CN113126030B - 基于宽带声场干涉结构的深海直达声区目标深度估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于宽带声场干涉结构的深海直达声区目标深度估计方法，所述方法包括：将垂直阵接收时域声场进行FFT处理得到频率‑接收深度频域声场，然后对归一化的频率‑接收深度频域声场进行常规波束形成处理，得到频率‑掠射角度波束输出；将频率‑掠射角度波束输出映射到声源深度‑掠射角度域的二维输出；对频率‑掠射角度波束输出进行能量求和，获得接收信号指向性输出，由此获得极值点；基于极值点，将声源深度‑掠射角度域的二维输出转换为声源深度‑时间连续估计；根据声速剖面引起的误差因子对为声源深度‑时间连续估计进行补偿，获得声源深度‑时间连续估计声速剖面修正结果。
Description
技术领域
本发明涉及水声物理领域，具体涉及基于宽带声场干涉结构的深海直达声区目标深度估计方法。
背景技术
水下目标深度信息的获取是分辨水下声源和水面声源的关键判据之一，也是一直以来水声学科的重点与难点问题。传统匹配场处理的声源定位方法在实际应用中对水声环境非常敏感，深度估计误差较大。深海环境下，靠近海底布放的水听器阵列可以在直达波能够到达的距离以内接收到近海面的水下声源激发的较低传播损失的声场，而且声场通常表现为随着接收距离和声源频率周期震荡的干涉图案，这一声场干涉结构对声源深度信息极为敏感，可以用来估计声源深度。目前利用这一现象进行声源深度估计的方法适用场景仍受较多限制，且深度估计的准确率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种利用深海座底垂直阵估计深海直达声区内水下宽带声源深度的方法，通过多重谱分析方法可以将垂直阵接收到的时域声场信号映射到声源深度-掠射角的二维空间，进而可以区分出深海水下多个宽带声源目标，同时估计出水下声源深度。这一方法建立在等声速模型的基础上的点源干涉声场，基于阵列接收频域信号干涉谱的分析，对原始信号分别进行了傅里叶变换、波束形成和改进傅里叶变换三次信号谱分析，不需要预知声源运动状态，同时波束形成结果还具有一定的抗空间噪声干扰能力。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于宽带声场干涉结构的深海直达声区目标深度估计方法，所述方法包括：
将垂直阵接收时域声场进行FFT处理得到频率-接收深度频域声场，然后对归一化的频率-接收深度频域声场进行常规波束形成处理，得到频率-掠射角度波束输出；
将频率-掠射角度波束输出映射到声源深度-掠射角度域的二维输出；
对频率-掠射角度波束输出进行能量求和，获得接收信号指向性输出，由此获得极值点；
基于极值点，将声源深度-掠射角度域的二维输出转换为声源深度-时间连续估计；
根据声速剖面引起的误差因子对为声源深度-时间连续估计进行补偿，获得声源深度-时间连续估计声速剖面修正结果。
作为上述方法的一种改进，所述将垂直阵接收时域声场进行FFT处理得到频率-接收深度频域声场，然后对归一化的频率-接收深度频域声场进行常规波束形成处理，得到频率-掠射角度波束输出；具体包括：
对于垂直阵的第n个阵元的接收信号p(t,zn)做傅里叶变换得到频域声场P(f,zn)：
其中，zn为第n个阵元的深度；
将频域声场P(f,zn)在所有阵元上做规范化处理：
其中，P'(f,zn)为归一化后的频域声场；N为阵元的总数；f为频点，频点个数为F个；
P(ω)为F个频率和N个阵元的接收声场P′(f,zn)组成的频域声场矩阵，ω＝2πf；
取海水平均声速为c，对于阵元间距为d的N元均匀分布的垂直线列阵，导向向量w(θ)为：
将同时形成指向θ1,θ2,…,θL的L个波束构成导向向量矩阵A(ω)：
A(ω)＝[w(θ1),w(θ2),…,w(θL)] (4)
则频率-掠射角度的波束输出B(ω,θ)为：
B(ω,θ)＝P(ω)A(ω), (5)
其中，矩阵B(ω,θ)大小为N×Nθ，Nθ是掠射角度个数。
作为上述方法的一种改进，所述将频率-掠射角度波束输出映射到声源深度-掠射角度域的二维输出，具体包括：
其中，M(z,sinθ)为声源深度-掠射角度域的二维输出，θ为掠射角，z为声源深度，k为波数，Δz为阵元间隔；
通过水下宽带声源在接收阵列上掠射角度和频域干涉间隔的差异，实现对接收的水下宽带声信号在掠射角度和声源深度上聚焦，进而从输出图中区分水中的多目标并估计水下目标深度。
作为上述方法的一种改进，所述声源深度z的取值范围为：
其中，[fmin,fmax]为宽带频率范围，fmin为频率最小值，fmax为频率最大值。
作为上述方法的一种改进，所述根据声速剖面引起的误差因子对为声源深度-时间连续估计进行补偿，获得声源深度-时间连续估计声速剖面修正结果，具体为：
其中，Ec为声速剖面引起的误差因子，
和De分别表示修正后的声源深度值和修正前的声源深度值。
本发明的优势在于：
1、本发明的方法可以在不依赖实测水文环境信息的情况下进行声源深度估计，同时该方法在计算过程中也不需要预知声源的运动状态(运动或静止)和接收阵真实深度，具有好的鲁棒性和实用性；
2、本发明的方法可以在复杂声源环境下，如海面强声源干扰和多个水下声源干涉声场叠加的环境，准确区分出水下声源并估计出声源深度。
附图说明
图1为本发明的多重谱声源深度估计方法的流程图；
图2(a)为仿真的环境参数示意图；
图2(b)为多个宽带声源环境下频率-波束角度输出图；
图3(a)为表1的第一行中的仿真环境下的多声源分辨与水下声源深度估计结果示意图；
图3(b)为表1的第二行中的仿真环境下的多声源分辨与水下声源深度估计结果示意图；
图3(c)为表1的第三行中的仿真环境下的多声源分辨与水下声源深度估计结果示意图；
图3(d)为表1的第四行中的仿真环境下的多声源分辨与水下声源深度估计结果示意图；
图3(e)为表1的第五行中的仿真环境下的多声源分辨与水下声源深度估计结果示意图；
图3(f)为表1的第六行中的仿真环境下的多声源分辨与水下声源深度估计结果示意图；
图3(g)为表1的第七行中的仿真环境下的多声源分辨与水下声源深度估计结果示意图；
图3(h)为表1的第八行中的仿真环境下的多声源分辨与水下声源深度估计结果示意图；
图4(a)为实验海区声速剖面示意图；
图4(b)为实验期间拖曳声源深度示意图；
图5(a)为单一时刻的单个水下声源深度估计结果；
图5(b)为单一时刻的输出结果和(b)长时间连续估计结果
图6(a)为强噪声干扰下的、发射信号前和发射信号中垂直阵首阵元接收信号的宽带频谱示意图；
图6(b)为强噪声干扰下的、发射信号前接收信号时的声源深度-掠射角度域输出；
图6(c)为强噪声干扰下的、接收到发射信号时的声源深度-掠射角度域输出图；
图7为声源深度-掠射角度图中两个水下声源分辨与估计结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提出了基于宽带声场干涉结构的深海直达声区目标深度估计方法，该方法包括：
首先利用声源深度估计方法从垂直阵接收的宽带声信号中提取到声源的信息。声源深度估计方法是基于阵列接收频域信号干涉谱的分析，相当于对原始信号分别进行了傅里叶变换、波束形成和改进傅里叶变换三次信号谱分析：
对于垂直阵实际接收信号p(t,zn)做傅里叶变换(FFT)得到
其次为了减小声源强度S(f)起伏的影响，需要对频域声场进行标准化，即
其中，P(f,zn)为第n个阵元的接收声场值，P'(f,zn)为归一化后的接收声场值；N为阵元的总数；f为频点，频点个数为F个，zn为第n个阵元的深度；
P(ω)为F个频率和N个阵元的接收声场P'(f,zn)组成的声场矩阵，ω＝2πf；
其次通过常规波束形成(CBF)可以将垂直阵接收声场投影到频率-掠射角中的频域宽带波束输出。
取海水平均声速为c，对于阵元间距为d的N元均匀分布的垂直线列阵，导向向量定义为
将同时形成指向θ1,θ2,…,θL的L个波束构成导向向量矩阵
A(ω)＝[w(θ1),w(θ2),…,w(θL)] (4)
则CBF处理后的输出为：
B(ω,θ)＝P(ω)A(ω) (5)
其中，频率-掠射角度的波束响应矩阵B(ω,θ)大小为N×Nθ，Nθ是掠射角度个数。
当波束角度θi与到达角相同时，波束输出不仅输出极大值点，而且加强原有的干涉结构。而声线的掠射角与声源频率无关，因而，这一宽带干涉结构在频率-掠射角中的波束输出图将呈现为在某一个角度下，在频率域等间隔的明暗干涉结构。
最后，通过改进傅里叶变换(改进FFT)分析方法对目标的深度进行估计，是将频谱归一化的垂直阵接收宽带声场通过频域常规波束形成后，映射到深度-掠射角度域的二维输出图中，即
其中，θ为掠射角，z为声源深度，k为波数，Δz为阵元间隔；
由公式(6)，可以通过水下宽带声源在接收阵列上掠射角度和频域干涉间隔的差异，实现对接收的水下宽带声信号在掠射角度和声源深度上聚焦，进而从输出图中区分水中的多目标并估计水下目标深度。
在频率范围(fmax-fmin)确定的情况下，可定位深度范围为：
当声源深度z，宽带频率范围[fmin,fmax]和掠射角θ满足上式不等式时，本发明的方法才能估计出声源深度。同时，要将接收水听器布放在尽可能深的位置以降低对频率范围的依赖，可以提高对浅声源深度估计的准确性。
根据实际声速剖面，通过MSDE方法仿真计算声源距离为Rc(或掠射角度为θc)的声源深度估计结果，计算深度估计在不同距离(或掠射角度)的相对误差Ec，对水下目标深度估计结果进行修正。
其中，
和De分别表示修正后的深度和MSDE方法估计深度。
图1为多重谱宽带声源深度估计方法各步骤流程图。为了验证深海宽带声源深度估计方法在典型深海环境下的适用情况，首先利用仿真程序KrakenC进行声场仿真，仿真参数如图2(a)所示。为了仿真深海多声源环境下的声源分辨与深度估计能力，模拟不同距离处三个水下声源与背景噪声的叠加声场，如图2(b)所示。仿真中用到的目标声源与背景噪声的参数如表1：
表1：仿真中用到的目标声源与背景噪声
图3(a)-图3(h)是将表1的各行所示的垂直阵接收的宽带声场数据变换到可以区分并估计多声源目标的声源深度-掠射角度输出图，图中虚线为计算得到的80～480Hz频段内的最小估计深度。从仿真结果中可知，在深度估计盲区外，该方法能够准确估计声源的深度，并能够对目标进行区分。
其次为了验证深海宽带声源深度估计方法在实际深海海洋环境中的应用效果，在某海域实施了深海水下声源被动定位实验。在海深约1600m处布放间距为6m的32元垂直接收水听器阵，利用拖曳水声换能器间断发射宽带白噪声信号模拟水下声源的辐射噪声，频率范围为50～320Hz，海上试验环境如图4(a)所示，将接收数据进行分帧处理转换到频域中后，利用宽带声源深度估计方法，将垂直阵接收的时域声压场变换到声源深度-掠射角度输出，如图4(b)所示。
图5(a)中为单个声源在单一时刻的深度估计结果，通过对角度能量极值点的追踪来消除随机噪声对接收信号的干扰，利用连续间断发射的宽带白噪声信号进行计算，可以得到如图5(b)所示的声源深度-时间结果。
在水面声源产生强噪声干扰的情况下，水下目标辐射声场的干涉信息会被掩盖，难以估计水下目标的深度。图6(a)中给出了在相距10s的时间段上，垂直阵首阵元接收的在发射信号前海面航船噪声频率谱和发射信号中水下声源与环境噪声的叠加频谱。由于噪声的掩盖，包含水下声源的信号频谱与仅含有水面航船噪声的频谱相似，难以将水下目标区分出来。
图6(b)和(c)为接收信号在声源深度-掠射角度域的输出图，接收声场在没有发射信号时不存在高能量的聚焦点，而当水下声源发射信号时，输出图在声源深度为19.5m处实现聚焦，聚焦点的深度略小于实际声源深度。
为了验证本发明中提出的声源深度估计方法对多个水下声源在实际环境下叠加声场的声源分辨与深度估计能力。根据声场的可加性，将接收到的拖曳声源在不同距离处的时域声场进行叠加来近似模拟两个水下声源环境下的声源深度估计能力。从图7中给出的声源深度-掠射角度输出图中，在声源深度分别为21.7m和22.1m处存在聚焦点，与拖曳平均深度22.36m基本一致。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种基于宽带声场干涉结构的深海直达声区目标深度估计方法，所述方法包括：
将垂直阵接收时域声场进行FFT处理得到频率-接收深度频域声场，然后对归一化的频率-接收深度频域声场进行常规波束形成处理，得到频率-掠射角度波束输出；
将频率-掠射角度波束输出映射到声源深度-掠射角度域的二维输出；
对频率-掠射角度波束输出进行能量求和，获得接收信号指向性输出，由此获得极值点；
基于极值点，将声源深度-掠射角度域的二维输出转换为声源深度-时间连续估计；
根据声速剖面引起的误差因子对为声源深度-时间连续估计进行补偿，获得声源深度-时间连续估计声速剖面修正结果；
所述将垂直阵接收时域声场进行FFT处理得到频率-接收深度频域声场，然后对归一化的频率-接收深度频域声场进行常规波束形成处理，得到频率-掠射角度波束输出；具体包括：
对于垂直阵的第n个阵元的接收信号p(t,zn)做傅里叶变换得到频域声场P(f,zn)：
其中，zn为第n个阵元的深度；
将频域声场P(f,zn)在所有阵元上做规范化处理：
其中，P'(f,zn)为归一化后的频域声场；N为阵元的总数；f为频点，频点个数为F个；
P(ω)为F个频率和N个阵元的接收声场P′(f,zn)组成的频域声场矩阵，ω＝2πf；
取海水平均声速为c，对于阵元间距为d的N元均匀分布的垂直线列阵，导向向量w(θ)为：
将同时形成指向θ1,θ2,…,θL的L个波束构成导向向量矩阵A(ω)：
A(ω)＝[w(θ1),w(θ2),…,w(θL)] (4)
则频率-掠射角度的波束输出B(ω,θ)为：
B(ω,θ)＝P(ω)A(ω), (5)
其中，矩阵B(ω,θ)大小为N×Nθ，Nθ是掠射角度个数；
所述将频率-掠射角度波束输出映射到声源深度-掠射角度域的二维输出，具体包括：
其中，M(z,sinθ)为声源深度-掠射角度域的二维输出，θ为掠射角，z为声源深度，k为波数，Δz为阵元间隔；
通过水下宽带声源在接收阵列上掠射角度和频域干涉间隔的差异，实现对接收的水下宽带声信号在掠射角度和声源深度上聚焦，进而从输出图中区分水中的多目标并估计水下目标深度。
2.根据权利要求1所述的基于宽带声场干涉结构的深海直达声区目标深度估计方法，其特征在于，所述声源深度z的取值范围为：
其中，[fmin,fmax]为宽带频率范围，fmin为频率最小值，fmax为频率最大值。
3.根据权利要求2所述的基于宽带声场干涉结构的深海直达声区目标深度估计方法，其特征在于，所述根据声速剖面引起的误差因子对为声源深度-时间连续估计进行补偿，获得声源深度-时间连续估计声速剖面修正结果，具体为：
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| 深海环境水声传播及声源定位方法研究;段睿;《中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》;20170815;第C028-13页 * |
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| Publication number | Publication date |
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| CN113126030A (zh) | 2021-07-16 |
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