CN104793212A - 利用声波海底反射实现主动声纳远程探测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用声波海底反射实现主动声纳远程探测的方法，属于水声工程、海洋工程和声纳技术等领域。本发明目的在于提供一种利用声波海底反射实现主动声纳远程探测的方法，特别适用于浅海随距离变化环境中目标的快速定位。水声信道中布放水听器接收阵来实现水下目标的被动定位，估计出目标的距离和深度；在各水听器位置放置虚拟声源，利用声场计算模型计算出每个虚拟声源在搜索区域产生的拷贝场平面；对每个拷贝场平面进行相应的加权求和；最终得到水下目标的定位模糊平面，从而判定目标的距离和深度。本发明适用于深海环境中主动声纳目标远程探测。

Description

利用声波海底反射实现主动声纳远程探测的方法

技术领域

本发明涉及一种利用声波海底反射实现主动声纳远程探测的方法，属于水声工程、海洋工程和声纳技术等领域。

背景技术

匹配场处理技术得益于信号处理技术与水声物理学的交叉。它在处理接收到的水声信号时，最大限度地利用了水声信道模型、基阵设计、以及窄带和宽带相关处理技术的综合优势，因而与传统淡化信道的信号处理技术相比取得了重大进展。匹配场处理是一个前向传播过程。它把测试点源放置到每一个搜索网格上，计算基阵上的拷贝场向量，然后把拷贝场向量和真实声源对应的数据向量做相关处理。在预期目标位置区域内进行搜索，拷贝场向量和数据向量匹配时可获得目标的位置估计。利用传播模型计算各搜索网格对应的拷贝场向量需要耗费大量的时间。

当海洋环境随距离变化时，需要利用抛物方程模型来计算拷贝场向量。此时，其计算量相当惊人，这严重阻碍了其工程应用。为了将匹配场处理技术应用于工程实际中，必须寻找新的方法和技术途径。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种利用声波海底反射实现主动声纳远程探测的方法，其运算速度可大大提高，特别适用于浅海随距离变化环境中目标的快速定位。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

1)水声信道中布放水听器接收阵来实现水下目标的被动定位，估计出目标的距离和深度；

2)在各水听器位置放置虚拟声源，利用声场计算模型计算出每个虚拟声源在搜索区域产生的拷贝场平面；

3)对每个拷贝场平面进行相应的加权求和；

4)最终得到水下目标的定位模糊平面，从而判定目标的距离和深度。

进一步地，包括以下具体的六步：

步骤1：将水听器阵布放在海水中，采集得到水声信号，将水听器阵列数据向量x(t)的一段时间段分成彼此相互连接的一系列时间段，通过傅里叶变换把时域数据向量x(t)变换到频域，得到频域快拍数据向量X(ω)；

步骤2：假定在该时间段内信号的起伏变化主要是由噪声引起的，通过对频域快拍数据向量X(ω)的平均来估计数据协方差矩阵S(ω)＝E[X(ω)X^H(ω)]；

步骤3：对数据协方差矩阵做奇异值分解S(ω)＝UΣV^H，其中U＝[u₁,…,u_k,…,u_K]是一个N×K的矩阵，它的列向量u_k是左奇异值向量；Σ＝diag(σ₁,…,σ_k,…,σ_K)是一个K×K的矩阵，它的对角线元素是奇异值，V＝[v₁,…,v_k,…,v_K]是一个N×K的矩阵，它的列向量v_k是右奇异值向量；

步骤4：虚拟时反处理的后向传播数据向量d(r_s,z_s)可以由左奇异值向量和相应的奇异值得到，其中是r_s目标声源的距离，z_s是目标声源的深度；

步骤5：在各水听器位置放置虚拟声源，每个虚拟声源的距离和深度表示为(r_i,z_i)，搜索距离和深度区域表示为(r,z)，在搜索区域(r,z)内产生一个归一化拷贝场平面w(r,z；r_i,z_i)；对于不随距离变化的海洋环境，拷贝场平面可以利用简正波模型求出数值解；对于随距离变化的海洋环境，拷贝场平面则需要利用抛物方程模型来求其数值解；

步骤6：利用步骤(4)中得到的数据向量d(r_s,z_s)，对拷贝场平面w(r,z；r_i,z_i)进行加权求和，即可得到最终的目标定位模糊平面该定位模糊平面内的峰值即为目标距离和深度的最大似然估计。

进一步地，对于宽带目标信号，采用多个频率点非相干联合处理的方法，可提高水下目标的定位精度，降低定位模糊平面的旁瓣，多频率点非相干联合处理的计算公式为：

$B(r,z)=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{d}^{*}(r_i,z_i;r_s,z_s;f_j)w(r,z;r_i,z_i;f_j)\right|}^2$

其中M为频率数量，f_j表示第j个频率点。

进一步地，水听器阵可采用垂直线列阵、拖曳线列阵或锚在海底的水平线列阵。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

在随距离变化的海洋环境中，虚拟时反处理可以取得与传统匹配场处理相似的定位效果，但其计算量要远小于后者，进而其运算速度可大大提高。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例

本发明包括以下步骤：

1)水声信道中布放水听器接收阵来实现水下目标的被动定位，估计出目标的距离和深度；

2)在各水听器位置放置虚拟声源，利用声场计算模型计算出每个虚拟声源在搜索区域产生的拷贝场平面；

3)对每个拷贝场平面进行相应的加权求和；

4)最终得到水下目标的定位模糊平面，从而判定目标的距离和深度。

进一步地，包括以下具体的六步：

步骤1：将水听器阵布放在海水中，采集得到水声信号，将水听器阵列数据向量x(t)的一段时间段分成彼此相互连接的一系列时间段，通过傅里叶变换把时域数据向量x(t)变换到频域，得到频域快拍数据向量X(ω)；

步骤2：假定在该时间段内信号的起伏变化主要是由噪声引起的，通过对频域快拍数据向量X(ω)的平均来估计数据协方差矩阵S(ω)＝E[X(ω)X^H(ω)]；

步骤3：对数据协方差矩阵做奇异值分解S(ω)＝UΣV^H，其中U＝[u₁,…,u_k,…,u_K]是一个N×K的矩阵，它的列向量u_k是左奇异值向量；Σ＝diag(σ₁,…,σ_k,…,σ_K)是一个K×K的矩阵，它的对角线元素是奇异值，V＝[v₁,…,v_k,…,v_K]是一个N×K的矩阵，它的列向量v_k是右奇异值向量；

步骤4：虚拟时反处理的后向传播数据向量d(r_s,z_s)可以由左奇异值向量和相应的奇异值得到，其中是r_s目标声源的距离，z_s是目标声源的深度；

步骤5：在各水听器位置放置虚拟声源，每个虚拟声源的距离和深度表示为(r_i,z_i)，搜索距离和深度区域表示为(r,z)，在搜索区域(r,z)内产生一个归一化拷贝场平面w(r,z；r_i,z_i)；对于不随距离变化的海洋环境，拷贝场平面可以利用简正波模型求出数值解；对于随距离变化的海洋环境，拷贝场平面则需要利用抛物方程模型来求其数值解；

步骤6：利用步骤(4)中得到的数据向量d(r_s,z_s)，对拷贝场平面w(r,z；r_i,z_i)进行加权求和，即可得到最终的目标定位模糊平面该定位模糊平面内的峰值即为目标距离和深度的最大似然估计。

进一步地，对于宽带目标信号，采用多个频率点非相干联合处理的方法，可提高水下目标的定位精度，降低定位模糊平面的旁瓣，多频率点非相干联合处理的计算公式为：

$B(r,z)=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{d}^{*}(r_i,z_i;r_s,z_s;f_j)w(r,z;r_i,z_i;f_j)\right|}^2$

其中M为频率数量，f_j表示第j个频率点。

进一步地，水听器阵可采用垂直线列阵、拖曳线列阵或锚在海底的水平线列阵。

Claims (4)

1.一种利用声波海底反射实现主动声纳远程探测的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)水声信道中布放水听器接收阵来实现水下目标的被动定位，估计出目标的距离和深度；

2)在各水听器位置放置虚拟声源，利用声场计算模型计算出每个虚拟声源在搜索区域产生的拷贝场平面；

3)对每个拷贝场平面进行相应的加权求和；

4)最终得到水下目标的定位模糊平面，从而判定目标的距离和深度。

2.根据权利要求1所述的利用声波海底反射实现主动声纳远程探测的方法，其特征在于：包括以下具体的六步：

步骤1：将水听器阵布放在海水中，采集得到水声信号，将水听器阵列数据向量x(t)的一段时间段分成彼此相互连接的一系列时间段，通过傅里叶变换把时域数据向量x(t)变换到频域，得到频域快拍数据向量X(ω)；

步骤2：假定在该时间段内信号的起伏变化主要是由噪声引起的，通过对频域快拍数据向量X(ω)的平均来估计数据协方差矩阵S(ω)＝E[X(ω)X^H(ω)]；

步骤3：对数据协方差矩阵做奇异值分解S(ω)＝UΣV^H，其中U＝[u₁,…,u_k,…,u_K]是一个N×K的矩阵，它的列向量u_k是左奇异值向量；Σ＝diag(σ₁,…,σ_k,…,σ_K)是一个K×K的矩阵，它的对角线元素是奇异值，V＝[v₁,…,v_k,…,v_K]是一个N×K的矩阵，它的列向量v_k是右奇异值向量；

步骤4：虚拟时反处理的后向传播数据向量d(r_s,z_s)可以由左奇异值向量和相应的奇异值得到，其中是r_s目标声源的距离，z_s是目标声源的深度；

步骤5：在各水听器位置放置虚拟声源，每个虚拟声源的距离和深度表示为(r_i,z_i)，搜索距离和深度区域表示为(r,z)，在搜索区域(r,z)内产生一个归一化拷贝场平面w(r,z；r_i,z_i)；对于不随距离变化的海洋环境，拷贝场平面可以利用简正波模型求出数值解；对于随距离变化的海洋环境，拷贝场平面则需要利用抛物方程模型来求其数值解；

步骤6：利用步骤(4)中得到的数据向量d(r_s,z_s)，对拷贝场平面w(r,z；r_i,z_i)进行加权求和，即可得到最终的目标定位模糊平面该定位模糊平面内的峰值即为目标距离和深度的最大似然估计。

3.根据权利要求2所述的利用声波海底反射实现主动声纳远程探测的方法，其特征在于：对于宽带目标信号，采用多个频率点非相干联合处理的方法，可提高水下目标的定位精度，降低定位模糊平面的旁瓣，多频率点非相干联合处理的计算公式为：

$B(r,z)=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{d}^{*}(r_i,z_i;r_s,z_s;f_j)w(r,z;r_i;f_j)\right|}^2$

其中M为频率数量，f_j表示第j个频率点。

4.根据权利要求2所述的利用声波海底反射实现主动声纳远程探测的方法，其特征在于：水听器阵可采用垂直线列阵、拖曳线列阵或锚在海底的水平线列阵。