CN112269163A - 一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法 - Google Patents

一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法 Download PDF

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CN112269163A CN202011060194.6A CN202011060194A CN112269163A CN 112269163 A CN112269163 A CN 112269163A CN 202011060194 A CN202011060194 A CN 202011060194A CN 112269163 A CN112269163 A CN 112269163A
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Abstract

本发明公开了一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法。利用放置于海底深度的单支三维矢量水听器，接收声源发出的声信号，生成声压谱和振速谱数据；由水平和垂直的声强互谱获得水平方位角估计值；利用估计值合成水平振速谱；由垂直声强互谱与合成水平声强互谱获得垂直到达角估计值；对声强谱进行高分辨谱估计获得调制频率，并利用调制频率获得声源深度估计结果；对声源在任一时间段的数据进行分段处理，联合绘制不同时段的水平方位角、垂直到达角和深度估计结果的跟踪曲线。本发明解决以往使用大型阵列通过空间扫描和导向空间匹配方法进行水中声源参数估计与跟踪的***复杂问题。

Description

一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟 踪方法
技术领域
本发明属于水中目标跟踪领域；具体涉及一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法。
背景技术
对水下目标的方位、距离和深度等参数进行估计是水下目标监测、探测和跟踪的核心任务。一般是使用大型阵列，但由于***复杂度大，信息处理压力大，***海上操作和布放困难，设计更为简化的***和优秀的跟踪方法需求迫切。
相对于一般的声压水听器只能获得声场的声压信息，三维矢量水听器可共点同步测量得到声场中的声压和质点振速信息，为声场信息的全面感知和获取创造了更有利的条件，也为简化***规模提供了可能的解决方案。利用单只矢量水听器可完成对自由场条件下目标方位的高精度估计，但无法实现对水下目标更为丰富信息的估计，且直接使用与海洋信道环境下的误差较大，这是目前存在的一大问题。
结合海洋信道条件，重新构造矢量水听器接收信号的声压振速声强互谱形式，将声源的水平方位角、垂直到达角和深度信息隐含于声强互谱之中，从而更为有效的利用海洋信道条件和矢量信息，通过解算，可同时获得水平方位角、垂直到达角和深度的估计结果，这一思想既可以解决目前信道条件下矢量水听器方位估计误差大的问题，也可利用信道信息追加获得垂直到达角和深度的估计结果，得到的声源信息更为丰富。与传统的垂直阵处理模式相比，仅使用三维矢量水听器就可以获得与阵列类似的垂直到达角结果，且无需利用信道模态滤波就可获得深度估计结果，这些因素都使得该思路具有极大的新颖性。此外，由于采用了坐底的布放使用模式，***布放后具有极高的隐蔽性，矢量水听器接收***所处海洋环境的背景噪声更低，且固定坐底安装后水听器姿态稳定，接收信号质量更好。
发明内容
本发明提供了一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法，该方法改善了以往使用大型阵列通过空间扫描和导向空间匹配方法进行水中声源参数估计与跟踪的***复杂问题，可获得简化***、高估计精度和高跟踪效率的有益效果。且***布放与海底，稳定性和隐蔽性更优，可为水中目标的跟踪和探测提供丰富的水平方位角、垂直到达角和深度联合信息，具有广阔的应用前景。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法，所述水中声源方位深度协同跟踪方法包括以下步骤：
步骤1：利用放置于海底深度的单支三维矢量水听器，接收靠近海面上部声源发出的声信号，生成声压谱和振速谱数据；
步骤2：基于步骤1的声压谱和振速谱数据，由水平x方向的声强和垂直y方向的声强互谱获得水平方位角估计值
Figure BDA0002712171570000021
步骤3：利用步骤2的水平方位角估计值
Figure BDA0002712171570000022
合成水平振速谱Vr(rs,zs,ω)；
步骤4：由垂直声强互谱与合成水平声强互谱获得垂直到达角估计值
Figure BDA0002712171570000023
步骤5：对步骤2的声强谱进行高分辨谱估计获得调制频率fperiod，并利用fperiod具有与矢量水听器的布放深度zs、波数k和加权平均入射角θs有关的周期性调制关系，获得声源深度估计结果
Figure BDA0002712171570000024
步骤6：对声源在任一时间段的数据进行分段处理，得到不同时段的水平方位角估计值
Figure BDA0002712171570000025
垂直到达角
Figure BDA0002712171570000026
和深度
Figure BDA0002712171570000027
估计结果，并联合绘制跟踪曲线。
进一步的，所述步骤1具体为，
设置矢量水听器所在位置为参考坐标系原点，根据虚源理论，接收点处接收到的由(rs,zs)处声源发出的声波，其声压谱表示为，
Figure BDA0002712171570000028
其中，P1(rs,zs,ω)和P2(rs,zs,ω)分别表示直达波和海面反射波的声压；声速为c时，波数为k＝ω/c；ω∈[ωl ωh]为角频率，ωl和ωh分别是分析频带的下限和上限；S(ω)是声源复谱振幅；η是海面反射系数，有η≈-1；Rs-和Rs+是直达波和海面反射波路径的倾斜距离，即
Figure BDA0002712171570000029
当zb＞＞zs，仅考虑直达波和海面反射波的相位差，则(1)式表达为：
Figure BDA00027121715700000210
其中，
Figure BDA00027121715700000211
sinθs＝H/Rs，H是海水深度，θs为直达波和海面反射波的加权平均入射角；zs为声源深度，rs为声源到接收水听器的水平距离；
矢量水听器接收到的水平x方向和y方向的质点振速谱表示为：
Figure BDA0002712171570000031
Figure BDA0002712171570000032
其中，ρ为海水密度；φs为声源入射方位角；θs1和θs2分别是直达波和表面反射波的垂直到达角；由于声源和接收器之间的深度间隔大，θs1和θs2都接近θs，公式(4)近似为
Figure BDA0002712171570000033
Figure BDA0002712171570000034
矢量水听器接收到的垂直z方向的质点振速谱表示为：
Figure BDA0002712171570000035
进一步的，所述步骤2具体为，
水平x方向的声强互谱Ix(rs,zs,ω)和y方向声强互谱Iy(rs,zs,ω)分别为：
Figure BDA0002712171570000036
Figure BDA0002712171570000037
其中，(公式中有笔误，应该均为P(rs,zs,ω)，公式(8)和(9)均已修改。)*表示复共轭算子，
根据y方向和x方向的声强互谱的比值确定水平方位角
Figure BDA0002712171570000038
Figure BDA0002712171570000039
其中，arctan表示反正切运算。
进一步的，所述步骤3具体为，
指向
Figure BDA00027121715700000310
方向的合成水平振速谱Vr(rs,zs,ω)表示为：
Figure BDA00027121715700000311
当
Figure BDA0002712171570000041
时，利用三角函数性质可知：
Figure BDA0002712171570000042
进一步的，所述步骤4具体为，
合成水平方向声强互谱Ir(rs,zs,ω)和垂直方向声强互谱Iz(rs,zs,ω)分别为：
Figure BDA0002712171570000043
Figure BDA0002712171570000044
根据垂直方向声强互谱和合成水平方向声强互谱的比值估计垂直到达角
Figure BDA0002712171570000045
Figure BDA0002712171570000046
进一步的，所述步骤5具体为，
利用(2)式中的声压谱近似形式，得到声强谱近似为，
Figure BDA0002712171570000047
上式表明，与zs、波数k和直达波和海面反射波的加权平均入射角θs有关的周期性调制项通过对声强谱的高分辨谱分析来估计，获得调制周期频率fperiod的估计结果；
在获得垂直到达角估计值
Figure BDA0002712171570000048
和声源深度估计结果
Figure BDA0002712171570000049
的基础上，利用调制频率fperiod满足
Figure BDA00027121715700000410
则有：
Figure BDA00027121715700000411
本发明的有益效果是：
1.本发明利用水面及水中声源在信道中的多途声场结构，通过单三维矢量水听器接收声压和振速信号，获得声压振速声强的内在参数联系，利用声强互谱估计，获得水平方位角、垂直到达角和深度估计结果，实现对水中声源的联合跟踪。
2.本发明声强互谱估计的抗噪效果良好，适用于一般情况下的水下声场环境，由于水听器布放于海底附近，干扰小，接收***布放稳定性高，可带来更高的接收信号质量。
3.本发明相比于一般使用的大型阵列，该***组成简单、估计参数完整丰富，无需空间扫描跟踪效率高是本专利方法的关键特点，在实际应用中具有较大的优势。
4.本发明仅利用单三维矢量水听器，即可同时获得水平方位角、垂直到达角和深度的估计结果，在***规模、信息丰富程度、估计精度和速度等方面均有明显提升。适用于水下目标监测、探测和跟踪等领域。
附图说明
附图1本发明方法流程图。
附图2本发明布置情况与声线示意图。
附图3本发明的联合跟踪曲线图。
附图4本发明的水平方位角跟踪曲线图。
附图5本发明的垂直到达角跟踪曲线图。
附图6本发明的深度跟踪曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法，所述水中声源方位深度协同跟踪方法包括以下步骤：
步骤1：利用放置于海底深度的单支三维矢量水听器，接收靠近海面上部声源发出的声信号，生成声压谱和振速谱数据；
步骤2：基于步骤1的声压谱和振速谱数据，由水平x方向的声强和垂直y方向的声强互谱获得水平方位角估计值
Figure BDA0002712171570000051
步骤3：利用步骤2的水平方位角估计值
Figure BDA0002712171570000052
合成水平振速谱Vr(rs,zs,ω)；
步骤4：由垂直声强互谱与合成水平声强互谱获得垂直到达角估计值
Figure BDA0002712171570000053
步骤5：对步骤2的声强谱进行高分辨谱估计获得调制频率fperiod，并利用fperiod具有与矢量水听器的布放深度zs、波数k和加权平均入射角θs有关的周期性调制关系，获得声源深度估计结果
Figure BDA0002712171570000061
步骤1公式(2)计算声压，步骤5的公式(16)在公式(2)的基础上计算了声强，用这个声强求得深度；
步骤6：对声源在任一时间段的数据进行分段处理，得到不同时段的水平方位角估计值
Figure BDA0002712171570000062
垂直到达角
Figure BDA0002712171570000063
和深度
Figure BDA0002712171570000064
估计结果，并联合绘制跟踪曲线，如图2所示。
进一步的，所述步骤1具体为，
海水深度为H，矢量水听器的布放深度为zb≈H，忽略海水声速分层带来的声线弯曲，并由于矢量水听器布放于海底附近而忽略海底反射波的影响，在深度为zs的水下声源产生的水下声场是直达波和海表面反射波的组合，如图1所示。
对于靠近海洋上部和底部区域的声源和水听器(声源和水听器之间的深度间隔较大，zb＞＞zs)，仅考虑直达波和海面反射波。设置矢量水听器所在位置为参考坐标系原点，根据虚源理论，接收点处接收到的由(rs,zs)处声源发出的声波，其声压谱表示为，
Figure BDA0002712171570000065
其中，P1(rs,zs,ω)和P2(rs,zs,ω)分别表示直达波和海面反射波的声压；声速为c时，波数为k＝ω/c；ω∈[ωlωh]为角频率，ωl和ωh分别是分析频带的下限和上限；S(ω)是声源复谱振幅；η是海面反射系数，有η≈-1；Rs-和Rs+是直达波和海面反射波路径的倾斜距离，即
Figure BDA0002712171570000066
当zb＞＞zs，仅考虑直达波和海面反射波的相位差，则(1)式表达为：
Figure BDA0002712171570000067
其中，
Figure BDA0002712171570000068
sinθs＝H/Rs，θs为直达波和海面反射波的加权平均入射角，zs为声源深度，rs为声源到接收水听器的水平距离。
矢量水听器接收到的水平x方向和y方向的质点振速谱表示为：
Figure BDA0002712171570000069
Figure BDA0002712171570000071
其中，ρ为海水密度；φs为声源入射方位角；θs1和θs2分别是直达波和表面反射波的垂直到达角；由于声源和接收器之间的深度间隔大，θs1和θs2都接近θs，公式(4)近似为
Figure BDA0002712171570000072
Figure BDA0002712171570000073
矢量水听器接收到的垂直z方向的质点振速谱表示为：
Figure BDA0002712171570000074
进一步的，所述步骤2具体为，
水平x方向的声强互谱Ix(rs,zs,ω)和y方向声强互谱Iy(rs,zs,ω)分别为：
Figure BDA0002712171570000075
Figure BDA0002712171570000076
其中，*表示复共轭算子，
根据y方向和x方向的声强互谱的比值确定水平方位角
Figure BDA0002712171570000077
Figure BDA0002712171570000078
其中，arctan表示反正切运算。
进一步的，所述步骤3具体为，
指向
Figure BDA0002712171570000079
方向的合成水平振速谱Vr(rs,zs,ω)表示为：
Figure BDA00027121715700000710
当
Figure BDA00027121715700000711
时，利用三角函数性质可知：
Figure BDA0002712171570000081
进一步的，所述步骤4具体为，
合成水平方向声强互谱Ir(rs,zs,ω)和垂直方向声强互谱Iz(rs,zs,ω)分别为：
Figure BDA0002712171570000082
Figure BDA0002712171570000083
根据垂直方向声强互谱和合成水平方向声强互谱的比值估计垂直到达角
Figure BDA0002712171570000084
Figure BDA0002712171570000085
进一步的，所述步骤5具体为，
利用(2)式中的声压谱近似形式，得到声强谱近似为，
Figure BDA0002712171570000086
上式表明，与zs、波数k和直达波和海面反射波的加权平均入射角θs有关的周期性调制项通过对声强谱的高分辨谱分析来估计，获得调制周期频率fperiod的估计结果；
在获得垂直到达角估计值
Figure BDA0002712171570000087
和声源深度估计结果
Figure BDA0002712171570000088
的基础上，利用调制频率fperiod满足
Figure BDA0002712171570000089
则有：
Figure BDA00027121715700000810
实施例2
海水深度为500m，单三维矢量水听器布放于距离海底1m处。声源频率为200Hz，采样率为3.2kHz，水中声速1480m/s。声源位于水下深度20m处，与水听器的水平方位角为45度，声源由水平距离矢量水听器10km处向15km处移动，对运动过程中的数据进行分段处理，每次快拍为1024，以保证合适的频谱分辨率。在谱级信噪比为10dB条件下，绘制运动过程中水平方位角、垂直到达角和深度联合跟踪曲线(如图2所示)，并对估计误差进行分析(如图3、4、5所示)。
对算例效果分析可知：本专利提出的方法，仅利用单支矢量水听器，即可对水中声源的水平方位角、垂直到达角和深度进行联合跟踪，***的构成简单，使用方便。跟踪过程的估计误差与真值进行对比证明，该方法有较高的精度，利用声强互谱计算的运算量小，且无需进行空间扫描，跟踪速度和效率较高。
相比于一般使用的大型阵列，该***组成简单、估计参数完整丰富，无需空间扫描跟踪效率高是本专利方法的关键特点，在实际应用中具有较大的优势。

Claims (6)

1.一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法，其特征在于，所述水中声源方位深度协同跟踪方法包括以下步骤：
步骤1：利用放置于海底深度的单支三维矢量水听器，接收靠近海面上部声源发出的声信号，生成声压谱和振速谱数据；
步骤2：基于步骤1的声压谱和振速谱数据，由水平x方向的声强和垂直y方向的声强互谱获得水平方位角估计值
Figure FDA0002712171560000011
步骤3：利用步骤2的水平方位角估计值
Figure FDA0002712171560000012
合成水平振速谱Vr(rs,zs,ω)；
步骤4：由垂直声强互谱与合成水平声强互谱获得垂直到达角估计值
Figure FDA0002712171560000013
步骤5：对步骤2的声强谱进行高分辨谱估计获得调制频率fperiod，并利用fperiod具有与矢量水听器的布放深度zs、波数k和加权平均入射角θs有关的周期性调制关系，获得声源深度估计结果
Figure FDA0002712171560000014
步骤6：对声源在任一时间段的数据进行分段处理，得到不同时段的水平方位角估计值
Figure FDA0002712171560000015
垂直到达角
Figure FDA0002712171560000016
和深度
Figure FDA0002712171560000017
估计结果，并联合绘制跟踪曲线。
2.根据权利要求1所述一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法，其特征在于，所述步骤1具体为，
设置矢量水听器所在位置为参考坐标系原点，根据虚源理论，接收点处接收到的由(rs,zs)处声源发出的声波，其声压谱表示为，
Figure FDA0002712171560000018
其中，P1(rs,zs,ω)和P2(rs,zs,ω)分别表示直达波和海面反射波的声压；声速为c时，波数为k＝ω/c；ω∈[ωlωh]为角频率，ωl和ωh分别是分析频带的下限和上限；S(ω)是声源复谱振幅；η是海面反射系数，有η≈-1；Rs-和Rs+是直达波和海面反射波路径的倾斜距离，即
Figure FDA0002712171560000019
当zb＞＞zs，仅考虑直达波和海面反射波的相位差，则(1)式表达为：
Figure FDA00027121715600000110
其中，
Figure FDA00027121715600000111
sinθs＝H/Rs，H是海水深度，θs为直达波和海面反射波的加权平均入射角；zs为声源深度，rs为声源到接收水听器的水平距离；
矢量水听器接收到的水平x方向和y方向的质点振速谱表示为：
Figure FDA0002712171560000021
Figure FDA0002712171560000022
其中，ρ为海水密度；φs为声源入射方位角；θs1和θs2分别是直达波和表面反射波的垂直到达角；由于声源和接收器之间的深度间隔大，θs1和θs2都接近θs，公式(4)近似为
Figure FDA0002712171560000023
Figure FDA0002712171560000024
矢量水听器接收到的垂直z方向的质点振速谱表示为：
Figure FDA0002712171560000025
3.根据权利要求1所述一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法，其特征在于，所述步骤2具体为，
水平x方向的声强互谱Ix(rs,zs,ω)和y方向声强互谱Iy(rs,zs,ω)分别为：
Figure FDA0002712171560000026
Figure FDA0002712171560000027
其中，*表示复共轭算子，
根据y方向和x方向的声强互谱的比值确定水平方位角
Figure FDA0002712171560000028
Figure FDA0002712171560000029
其中，arctan表示反正切运算。
4.根据权利要求1所述一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法，其特征在于，所述步骤3具体为，
指向
Figure FDA0002712171560000031
方向的合成水平振速谱Vr(rs,zs,ω)表示为：
Figure FDA0002712171560000032
当
Figure FDA0002712171560000033
时，利用三角函数性质可知：
Figure FDA0002712171560000034
5.根据权利要求1所述一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法，其特征在于，所述步骤4具体为，
合成水平方向声强互谱Ir(rs,zs,ω)和垂直方向声强互谱Iz(rs,zs,ω)分别为：
Figure FDA0002712171560000035
Figure FDA0002712171560000036
根据垂直方向声强互谱和合成水平方向声强互谱的比值估计垂直到达角
Figure FDA0002712171560000037
Figure FDA0002712171560000038
6.根据权利要求1所述一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法，其特征在于，所述步骤5具体为，
利用(2)式中的声压谱近似形式，得到声强谱近似为，
Figure FDA0002712171560000039
上式表明，与zs、波数k和直达波和海面反射波的加权平均入射角θs有关的周期性调制项通过对声强谱的高分辨谱分析来估计，获得调制周期频率fperiod的估计结果；
在获得垂直到达角估计值
Figure FDA00027121715600000310
和声源深度估计结果
Figure FDA00027121715600000311
的基础上，利用调制频率fperiod满足
Figure FDA00027121715600000312
则有：
Figure FDA0002712171560000041
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