一种基于深海垂直阵的水下目标自主分辨及深度估计方法

1.本发明属于水声物理技术领域，尤其涉及一种基于深海垂直阵的水下目标自主 分辨及深度估计方法。


背景技术：

2.水下目标深度信息的获取是分辨水下目标和水面目标的关键判据之一，也是一 直以来水声学科的重点与难点问题。传统匹配场处理目标定位方法将仿真的拷贝声 场数据与实际测量的水声数据做相关处理，从而通过距离、深度上的模糊表面来确 定目标的距离和深度。对于深海水下目标，在复杂背景噪声干扰环境下，目标深度 信息也是识别目标线谱的重要特征。受大深度波导及典型深海水文分布的影响，深 海声场时空分布与浅海有显著差别，靠近海底布放的水听器可以在中等距离以内接 收到水下目标激发的较低传播损失的声场，接收声场干涉结构对目标深度信息极为 敏感，可以用来估计目标深度。结合水声环境背景噪声特性，以水声目标-环境耦合 声场特征为基础提取水下目标的线谱特征在实际海洋环境中更具有优势，也是解决 深海环境下水面水下声目标自主分辨监测这一迫切需要的关键问题的前提。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于深海垂直阵的水下目标 自主分辨及深度估计方法。
4.为了实现上述目的，本发明提出了一种基于深海垂直阵的水下目标自主分辨及 深度估计方法，所述方法包括：
5.步骤1)根据垂直水听器阵列相关参数，利用声场计算软件仿真不同深度下的接 收声场；
6.步骤2)对垂直水听器阵列实际采集的时域声场进行傅里叶变换和波束形成处 理，并规范到多个子频带范围内，再将预先计算的目标航行轨迹与变换到波束-时间 域内的实测声场进行匹配处理，利用一维信号峰值估计算法估计线谱的频率，得出 目标轨迹声场；
7.步骤3)对不同深度下仿真的接收声场和目标轨迹声场进行相关处理，实现水面 水下目标的自主分辨和深度估计。
8.作为上述方法的一种改进，所述步骤1)的垂直水听器为阵元间距为d的n元均 匀分布的垂直线列阵。
9.作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：
10.利用声场计算软件得到垂直线列阵在不同接收深度zn的频率域仿真信号p
sim
(f,zn)，f表示频率；由nf个频率和n个阵元的频率域仿真信号p
sim
(f,zn)组成 仿真接收声场矩阵p
sim
(f,zn)；
11.根据垂直线列阵所处深度zr的海水平均声速c(zr)，由下式得到垂直线列阵的 指
向角θ的导向向量w(f,θ)：
[0012][0013]
其中，f为频点，θ为指向的角度，d为垂直线列阵的阵元间距，t表示转置；
[0014]
从而将同时形成指向θ1,θ2,
…
,θ
l
的l个波束构成导向向量矩阵a(f)：
[0015]
a(f,θ)＝[w(f,θ1),w(f,θ2),
…
,w(f,θ
l
)]
[0016]
由仿真接收声场矩阵p
sim
(f,zn)和导向向量矩阵a(f,θ)得到频率-掠射角度的 仿真波束响应矩阵b
sim
(f,θ)为：
[0017]bsim
(f,θ)＝|p
sim
(f,zn)a(f,θ)|2[0018]
其中，仿真波束响应矩阵b
sim
(f,θ)的大小为nf×nθ
，n
θ
是掠射角度个数；
[0019]
根据目标频率取值为f1,f2,
…
,共nf个频率点；目标深度取值为 d1,d2,
…
,共nd个目标深度点，接收距离为r1,r2,
…
,共nr个接收距离点， 计算nd个目标深度点和nr个接收距离点下的仿真波束响应矩阵b
sim
(f,θ,d,r)；
[0020]
取不同接收距离点上的仿真波束响应矩阵b
sim
(f,θ,d,r)的最大值组成拷贝波束 响应矩阵b
copy
(f,θ,d)为：
[0021][0022]
作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：
[0023]
步骤2-1)对垂直水听器阵列实际采集的时域声场进行傅里叶变换和波束形成处 理，得到实测波束响应矩阵；
[0024]
步骤2-2)将实测波束响应矩阵规范到多个子频带范围内，将预先计算的待测目 标航行轨迹与变换到波束-时间域内的实测声场进行匹配处理；利用一维信号峰值估 计算法估计线谱的频率，得出待测目标的线谱频率、航速和水平距离，进而得到沿 待测目标运动轨迹的波束响应矩阵。
[0025]
作为上述方法的一种改进，所述步骤2-1)具体包括：
[0026]
对垂直水线列阵采集的时域信号p(t,zn)进行快速傅里叶变换，得到频率域信号 p(f,zn)：
[0027][0028]
其中，f表示频率，t表示时间，zn表示信号幅值；
[0029]
由nf个频率和n个阵元的频率域信号p(f,zn)组成实测接收声场矩阵 p(f,zn)；
[0030]
根据接收声场矩阵p(f,zn)和步骤1)得到的导向向量矩阵a(f,θ)，由下式得到 频率-掠射角度的实测波束响应矩阵b(f,θ)为：
[0031]
b(f,θ)＝|p(f,zn)a(f,θ)|2,
[0032]
其中，实测波束响应矩阵b(f,θ)的大小为nf×nθ
，n
θ
是掠射角度个数。
[0033]
作为上述方法的一种改进，所述步骤2-2)具体包括：
[0034]
将实测波束响应矩阵b(f,θ)采用下采样方式规范到一定频段范围内，得到由 b
′
(fn,θm)组成的规范后波束响应矩阵b
′
(f,θ)，其中，矩阵频段范围为等间隔的频 率点fn+1-fn＝δf，b
′
(fn,θm)为(f
n-δf＜fi＜fn+δf) 频段内b(fi,θm)的最大值：
[0035][0036]
以时间间隔δt，δt＝t
n+1-tn，将共n
t
个时刻的规范后波 束响应矩阵b
′
(f,θ)组成一个三维波束响应矩阵s(f,θ,t)，其中，三维波束响应矩阵 中的元素
[0037]
根据垂直线列阵所处深度zr的海水平均声速c(zr)，待测目标所处深度zs的海水 平均声速c(zs)，声线在垂直线列阵处的掠射角θr，声速剖面c(z)，由下式得到本征 声线的水平传播距离r(θr)为：
[0038][0039]
进而得到对应θr的不同取值θ1,θ2,
…
,θ
l
，相应的水平传播距离 r1(θ1),r2(θ2),
…
,r
l
(θ
l
)；
[0040]
根据待测目标距离垂直线列阵位置的最近距离r
min
，航速v，在当前时刻t1待测 目标相对航线最近点的水平距离为r，由下式得到待测目标与垂直线列阵的水平投 影距离r
sr
为：
[0041][0042]
根据r(θr)，结合上式得到垂直线列阵的掠射角θr和时间t的对应关系为：
[0043][0044]
由此绘制二维曲线，在设定的参数范围内为v,r,r
min
赋值，并分别计算不同赋值 下的轨迹能量，从中得到频率为fi时的最大轨迹能量e(fi)为：
[0045][0046]
针对频率范围为共nf个频点的水声目标线谱的频率， 判断某个频点fi的能量是否满足下式，判断为是，则频点fi为目标 线谱频率：
[0047][0048]
其中，e0为预设的检测阈；
[0049]
取目标线谱频率对应的最大轨迹能量的参数，从而得到待测目标的航速距离接收阵位置的最近距离结合待测目标与垂直线列阵的水平投影距离r
sr
的公式，
理，并规范到多个子频带范围内，再将预先计算的目标航行轨迹与变换到波束-时间 域内的实测声场进行匹配处理，利用一维信号峰值估计算法估计线谱的频率，得出 目标轨迹声场；
[0084]
步骤3)对不同深度下仿真的接收声场和目标轨迹声场进行相关处理，实现水面 水下目标的自主分辨和深度估计
[0085]
具体的技术方案如下：
[0086]
步骤一：
[0087]
取接收阵所处深度zr的海水平均声速为c(zr)，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(f,θ)为：
[0088][0089]
f为频点，θ为指向的角度。将同时形成指向θ1,θ2,
…
,θ
l
的l个波束构成导向 向量矩阵a(f)：
[0090]
a(f,θ)＝[w(f,θ1),w(f,θ2),
…
,w(f,θ
l
)]
ꢀꢀꢀ
(2)
[0091]
则频率-掠射角度的波束响应矩阵b(f,θ)为：
[0092]
b(f,θ)＝|p(f,zn)a(f,θ)|2,
ꢀꢀꢀ
(3)
[0093]
其中，矩阵p(f,zn)为nf个频率和n个阵元的频域仿真声压场p(f,zn)组成的 声场矩阵，矩阵b(f,θ)大小为nf×nθ
，n
θ
是掠射角度个数。目标频率取值为 f1,f2,
…
,共nf个频率点；目标深度取值为d1,d2,
…
,共nd个目标深度 点；接收距离为r1,r2,
…
,共nr个接收距离点。计算nd个目标深度点和nr个 接收距离点下的波束响应矩阵b(f,θ,d,r)。
[0094]
取不同接收距离点上的波束响应矩阵的最大值组成拷贝波束响应矩阵 b
copy
(θ,d)
[0095][0096]
步骤二：
[0097]
采用如下快速傅里叶变换将垂直水听器阵列接收到的时域信号p(t,zn)变换到 频率域p(f,zn)，
[0098][0099]
取接收阵所处深度zr的海水平均声速为c(zr)，对于阵元间距为d的n元均匀 分布的垂直线列阵，根据公式(1)和公式(2)同样可以得到频率-掠射角度的波束 响应矩阵b(f,θ)为：
[0100]
b(f,θ)＝|p(f,zn)a(f,θ)|2,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0101]
其中，矩阵p(f,zn)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，矩阵b(f,θ)大小为f
×nθ
，n
θ
是掠射角度个数。
[0102]
然后，将矩阵b(f,θ)采用下采样方式规范到一定频段范围内，频段范围为等间 隔的频率点f
n+1-fn＝δf，(n＝1,2,
…
,n
f-1)，新得到的矩阵 b
′
(f,θ)是由
[0117]
步骤三：
[0118]
根据公式(8)实测声场波束响应矩阵s(f,θ,t)和目标运动轨迹得到实测 目标轨迹的波束响应输出b
real
(t)
[0119][0120]
根据公式(4)拷贝波束响应矩阵b
copy
(θ,d)和目标运动轨迹得到不同目 标深度下的拷贝运动轨迹波束响应输出b
copy1
(t,d)
[0121][0122]
式中，目标深度d取值范围为d1,d2,
…
,时间t的取值范围为t1,t2,
…
,tn,
…
,利用公式(13)和公式(14)计算实测目标轨迹的波束响应输出和不同目标深度下 拷贝运动轨迹波束响应输出之间的相关系数
[0123][0124]
式中，和分别表示在时间范围内取均值。取不同声源深 度下相关系数最大值所对应的深度为d
max
，给定以下条件作为区分水下声源和水面 声源的条件
[0125][0126]
式中d
surface
为本方法给定的水下目标和水面目标的分界深度。当利用公式(16) 判定为水下目标是，水下目标的估计深度即为d
max
。
[0127]
实施例2
[0128]
本发明的实施例2提出了一种基于深海垂直阵的水下目标自主分辨及深度估计 系统，基于实施例1的方法实现，所述系统包括：接收声场仿真模块、目标轨迹声 场生成模块和相关处理判断模块；其中，
[0129]
所述接收声场仿真模块，用于根据垂直水听器阵列相关参数，利用声场计算软 件仿真不同深度下的接收声场；
[0130]
目标轨迹声场生成模块，用于对垂直水听器阵列实际采集的时域声场进行傅里 叶变换和波束形成处理，并规范到多个子频带范围内，再将预先计算的目标航行轨 迹与变换到波束-时间域内的实测声场进行匹配处理，利用一维信号峰值估计算法估 计线谱的频率，得出目标轨迹声场；
[0131]
相关处理判断模块，用于对不同深度下仿真的接收声场和目标轨迹声场进行相 关处理，实现水面水下目标的自主分辨和深度估计。
[0132]
仿真实例
[0133]
图1为目标运动航迹与垂直阵位置，假设目标的运动状态为匀速直线运动，距 离
接收阵位置的最近距离为r
min
＝r0，目标航速为v，当前时刻为t1时刻，当前时刻 目标位置相对航线最近点的水平距离为r。
[0134]
图2为水下目标数据计算的目标最大轨迹能量e(fi)，频率范围为50hz— 150hz。根据公式(10)，令e0＝5db，可以估计出目标特征线谱频率为105hz和 126hz。
[0135]
图3为在f＝105hz时公式(15)计算的实测目标轨迹的波束响应输出和不同目 标深度下拷贝运动轨迹波束响应输出之间的相关系数。相关系数最大值所对应的深 度为d
max
＝100米，取d
surface
＝20，满足d
max
＞d
surface
且corr(d
max
)＞0.5，根据公式(16) 可以判断为水下目标，目标深度为100米。
[0136]
图4为在f＝126hz时公式(15)计算的实测目标轨迹的波束响应输出和不同目 标深度下拷贝运动轨迹波束响应输出之间的相关系数。相关系数最大值所对应的深 度为d
max
＝99米，取d
surface
＝20，满足d
max
＞d
surface
且corr(d
max
)＞0.5，根据公式(16) 可以判断为水下目标，目标深度为99米。
[0137]
图5为水面目标数据计算的目标最大轨迹能量e(fi)，频率范围为50hz— 150hz。根据公式(10)，令e0＝5db，可以估计出目标特征线谱频率为90hz和147hz。
[0138]
图6为在f＝90hz时公式(15)计算的实测目标轨迹的波束响应输出和不同目 标深度下拷贝运动轨迹波束响应输出之间的相关系数。相关系数最大值所对应的深 度为d
max
＝9米，取d
surface
＝20，不满足d
max
＞d
surface
且corr(d
max
)＞0.5，根据公式(16) 可以判断为水面目标，目标深度为9米。
[0139]
图7为在f＝147hz时公式(15)计算的实测目标轨迹的波束响应输出和不同目 标深度下拷贝运动轨迹波束响应输出之间的相关系数。相关系数最大值所对应的深 度为d
max
＝11米，取d
surface
＝20，不满足d
max
＞d
surface
且corr(d
max
)＞0.5，根据公式(16) 可以判断为水下目标，目标深度为11米。
[0140]
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。

技术特征：
1.一种基于深海垂直阵的水下目标自主分辨及深度估计方法，所述方法包括：步骤1)根据垂直水听器阵列相关参数，利用声场计算软件仿真不同深度下的接收声场；步骤2)对垂直水听器阵列实际采集的时域声场进行傅里叶变换和波束形成处理，并规范到多个子频带范围内，再将预先计算的目标航行轨迹与变换到波束-时间域内的实测声场进行匹配处理，利用一维信号峰值估计算法估计线谱的频率，得出目标轨迹声场；步骤3)对不同深度下仿真的接收声场和目标轨迹声场进行相关处理，实现水面水下目标的自主分辨和深度估计。2.根据权利要求1所述的基于深海垂直阵的水下目标自主分辨及深度估计方法，其特征在于，所述步骤1)的垂直水听器为阵元间距为d的n元均匀分布的垂直线列阵。3.根据权利要求2所述的基于深海垂直阵的水下目标自主分辨及深度估计方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：利用声场计算软件得到垂直线列阵在不同接收深度z
n
的频率域仿真信号p
sim
(f,z
n
)，f表示频率；由n
f
个频率和n个阵元的频率域仿真信号p
sim
(f,z
n
)组成仿真接收声场矩阵p
sim
(f,z
n
)；根据垂直线列阵所处深度z
r
的海水平均声速c(z
r
)，由下式得到垂直线列阵的指向角θ的导向向量w(f,θ)：其中，f为频点，θ为指向的角度，d为垂直线列阵的阵元间距，t表示转置；从而将同时形成指向θ1,θ2,
…
,θ
l
的l个波束构成导向向量矩阵a(f)：a(f,θ)＝[w(f,θ1),w(f,θ2),
…
,w(f,θ
l
)]由仿真接收声场矩阵p
sim
(f,z
n
)和导向向量矩阵a(f,θ)得到频率-掠射角度的仿真波束响应矩阵b
sim
(f,θ)为：b
sim
(f,θ)＝|p
sim
(f,z
n
)a(f,θ)|2其中，仿真波束响应矩阵b
sim
(f,θ)的大小为n
f
×
n
θ
，n
θ
是掠射角度个数；根据目标频率取值为共n
f
个频率点；目标深度取值为共n
d
个目标深度点，接收距离为共n
r
个接收距离点，计算n
d
个目标深度点和n
r
个接收距离点下的仿真波束响应矩阵b
sim
(f,θ,d,r)；取不同接收距离点上的仿真波束响应矩阵b
sim
(f,θ,d,r)的最大值组成拷贝波束响应矩阵b
copy
(f,θ,d)为：4.根据权利要求1所述的基于深海垂直阵的水下目标自主分辨及深度估计方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：步骤2-1)对垂直水听器阵列实际采集的时域声场进行傅里叶变换和波束形成处理，得到实测波束响应矩阵；步骤2-2)将实测波束响应矩阵规范到多个子频带范围内，将预先计算的待测目标航行
轨迹与变换到波束-时间域内的实测声场进行匹配处理；利用一维信号峰值估计算法估计线谱的频率，得出待测目标的线谱频率、航速和水平距离，进而得到沿待测目标运动轨迹的波束响应矩阵。5.根据权利要求4所述的基于深海垂直阵的水下目标自主分辨及深度估计方法，其特征在于，所述步骤2-1)具体包括：对垂直水线列阵采集的时域信号p(t,z
n
)进行快速傅里叶变换，得到频率域信号p(f,z
n
)：其中，f表示频率，t表示时间，z
n
表示信号幅值；由n
f
个频率和n个阵元的频率域信号p(f,z
n
)组成实测接收声场矩阵p(f,z
n
)；根据接收声场矩阵p(f,z
n
)和步骤1)得到的导向向量矩阵a(f,θ)，由下式得到频率-掠射角度的实测波束响应矩阵b(f,θ)为：b(f,θ)＝|p(f,z
n
)a(f,θ)|2,其中，实测波束响应矩阵b(f,θ)的大小为n
f
×
n
θ
，n
θ
是掠射角度个数。6.根据权利要求5所述的基于深海垂直阵的水下目标自主分辨及深度估计方法，其特征在于，所述步骤2-2)具体包括：将实测波束响应矩阵b(f,θ)采用下采样方式规范到一定频段范围内，得到由b
′
(f
n
,θ
m
)组成的规范后波束响应矩阵b
′
(f,θ)，其中，矩阵频段范围为等间隔的频率点f
n+1-f
n
＝δf，b
′
(f
n
,θ
m
)为(f
n-δf＜f
i
＜f
n
+δf)频段内b(f
i
,θ
m
)的最大值：以时间间隔δt，δt＝t
n+1-t
n
，将共n
t
个时刻的规范后波束响应矩阵b
′
(f,θ)组成一个三维波束响应矩阵s(f,θ,t)，其中，三维波束响应矩阵中的元素根据垂直线列阵所处深度z
r
的海水平均声速c(z
r
)，待测目标所处深度z
s
的海水平均声速c(z
s
)，声线在垂直线列阵处的掠射角θ
r
，声速剖面c(z)，由下式得到本征声线的水平传播距离r(θ
r
)为：进而得到对应θ
r
的不同取值θ1,θ2,
…
,θ
l
，相应的水平传播距离r1(θ1),r2(θ2),
…
,r
l
(θ
l
)；根据待测目标距离垂直线列阵位置的最近距离r
min
，航速v，在当前时刻t1待测目标相对航线最近点的水平距离为r，由下式得到待测目标与垂直线列阵的水平投影距离r
sr
为：
根据r(θ
r
)，结合上式得到垂直线列阵的掠射角θ
r
和时间t的对应关系为：由此绘制二维曲线，在设定的参数范围内为v,r,r
min
赋值，并分别计算不同赋值下的轨迹能量，从中得到频率为f
i
时的最大轨迹能量e(f
i
)为：针对频率范围为共n
f
个频点的水声目标线谱的频率，判断某个频点f
i
的能量是否满足下式，判断为是，则频点f
i
为目标线谱频率：其中，e0为预设的检测阈；取目标线谱频率对应的最大轨迹能量的参数，从而得到待测目标的航速距离接收阵位置的最近距离结合待测目标与垂直线列阵的水平投影距离r
sr
的公式，得到接收阵深度的掠射角θ
r
和时间t所决定的目标运动轨迹为：7.根据权利要求6所述的基于深海垂直阵的水下目标自主分辨及深度估计方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：根据三维波束响应矩阵s(f,θ,t)和目标运动轨迹得到沿待测目标运动轨迹的波束响应b
real
(t)为：根据拷贝波束响应矩阵b
copy
(θ,d)和目标运动轨迹得到不同目标深度下的拷贝运动轨迹波束响应输出b
copy1
(t,d)为：式中，目标深度d的取值范围为时间t的取值范围为由下式计算沿待测目标运动轨迹的波束响应和不同目标深度下拷贝运动轨迹波束响应输出之间的相关系数corr(d)为：
式中，b
real
(t
i
)表示接收数据在t
i
时刻的沿待测目标运动轨迹的波束响应，b
copy1
(t
i
,d)表示仿真数据在深度为d，t
i
时刻的拷贝运动轨迹波束响应输出，表示在时间范围内b
real
(t
i
)的均值，表示在深度为d，时间范围内b
copy1
(t
i
,d)的均值；取不同声源深度下相关系数最大值所对应的深度为d
max
，并进行如下判断：如果d
max
＞d
surface
并且d
max
对应的相关系数corr(d
max
)＞0.5，则判定待检测目标为水下目标，并且估计深度为d
max
，否则为水面目标；其中，d
surface
为设定的水下目标和水面目标的分界深度。8.一种基于深海垂直阵的水下目标自主分辨及深度估计系统，其特征在于，所述系统包括：接收声场仿真模块、目标轨迹声场生成模块和相关处理判断模块；其中，所述接收声场仿真模块，用于根据垂直水听器阵列相关参数，利用声场计算软件仿真不同深度下的接收声场；目标轨迹声场生成模块，用于对垂直水听器阵列实际采集的时域声场进行傅里叶变换和波束形成处理，并规范到多个子频带范围内，再将预先计算的目标航行轨迹与变换到波束-时间域内的实测声场进行匹配处理，利用一维信号峰值估计算法估计线谱的频率，得出目标轨迹声场；相关处理判断模块，用于对不同深度下仿真的接收声场和目标轨迹声场进行相关处理，实现水面水下目标的自主分辨和深度估计。

技术总结
本发明公开了一种基于深海垂直阵的水下目标自主分辨及深度估计方法，所述方法包括：步骤1)根据垂直水听器阵列相关参数，利用声场计算软件仿真不同深度下的接收声场；步骤2)对垂直水听器阵列实际采集的时域声场进行傅里叶变换和波束形成处理，并规范到多个子频带范围内，再将预先计算的目标航行轨迹与变换到波束-时间域内的实测声场进行匹配处理，利用一维信号峰值估计算法估计线谱的频率，得出目标轨迹声场；步骤3)对不同深度下仿真的接收声场和目标轨迹声场进行相关处理，实现水面水下目标的自主分辨和深度估计。标的自主分辨和深度估计。标的自主分辨和深度估计。


技术研发人员：王文博 苏林 任群言 郭新毅 胡涛 马力
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：2022.03.07
技术公布日：2023/9/20