CN108318876A - 一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法 - Google Patents

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刘圣松
郑伟
李世智
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Abstract

本发明公开了一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法，属于水雷引信及声纳的技术领域，该方法根据单个水听器采集到的水下目标发出的信号，得到信号的水底多径时延t1和水面多径时延t2后，计算目标深度和目标水平距离；目标深度目标水平距离式中，H是海深；z是单个水听器的深度；c是声速；由于水底多径时延t1和水面多径时延t2是根据时间变化的，因此可以得到根据时间变化的目标深度和目标水平距离；该方法仅通过单个水听器计算得出信号的水底多径时延和水面多径时延后，结合海深及水听器深度，即可获得目标深度和距离信息。

Description

一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法
技术领域
本发明属于水雷引信及声纳的技术领域，具体涉及一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法。
背景技术
水下目标的深度与距离估计在水下潜艇目标的识别、定位中有重要应用。目前应用的技术是三子阵法，需要很大的阵列孔径对目标定位。为了能在小平台上对水下目标定位，人们发展出了目标运动分析技术(TMA)、匹配场定位技术与时反镜定位技术。纯方位TMA方法需要平台的机动，方位/频率TMA方法往往因目标无线谱或线谱频率太低无明显多普勒而在应用中受到限制。匹配场与时反镜可实现几公里到几十公里目标的定位，但它们都依赖于对传播信道的准确建模，在工程应用中仍有困难，且运算量很大，不适合在水雷平台上应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法，仅通过单个水听器计算得出信号的水底多径时延和水面多径时延后，结合海深及水听器深度，即可获得目标深度和距离信息。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法，该方法如下：
根据单个水听器采集到的水下目标发出的信号，得到信号的水底多径时延t1和水面多径时延t2后，计算目标深度和目标水平距离；
式中，H是海深；z是单个水听器的深度；c是声速；由于水底多径时延t1和水面多径时延t2是根据时间变化的，因此可以得到根据时间变化的目标深度和目标水平距离。
进一步的，得到所述水底多径时延t1和水面多径时延t2的方法如下：
第一步，采用滤波器对单个水听器采集到的水下目标发出的信号按帧依次进行带通滤波处理、AD转换、快速傅里叶变换、加权功率谱及反傅里叶变换后，得到与信号的帧数相同个数的序列u(n)，n＝0,…,N-1，N，N为一帧数据的长度；
第二步，当前三帧信号对应的u(n)的数据均在[m,N/2-1]区间上搜索到峰值，且三帧信号的峰值对应的三个水底多径时延和三个水面多径时延分别依次增大，三个水底多径时延的差分和三个水面多径时延的差分均小于由目标最大可能速度与帧长度决定的门限值时，则判定多径时延是由目标引起的，进入锁定模式；其中，m﹥10；
在锁定模式中，设第三帧信号的水底多径时延为τb1，水面多径时延为τb2，则在[τb1-τl，τb1+τu]区间上搜索第四帧信号对应的u(n)的极大值，该极大值对应的值为水底多径时延，在[τb2-τl，τb2+τu]区间上搜索第四帧信号对应的u(n)的极小值，该极小值对应的值为水面多径时延；其中，若E﹥Eb，则τu﹥τl，τl大于0，τu小于目标最大可能速度与帧长度决定的门限值，E与Eb分别是第四帧和第三帧数据的能量积分值；若E﹤Eb，则τu﹤τl，τu大于0，τl小于目标最大可能速度与帧长度决定的门限值；
假设上述搜索到的极大值为u(n1)，则第四帧信号的水底多径时延为t1＝n1/fs，假设搜索到的极小值为u(n2)，则第四帧信号的水面多径时延为t2＝n2/fs；其中，fs是A/D转换时的数据采样频率；
依次类推，可以得到第五帧、第六帧、第七帧…的水底多径时延t1和水面多径时延t2。
进一步的，计算所述加权功率谱的方法如下：
设经过快速傅里叶变换后的序列为y(n)，计算加权功率谱后得到的序列为z(n)；
z(n)＝|y(n)|2α；其中，0＜α＜1。
进一步的，所述带通滤波的上限频率为2kHz。
有益效果：(1)本发明针对于在浅海声传播中，声波会受到海洋的上下界面的多径反射的情况，通过多径时延的计算方法，用单个水听器获得目标深度和距离信息；通过深度可识别目标是水下潜艇还是水面舰船，通过距离可用于判断打击对象是否进入水雷打击半径。
(2)本发明对水听器接收的信号依次进行带通滤波和快速傅里叶变换后，对其加权功率谱做反傅里叶变换得到的序列提取多径时延，进而得到水底与水面多径反射时延；根据水听器深度与海深，可以求得水下目标深度与距离；仅用单个水听器实现对水下目标深度与距离估计，与传统方法相比，无需采用庞大基阵和复杂软硬件，***成本低，适合于水雷上应用。
附图说明
图1是实施例中单个水听器接收信号频谱的反傅里叶变换随时间变化图；
图2是实施例中提取的湖面与湖底多径时延的时间历程图；
图3是实施例中单个水听器对水下目标深度的估计；
图4是实施例中单个水听器对水下目标水平距离的估计。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法，该方法的步骤如下：
第一步，单个水听器采集到的水下目标发出的信号；
第二步，采用滤波器对第一步中的信号按帧进行带通滤波处理，并对每一帧信号进行AD转换后，得到对应的序列x(n)，n＝0,…,N-1，N，N为一帧数据的长度，序列x(n)的个数与信号的帧数相同；本实施例中N为偶数(以便于计算处理)；且带通滤波的上限频率为2kHz，以便能够对较远的目标进行深度与距离的估计；
第三步，对序列x(n)做快速傅里叶变换，得到序列y(n)；
第四步，计算序列y(n)的加权功率谱，得到序列z(n)，z(n)＝|y(n)|2α；其中，0＜α＜1；
当α＝1时，z(n)为常规功率谱，对于水声环境中常常存在的有较强窄带分量的信号，无法提取多径时延峰值；
当α＜1时，对窄带分量有抑制作用，使多径时延峰值变得明显，提高了多径时延的估计精度，进而提高了深度和距离的估计性能；
第五步，对序列z(n)做反傅里叶变换，得到序列u(n)，序列u(n)的个数与信号的帧数相同；
第六步，由于序列u(n)得前一半与后一半是对称的，有效数据是前一半数据，因此，在n＝0～N/2-1的数据范围内提取多径时延的正峰与负峰(n＝0附近的数据起伏比较大，容易产生虚假峰值，数据起点一般不从0开始，从数据起伏比较小处，即n＝m处开始)；
在没有干扰只有信号的情况下，多径时延提取是对序列u(n)(n＝m，…，N/2-1，m﹥10)求极大值与极小值；但是，由于水声环境背景复杂，在序列u(n)(n＝m，…，N/2-1，m﹥10)中除信号外还存在各种干扰，有时干扰峰值会大于信号峰值；因此，利用信号峰值在相继时间上的连续性和干扰的随机性，以及目标过正横前多径时延增大，过正横后多径时延减小的特点，采用如下步骤提取多径时延：
步骤1，当前三帧信号对应的u(n)的数据都在上述[m,N/2-1]区间上搜索到峰值，且三帧信号的峰值对应的时延(所述时延包括水底多径时延和水面多径时延，三个水底多径时延和三个水面多径时延分别对比)依次增大，三个时延的差分小于由目标最大可能速度与帧长度决定的门限值(根据经验得到的已知值)时，则判定多径时延是由目标引起的，进入锁定模式；
步骤2，在锁定模式中，根据步骤1已知第三帧信号的时延，设第三帧信号的水底多径时延为τb1，水面多径时延为τb2，根据如下准则确定第四帧信号的搜索区间范围：
若E﹥Eb(E与Eb分别是第四帧和第三帧数据的能量积分值，能够根据现有公式推算得知的已知量)，则在[τb1-τl,τb1+τu]区间上搜索第四帧信号对应的u(n)的极大值，该极大值对应的值为水底多径时延，在[τb2-τl,τb2+τu]区间上搜索第四帧信号对应的u(n)的极小值，该极小值对应的值为水面多径反射时延，其中，τu﹥τl，τl的取值接近于0且大于0，τu小于目标最大可能速度与帧长度决定的门限值；
若E﹤Eb，则在[τb1-τl,τb1+τu]区间上搜索第四帧信号对应的u(n)的极大值，该极大值对应的值为水底多径时延，在[τb2-τl,τb2+τu]区间上搜索第四帧信号对应的u(n)的极小值，该极小值对应的值为水面多径反射时延，其中，τu﹤τl，τu的取值接近于0且大于0，τl小于目标最大可能速度与帧长度决定的门限值；
由于水听器与水下目标的距离时刻在变化，水听器收到的信号大小也时刻在变化，因此前后两帧数据的能量积分值不会相同；
假设上述搜索到的极大值为u(n1)，则第四帧信号的水底多径时延为t1＝n1/fs，搜索到的极小值为u(n2)，则第四帧信号的水面多径时延为t2＝n2/fs；其中，fs是A/D转换时的数据采样频率；
步骤3，根据第四帧信号的水底多径时延和水面多径时延，重复步骤2，可得出第五帧信号的水底多径时延和水面多径时延，依次类推，可以得到第六帧、第七帧…的水底多径时延t1和水面多径时延t2；
第七步，计算目标深度和目标水平距离；
式中，H是海深(即海面到海底的距离)，能够通过测量得到；z是单个水听器的深度(即单个水听器到海面的距离)，通过水听器搭载平台上的深度传感器测量得到；c是声速，通过声速仪测量得到，默认情况下取1500m/s；由于水底多径时延t1和水面多径时延t2是根据时间变化的，因此可以得到根据时间变化的目标深度和目标水平距离。
本实施例进行了验证；试验水域深度H＝100m，单个水听器深度z＝50m；目标为发射换能器，且发射换能器边发射信号边做垂直运动，深度从45m上升到20m；通过GPS测得发射换能器与单个水听器之间的水平距离为350m；
通过本实施例的方法计算目标深度和目标水平距离；图1是单个水听器接收信号频谱的反傅里叶变换随时间变化图，图2是提取的湖面与湖底多径时延的时间历程图，代入第六步中的公式，得到目标深度与目标水平距离分别如图3与图4所示，与实际情况基本吻合。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法，其特征在于，该方法如下：
根据单个水听器采集到的水下目标发出的信号，得到信号的水底多径时延t1和水面多径时延t2后，计算目标深度和目标水平距离；
目标深度
目标水平距离
式中，H是海深；z是单个水听器的深度；c是声速；由于水底多径时延t1和水面多径时延t2是根据时间变化的，因此可以得到根据时间变化的目标深度和目标水平距离。
2.如权利要求1所述的一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法，其特征在于，得到所述水底多径时延t1和水面多径时延t2的方法如下：
第一步，采用滤波器对单个水听器采集到的水下目标发出的信号按帧依次进行带通滤波处理、AD转换、快速傅里叶变换、加权功率谱及反傅里叶变换后，得到与信号的帧数相同个数的序列u(n)，n＝0,…,N-1，N，N为一帧数据的长度；
第二步，当前三帧信号对应的u(n)的数据均在[m,N/2-1]区间上搜索到峰值，且三帧信号的峰值对应的三个水底多径时延和三个水面多径时延分别依次增大，三个水底多径时延的差分和三个水面多径时延的差分均小于由目标最大可能速度与帧长度决定的门限值时，则判定多径时延是由目标引起的，进入锁定模式；其中，m﹥10；
在锁定模式中，设第三帧信号的水底多径时延为τb1，水面多径时延为τb2，则在[τb1-τl，τb1+τu]区间上搜索第四帧信号对应的u(n)的极大值，该极大值对应的值为水底多径时延，在[τb2-τl，τb2+τu]区间上搜索第四帧信号对应的u(n)的极小值，该极小值对应的值为水面多径时延；其中，若E﹥Eb，则τu﹥τl，τl大于0，τu小于目标最大可能速度与帧长度决定的门限值，E与Eb分别是第四帧和第三帧数据的能量积分值；若E﹤Eb，则τu﹤τl，τu大于0，τl小于目标最大可能速度与帧长度决定的门限值；
假设上述搜索到的极大值为u(n1)，则第四帧信号的水底多径时延为t1＝n1/fs，假设搜索到的极小值为u(n2)，则第四帧信号的水面多径时延为t2＝n2/fs；其中，fs是A/D转换时的数据采样频率；
依次类推，可以得到第五帧、第六帧、第七帧…的水底多径时延t1和水面多径时延t2。
3.如权利要求2所述的一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法，其特征在于，计算所述加权功率谱的方法如下：
设经过快速傅里叶变换后的序列为y(n)，计算加权功率谱后得到的序列为z(n)；
z(n)＝|y(n)|2α；其中，0＜α＜1。
4.如权利要求1所述的一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法，其特征在于，所述带通滤波的上限频率为2kHz。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109061654A (zh) * 2018-08-02 2018-12-21 西北工业大学 一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法
CN109444864A (zh) * 2018-12-21 2019-03-08 西北工业大学 一种深海微弱多目标深度长时累积估计方法
CN112816940A (zh) * 2020-12-23 2021-05-18 中国船舶重工集团有限公司第七一0研究所 一种基于声压及质点振速的目标距离估计方法及装置
CN112816964A (zh) * 2020-12-23 2021-05-18 中国船舶重工集团有限公司第七一0研究所 一种水雷光引信现场标定装置及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4975886A (en) * 1960-05-24 1990-12-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Detecting and ranging system
KR100800549B1 (ko) * 2006-09-20 2008-02-04 재단법인 포항산업과학연구원 초음파 근접센서
CN102394714A (zh) * 2011-08-06 2012-03-28 桂林市思奇通信设备有限公司 调频广播频段数字广播信号接收方法和接收***
CN107461611A (zh) * 2017-08-24 2017-12-12 南京邮电大学 基于小波和emd重构相结合的泄漏检测方法及泄漏检测装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4975886A (en) * 1960-05-24 1990-12-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Detecting and ranging system
KR100800549B1 (ko) * 2006-09-20 2008-02-04 재단법인 포항산업과학연구원 초음파 근접센서
CN102394714A (zh) * 2011-08-06 2012-03-28 桂林市思奇通信设备有限公司 调频广播频段数字广播信号接收方法和接收***
CN107461611A (zh) * 2017-08-24 2017-12-12 南京邮电大学 基于小波和emd重构相结合的泄漏检测方法及泄漏检测装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
孙华，等: "基于多径时延估计的单水听器被动定位", 《水雷战与舰船防护》 *
陈韶华，等: "浅海多径时延估计的功率谱加权自相关方法", 《声学学报》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109061654A (zh) * 2018-08-02 2018-12-21 西北工业大学 一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法
CN109061654B (zh) * 2018-08-02 2022-08-16 西北工业大学 一种深海环境下单圆环阵主动三维定位方法
CN109444864A (zh) * 2018-12-21 2019-03-08 西北工业大学 一种深海微弱多目标深度长时累积估计方法
CN112816940A (zh) * 2020-12-23 2021-05-18 中国船舶重工集团有限公司第七一0研究所 一种基于声压及质点振速的目标距离估计方法及装置
CN112816964A (zh) * 2020-12-23 2021-05-18 中国船舶重工集团有限公司第七一0研究所 一种水雷光引信现场标定装置及方法
CN112816940B (zh) * 2020-12-23 2023-06-06 中国船舶重工集团有限公司第七一0研究所 一种基于声压及质点振速的目标距离估计方法及装置
CN112816964B (zh) * 2020-12-23 2024-04-05 中国船舶重工集团有限公司第七一0研究所 一种水雷光引信现场标定装置及方法

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