CN117075114A - 一种深海可靠声路径主动水声目标距离和深度的联合估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种深海可靠声路径主动水声目标距离和深度的联合估计方法，所述联合估计方法包括以下步骤：(1)构建测量声场；(2)获取目标距离R与回波时延τ的关系图；(3)提取目标回波数据，估计目标的回波时延τ；(4)根据回波时延τ，估计目标距离R；(5)依据目标距离R计算回波信号的到达俯仰角(6)构建拷贝场回波宽带干涉结构Brpl(ω,z)；(7)计算实测目标回波的宽带干涉结构Bdata(ω)；(8)通过匹配假定目标深度z下的拷贝场回波宽带干涉结构Bdata(ω)与实测目标回波的宽带干涉结构，构建模糊度面Amb(z)，进行目标深度的估计。本发明通过匹配假定目标深度下的拷贝场回波宽带干涉结构与实测目标回波的宽带干涉结构，解决了现有技术中存在的主动目标深度不便估计的问题。

Description

一种深海可靠声路径主动水声目标距离和深度的联合估计 方法
技术领域
本发明涉及水声定位与识别的技术领域，尤其是涉及一种深海可靠声路径主动水声目标距离和深度的联合估计方法。
背景技术
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200m以浅声源的检测和定位。实验观测到深海临界深度下的背景噪声谱级要比临界深度以上的背景噪声谱级低5-20dB，且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10–20dB。因此，利用布放在深海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，各种各样的可靠声路径定位方法陆续被提出和研究。McCargar etal.,and Zurk and Kniffin et al.考虑到直达路径和海面反射路径的叠加(劳埃德镜干涉现象)引起的距离-深度平面内的干涉条纹，并解释了对于一个窄带信号，信号的能量作为距离的函数受到了声源深度的调制变化，这种深度调制变化可用于声源深度的估计。
对于宽带信号，Yang等人解释了声强作为频率的函数受声源深度的调制，并利用频谱的周期性可以实现声源的深度估计。Duan等人使用扩展的卡曼滤波，利用声场干涉结构估计声源深度，并且利用单水听器多途结构实现了声源的定位。对窄带信号，声源深度估计多是基于劳埃德镜干涉的深度调制特征。每一帧垂直阵数据经波束形成处理可生成波束能量随到达角和时间的变化，可从中提取出峰值能量到达角及其对应的波束能量。广义的傅里叶变换用于提取声源的深度，基于波束能量周期性的方法也被用于声源深度的估计，但这两种方法都需要覆盖一个完整的干涉周期。
上述中的现有技术方案存在以下缺陷：目前，深海可靠声路径探测的研究方向主要集中于被动目标定位的理论与方法，缺乏估计主动目标距离和深度的方法。
发明内容
本发明要解决的问题是针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种深海可靠声路径主动水声目标距离和深度的联合估计方法，其解决了现有技术中存在的缺乏估计主动目标距离和深度的方法。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：一种深海可靠声路径主动水声目标距离和深度的联合估计方法，所述联合估计方法包括以下步骤：
(1)构建测量声场；
(2)射线模型声场仿真程序BELLHOP根据输入的深海环境信息计算出深海可靠声路径到达结构，得到目标距离R与回波时延τ的关系图；
(3)提取目标回波数据，比较目标回波与发射信号的时延差，估计目标的回波时延τ；
(4)对照目标距离R与回波时延τ的关系图，根据回波时延τ，估计目标距离R；
(5)依据目标距离R计算回波信号的到达俯仰角
式中，zr为回波数据的接收深度；
(6)构建假定目标深度z下的拷贝场回波宽带干涉结构Brpl(ω,z)：
式中，ω为角频率，A表示常数幅度项，S(ω)表示声源的频谱，k为波数，表示回波信号的到达俯仰角；
(7)取目标回波数据的傅里叶变换后在处理带宽内的幅度变化作为实测目标回波的宽带干涉结构Bdata(ω)：
式中,ω为角频率,τ表示目标的回波时延，表示回波信号的到达俯仰角；
(8)通过匹配假定目标深度z下的拷贝场回波宽带干涉结构Bdata(ω)与实测目标回波的宽带干涉结构，构建模糊度面Amb(z)，进行目标深度的估计：
式中，ω1表示角频率的上限，ω2表示角频率的下限。
本发明进一步设置为：所述模糊度面峰值出现的位置，即为估计的目标深度。
综上所述，本发明的有益技术效果为：本发明提出“一种深海可靠声路径主动水声目标距离和深度的联合估计方法”，针对深海环境下可靠声路径主动目标高精度定位的难题，考虑到布放在临界深度下的垂直阵，经可靠声路径传播的一个显著特征是目标距离与主动回波时延的一一对应关系，该方法通过估计主动目标回波时延，并基于射线模型计算得到的目标距离与主动回波时延的一一对应关系，进行目标距离的估计，在距离估计的基础上，通过匹配假定目标深度下的拷贝场回波宽带干涉结构与实测目标回波的宽带干涉结构，进行目标深度的估计。
附图说明
图1是本发明中测量声场的示意图；
图2是本发明中深海可靠声路径主动水声目标距离和深度的联合估计方法的流程图；
图3是本发明中典型Munk声速剖面图；
图4是本发明中声源深度50m时，可靠声路径声传播的损失分布图；
图5是本发明中不同目标深度条件下，主动目标回波时延与目标距离的关系图；
图6是本发明中回波信号到达俯仰角与目标距离的关系图；
图7是本发明中目标距离5km时，不同目标深度对应的宽带干涉结构变化图；
图8是本发明中在信噪比为5dB的环境下，目标深度为10m和50m时，干涉结构提取与目标深度估计的关系图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明提出了一种深海可靠声路径主动水声目标距离和深度的联合估计方法，该联合估计方法包括以下步骤：
(1)构建测量声场。
所述步骤(1)中，图1为本发明中测量声场的示意图，测量声场包括目标、收发合置换能器，收发合置换能器在水中能够作为发射声源和接收水听器进行工作，收发合置换能器作为发射声源工作时，收发合置换能器能够发出声信号，收发合置换能器作为接收水听器工作时，收发合置换能器能够接收目标的声信号。
(2)射线模型声场仿真程序BELLHOP根据输入的深海环境信息计算出深海可靠声路径到达结构，得到目标距离R与回波时延τ的关系图。
所述步骤(2)中，射线模型声场仿真程序BELLHOP是依据射线跟踪从而在海洋环境之中预测声压的模型，它是基于几何和物理的传播规律，可以实现包括高斯波束和帽形波束等多种类型的射线。BELLHOP能产生各种有用的输出信息，包括传输损耗，本征声线，到达和接收的时间序列等。BELLHOP模型在600Hz-30kHz的频率范围内的实验数据与理论模型比较相符，使用BELLHOP模型对水声信道仿真能够有效地预测水声信道的数据以及工作性能。
所述步骤(2)中，深海环境包含深海水文信息和海底高程信息。
(3)提取目标回波数据，比较目标回波与发射信号的时延差，估计目标的回波时延τ。
所述步骤(3)中，目标回波数据由深海主动声呐采集得到。
(4)对照目标距离R与回波时延τ的关系图，根据回波时延τ，估计目标距离R。
(5)依据目标距离R计算回波信号的到达俯仰角
式中，zr为回波数据的接收深度。
(6)构建假定目标深度z下的拷贝场回波宽带干涉结构Brpl(ω,z)：
式中，ω为角频率，A表示常数幅度项，S(ω)表示声源的频谱，k为波数，表示回波信号的到达俯仰角。
(7)取目标回波数据的傅里叶变换后在处理带宽内的幅度变化作为实测目标回波的宽带干涉结构Bdata(ω)：
式中,ω为角频率,τ表示目标的回波时延，表示回波信号的到达俯仰角。
(8)通过匹配假定目标深度z下的拷贝场回波宽带干涉结构Bdata(ω)与实测目标回波的宽带干涉结构，构建模糊度面Amb(z)，进行目标深度的估计。
式中，ω1表示角频率的上限，ω2表示角频率的下限。
所述步骤(8)中，模糊度面峰值出现的位置，即为估计的目标深度。
本发明是这样实现的：
如图3和4所示，距离25km范围内，近海底可靠声路径的传播损失小于近海面可靠声路径的传播损失，因此可以利用近海底可靠声路径的传播损失小于同等距离近海面处传播损失的优势，利用布放在近海底的大孔径垂直阵列进行近海面声源目标的探测。
如图5所示，根据不同目标深度情况下，主动目标回波时延随目标距离的变化曲线，可以看出主动目标回波时延随目标距离的增加是单调增加的，但由于深海声速剖面导致的声线弯曲，主动目标回波时延与目标距离并不是绝对的线性关系。此外，观察目标深度10m、100m、300m及500m对应的四条曲线可以发现，对500m以浅的浅表层目标，不同目标深度情况下，主动目标回波时延与目标距离的对应关系变化不大。因此，可基于提取的主动目标回波时延，依据主动目标回波时延与目标距离的对应关系进行目标距离的估计。
如图6所示，根据典型Munk水文环境下，可靠声路径主动目标回波到达俯仰角随目标距离的变化，可以看出回波信号的俯仰角与目标距离是一一对应的。因此，在目标距离估计的基础上，利用回波信号的俯仰角与目标距离的对应关系，进行回波信号到达俯仰角的估计。
如图7所示，根据目标距离5km时，不同目标深度对应的宽带干涉结构变化，可以看出信号幅度随频率呈现显著的振荡起伏，且目标深度越大，振荡起伏越快，干涉周期越小。因此可基于宽带干涉结构的特征匹配实现目标深度的估计。
如图8所示，在信噪比为5dB的环境下，目标深度为10m和50m情况下，干涉结构提取与目标深度估计结果，可以看出噪声的影响使得干涉结构变得杂乱，但通过匹配宽带干涉结构处理仍可准确的估计出目标的深度，且信噪比5dB情况下，峰值处匹配系数相比背景处匹配系数高出约0.3。
本发明提出“一种深海可靠声路径主动水声目标距离和深度的联合估计方法”，针对深海环境下可靠声路径主动目标高精度定位的难题，考虑到布放在临界深度下的垂直阵，经可靠声路径传播的一个显著特征是目标距离与主动回波时延的一一对应关系，该方法通过估计主动目标回波时延，并基于射线模型计算得到的目标距离与主动回波时延的一一对应关系，进行目标距离的估计，在距离估计的基础上，通过匹配假定目标深度下的拷贝场回波宽带干涉结构与实测目标回波的宽带干涉结构，进行目标深度的估计。
本发明可支撑深海新型主动探测装备设计与研制，具有一定的创新意义。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种深海可靠声路径主动水声目标距离和深度的联合估计方法，其特征在于，所述联合估计方法包括以下步骤：
(1)构建测量声场；
(2)射线模型声场仿真程序BELLHOP根据输入的深海环境信息计算出深海可靠声路径到达结构，得到目标距离R与回波时延τ的关系图；
(3)提取目标回波数据，比较目标回波与发射信号的时延差，估计目标的回波时延τ；
(4)对照目标距离R与回波时延τ的关系图，根据回波时延τ，估计目标距离R；
(5)依据目标距离R计算回波信号的到达俯仰角
式中，zr为回波数据的接收深度；
(6)构建假定目标深度z下的拷贝场回波宽带干涉结构Brpl(ω,z)：
式中，ω为角频率，A表示常数幅度项，S(ω)表示声源的频谱，k为波数，表示回波信号的到达俯仰角；
(7)取目标回波数据的傅里叶变换后在处理带宽内的幅度变化作为实测目标回波的宽带干涉结构Bdata(ω)：
式中,ω为角频率,τ表示目标的回波时延，表示回波信号的到达俯仰角；
(8)通过匹配假定目标深度z下的拷贝场回波宽带干涉结构Bdata(ω)与实测目标回波的宽带干涉结构，构建模糊度面Amb(z)，进行目标深度的估计：
式中，ω1表示角频率的上限，ω2表示角频率的下限。
2.根据权利要求1所述的一种深海可靠声路径主动水声目标距离和深度的联合估计方法，其特征在于：所述模糊度面峰值出现的位置，即为估计的目标深度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117590369A (zh) * 2024-01-18 2024-02-23 汉江国家实验室 一种深海目标深度估计方法、装置、设备及存储介质

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117590369A (zh) * 2024-01-18 2024-02-23 汉江国家实验室 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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