（MBIP）深度估计的结果,可以看出匹配互谱相位处理（MCPP）与匹配波束强度处理（MBIP）相比，在主瓣宽度相同的情况下，具有更低的旁瓣，深度估计性能更好。并且在匹配波束强度处理（MBIP）受频谱起伏影响失效的情况下，匹配互谱相位处理（MCPP）也可准确估计声源的深度。

综上所述，本申请中的深海目标深度估计方法，其将深海大深度的垂直阵划分为上半阵和下半阵，计算上半阵常规波束形成后的复声压与下半阵常规波束形成后的复声压的互谱；根据互谱相位随频率的变化情况确定深海目标深度。

即本申请通过将深海大深度的垂直阵划分子阵，取上半阵常规波束形成后的复声压与下半阵常规波束形成后的复声压的互谱，发现了声源深度信息隐含在互谱相位的干涉周期中，提出了匹配互谱相位处理用于声源深度的估计，该深海声源深度估计方法不受声源频谱起伏的影响，经仿真数据验证，较好地实现了目标深度的估计。

第二方面，本申请实施例还提供一种深海目标深度估计装置。

一实施例中，参照图5，图5为本申请深海目标深度估计装置一实施例的功能模块示意图。如图5所示，深海目标深度估计装置包括：

进一步地，一实施例中，所述计算模块计算上半阵常规波束形成后的复声压与下半阵常规波束形成后的复声压的互谱，包括：

进一步地，一实施例中，所述计算模块对垂直阵接收到的宽带阵元域信号进行宽带常规波束形成，以得到波束能量随俯仰角的变化关系，包括：

进一步地，一实施例中，所述计算模块分别对上半阵和下半阵的信号进行常规波束形成处理，得到上半阵的常规波束形成输出和下半阵的常规波束形成输出，包括：

根据公式：，计算上半阵的常规波束形成输出；

根据公式：，计算下半阵的常规波束形成输出/>；

式中，为目标距离，/>为目标深度，/>为目标俯仰角。

进一步地，一实施例中，所述计算模块根据上半阵的常规波束形成输出和下半阵的常规波束形成输出计算互谱，包括：

根据公式：，计算互谱。

进一步地，一实施例中，所述定位模块根据互谱相位随频率的变化情况确定深海目标深度，包括：

进一步地，一实施例中，所述定位模块计算互谱的相位角得到互谱相位随频率的变化情况，并基于广义的快速傅里叶变换FTT变换进行匹配互谱相位处理，以提取深海目标深度，包括：

根据公式：，得到互谱相位随频率的变化/>；

其中，上述深海目标深度估计装置中各个模块的功能实现与上述深海目标深度估计方法实施例中各步骤相对应，其功能和实现过程在此处不再一一赘述。

第三方面，本申请实施例提供一种深海目标深度估计设备，深海目标深度估计设备可以是个人计算机（personal computer，PC）、笔记本电脑、服务器等具有数据处理功能的设备。

参照图6，图6为本申请实施例方案中涉及的深海目标深度估计设备的硬件结构示意图。本申请实施例中，深海目标深度估计设备可以包括处理器、存储器、通信接口以及通信总线。

其中，通信总线可以是任何类型的，用于实现处理器、存储器以及通信接口互连。

通信接口包括输入/输出（input/output，I/O）接口、物理接口和逻辑接口等用于实现深海目标深度估计设备内部的器件互连的接口，以及用于实现深海目标深度估计设备与其他设备（例如其他计算设备或用户设备）互连的接口。物理接口可以是以太网接口、光纤接口、ATM接口等；用户设备可以是显示屏（Display）、键盘（Keyboard）等。

存储器可以是各种类型的存储介质，例如随机存取存储器（randomaccessmemory，RAM）、只读存储器（read-only memory，ROM）、非易失性RAM（non-volatileRAM，NVRAM）、闪存、光存储器、硬盘、可编程ROM（programmable ROM，PROM）、可擦除PROM（erasable PROM，EPROM）、电可擦除PROM（electrically erasable PROM，EEPROM）等。

处理器可以是通用处理器，通用处理器可以调用存储器中存储的深海目标深度估计程序，并执行本申请实施例提供的深海目标深度估计方法。例如，通用处理器可以是中央处理器（central processing unit，CPU）。其中，深海目标深度估计程序被调用时所执行的方法可参照本申请深海目标深度估计方法的各个实施例，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，图6中示出的硬件结构并不构成对本申请的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

第四方面，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质。

本申请计算机可读存储介质上存储有深海目标深度估计程序，其中所述深海目标深度估计程序被处理器执行时，实现如上述的深海目标深度估计方法的步骤。

其中，深海目标深度估计程序被执行时所实现的方法可参照本申请深海目标深度估计方法的各个实施例，此处不再赘述。

需要说明的是，上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端设备执行本申请各个实施例所述的方法。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims

1.一种深海目标深度估计方法，其特征在于，所述深海目标深度估计方法包括：

根据互谱相位随频率的变化情况确定深海目标深度；

其中，所述根据互谱相位随频率的变化情况确定深海目标深度包括：

根据所述互谱确定互谱相位随频率的变化；

根据所述互谱相位随频率的变化，基于广义的快速傅里叶变换FTT变换进行匹配互谱相位处理，计算模糊度面，/>为待估计目标深度；

以所述模糊度面的峰值对应的/>作为深海目标深度的估计值；

所述计算上半阵常规波束形成后的复声压与下半阵常规波束形成后的复声压的互谱，包括：

根据上半阵的常规波束形成输出和下半阵的常规波束形成输出计算互谱；

根据公式：，得到互谱相位随频率的变化/>，式中，/>为互谱，/>为目标深度；

根据公式：，计算模糊度面/>，式中，/>为待估计目标深度，/>为角频率，/>和/>分别为角频率的下限和上限，/>为目标俯仰角，/>为虚数单位。

2.如权利要求1所述的深海目标深度估计方法，其特征在于，所述对垂直阵接收到的宽带阵元域信号进行宽带常规波束形成，以得到波束能量随俯仰角的变化关系，包括：

3.如权利要求2所述的深海目标深度估计方法，其特征在于，所述分别对上半阵和下半阵的信号进行常规波束形成处理，得到上半阵的常规波束形成输出和下半阵的常规波束形成输出，包括：

根据公式：，计算上半阵的常规波束形成输出/>；

根据公式：，计算下半阵的常规波束形成输出；

式中，为目标距离，/>为目标深度，/>为目标俯仰角。

4.如权利要求3所述的深海目标深度估计方法，其特征在于，所述根据上半阵的常规波束形成输出和下半阵的常规波束形成输出计算互谱，包括：

根据公式：，计算互谱/>。

5.一种实现如权利要求1所述的深海目标深度估计方法的深海目标深度估计装置，其特征在于，所述深海目标深度估计装置包括：

定位模块，其根据互谱相位随频率的变化情况确定深海目标深度；

其中，所述定位模块根据互谱相位随频率的变化情况确定深海目标深度，包括：

根据所述互谱确定互谱相位随频率的变化；

6.一种深海目标深度估计设备，其特征在于，所述深海目标深度估计设备包括处理器、存储器、以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的深海目标深度估计程序，其中所述深海目标深度估计程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1至4中任一项所述的深海目标深度估计方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有深海目标深度估计程序，其中所述深海目标深度估计程序被处理器执行时，实现如权利要求1至4中任一项所述的深海目标深度估计方法的步骤。