被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法

摘要

本发明公开了一种被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法。两个垂直布放在水中的矢量水听器分别接收声压信号与水平振速信号，能够通过计算得出两个水听器的布放深度，将接收到的声压信号和水平振速信号进行互谱计算，由互谱计算得到的有功分量PHVCA的符号进行深度测定，符号为负是水面船，符号为正是水下目标。本发明能够计算被动垂直双矢量水听器的布放深度，利用PHVCA解决了水下目标的深度测定问题。

说明书

技术领域

本发明属于水下检测领域，尤其涉及一种适用于水面船和水下目标的区分的被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法。 

背景技术

中国海洋国土面积大，海岸线长，常规手段难以区分水面船和水下目标.由于水下目标一般在甚低频段(10～100Hz)其主要声学特征仍较为明显，因此本发明采用甚低频垂直双矢量水听器技术，进行低噪声目标的远程深度测定. 

当前研究水下目标深度测定的方法非常多.文献《Pekeris波导中简正波声强流及其互谱信号处理》(声学学报[J].Vol.33,No4,Jul,2008.pp.300-304)基于单矢量水听器，采用经典简正波法进行了水下声源的深度划分，但该方法不能很好区分水面舰船和水下目标，因此文献《Pekeris波导中简正波的复声强及其应用》(物理学报[J].Vol.57,No.9,September,2008.pp.5742-5748)及文献《浅海低频声场中目标深度测定方法研究》(物理学报[J].Vol.58,No.9,September,2009.pp.6335-6343)及专利《用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法》提出了基于标量双声压传感器的水下目标深度测定，采用快速场程序进行了仿真，并做了有效深度的研究. 

专利公开号：CN101271155A的专利，《用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法》首先，采用单矢量水听器进行水下目标的深度分类，在水深低于100m的情况下，只能以40m左右为临界分界面进行水下目标的深度区分。其次，提出双矢量水听器声压分别与水平振速和垂直振速互谱进行水下目标的深度分类。总体处理流程为：第一步是分别将声压以及振速信号进行傅里叶变换；第二步是对矢量信号的傅里叶变换取共轭；第三步是声压信号的傅里叶变换与矢量信号的傅里叶变换的共轭相乘；第四步是取实部或者虚部；第五步是进行正负号判决；第六步是根据第五步的正负号判决给出目标的深度分类。但是该专利只是说置于一适当位置，而没有给出具体的布放位置。 

发明内容

本发明的目的是提供一种具有水听器预报布放功能的被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法，两个垂直布放在水中的矢量水听器分别接收声压信号与水平振速信号，将接收到的声压信号和水平振速信号进行互谱计算，由互谱计算得到的有功分量PHVCA的符号进行深度测定，符号为负是水面船，符号为正是水下目 标，两个垂直布放在水中的矢量水听器的布放深度为： 

$z_1=\frac{H_e}{\pi }\arccos \sqrt{\frac{1}{{16\cos }^2\left(\frac{\pi }{H_e}{h}_1\right)}},$

$z_2=\frac{H_e}{\pi }\arccos [-\sqrt{\frac{1}{{16\cos }^2\left(\frac{\pi }{H_e}{h}_1\right)}}],$

其中h₁为设定的水面船和水下目标的分界面、且h₁＜H_e-H，H为海深，H_e代表有效深度。 

本发明被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法还可以包括： 

1、有效深度H_e为： 

$H_e=H[1+\frac{1}{{\mathrm{bk}}_{1}H\sin \left({\alpha }_c\right)}]$

其中，b为海水与海底密度之比，k₁为海水中的波数，α_c＝cos^-1(c₁/c₂)为临界掠设角。 

2、声压信号和水平振速信号的互谱为： 

$\left(\begin{array}{c}{I}_r={{\mathrm{pv}}_r}^{*}=\frac{{8\mathrm{\pi \omega \rho }}_1}{r}\underset{n}{\Sigma }\sin \left({\beta }_{1n}{z}_1\right)\sin \left({\beta }_{1n}{z}_2\right)F^2(z_0,{ϵ}_n)+\\ \frac{{8\mathrm{\pi \omega \rho }}_1}{r}\underset{n,n\ne m}{\Sigma }\underset{m}{\Sigma }\sqrt{\frac{{ϵ}_m}{{ϵ}_n}}\sin \left({\beta }_{1n}{z}_1\right)\sin \left({\beta }_{1m}{z}_2\right)F(z_0,{ϵ}_n)F(z_0,{ϵ}_m)e^{j\left[({ϵ}_n-{ϵ}_m)r\right]}\end{array}\right)$

振速与声压的关系为： 

$\rho \frac{\partial v}{\partial t}=-▿p$

其中，声压公式为： 

$\left(\begin{array}{c}p(r,z_0,z)={2\mathrm{\pi \omega \rho }}_1\underset{n}{\Sigma }\sin \left({\beta }_{1n}z\right)F(z_0,{ϵ}_n){H_0}^{\left(1\right)}\left({{ϵ}_n}^r\right)\\ \approx e^{-j\frac{\pi }{4}}\sqrt{\frac{8\pi }{r}}{\mathrm{\omega \rho }}_1\underset{n}{\Sigma }\sqrt{\frac{1}{{ϵ}_n}}\sin \left({\beta }_{1n}z\right)F(z_0,{ϵ}_n)e^{{\mathrm{jϵ}}_{n}r}\end{array}\right)$

其中：$F(z_0,{ϵ}_n)=\frac{{\beta }_{1n}\sin \left({\beta }_{1n}{z}_0\right)}{{\beta }_{1n}H-\sin \left({\beta }_{1n}H\right)\cos \left({\beta }_{1n}H\right)-b^2\tan \left({\beta }_{1n}H\right){\sin }^2\left({\beta }_{1n}H\right)},$且有${\beta }_{1n}=\sqrt{{k_1}^2-{{ϵ}_n}^2},k_i=\frac{\omega }{c_i}(i=\mathrm{1,2}),$n为简正波的序号，r为布放点与目标的水平距离，ε_n为第n阶本征值，即是 的根，x＝β1H，σ²＝(k₁²-k₂²)H²。 

3、有功分量PHVCA为： 

$\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{rA}}=\frac{8\mathrm{\pi \omega }{\theta }_1}{r}\underset{n}{\Sigma }\sin \left({\beta }_{1n}{z}_1\right)\sin \left({\beta }_{1n}{z}_2\right)F^2(z_0,{ϵ}_n)+\\ \frac{8\mathrm{\pi \omega }{\rho }_1}{r}\underset{n,n\ne m}{\Sigma }\underset{m}{\Sigma }\sqrt{\frac{{ϵ}_m}{{ϵ}_n}}\sin \left({\beta }_{1n}{z}_1\right)\sin \left({\beta }_{1m}{z}_2\right)F(z_0,{ϵ}_n)F(z_0,{ϵ}_m)\cos \left[({ϵ}_n-{ϵ}_m)r\right]\end{array}\right).$

本发明的有益效果为： 

本发明可以根据现场的海洋环境进行计算，计算出两个矢量水听器具体的布放位置，实现设定临街面的水下目标深度分类。 

采用被动垂直双矢量水听器，基于Pekeris波导模型和有效深度，预报被动垂直双矢量水听器的布放深度，利用PHVCA解决了水下目标的深度测定问题.因为低频在海洋中传播距离远，所以该方法可以进行低噪声目标的远程深度测定。 

附图说明

图1波导示意； 

图2为p和v_r互谱处理器； 

图3a～图3f为前二阶简正波声压、水平振速幅度分布。图3a40Hz第一阶简正波声压与水平振速幅度趋势；图3(b)40Hz第二阶简正波声压与水平振速幅度趋势；图3c50Hz第一阶简正波声压与水平振速幅度趋势；图3d50Hz第二阶简正波声压与水平振速幅度趋势；图3e60Hz第一阶简正波声压与水平振速幅度趋势；图3f60Hz第二阶简正波声压与水平振速幅度趋势； 

图4a～图4f为PHVCA正负号随深度变化。图4a声源频率40Hz，被动双矢量水听器布放在z₁＝51.2m、z₂＝78.7m的PHVCA正负号结果图；图4b声源频率40Hz，被动双矢量水听器布放在z₁＝43m、z₂＝88m的PHVCA正负号结果图；图4c)声源频率50Hz，z₁＝50.5m，z₂＝73m的PHVCA正负号结果图；图4d声源频率50Hz，z₁＝44m，z₂＝80m的PHVCA正负号结果图；图4e声源频率60Hz，z₁＝49m，z₂＝71m的PHVCA正负号结果图；图4f z₁＝30m，z₂＝90m的PHVCA正负号结果图。 

图5为浅海头5阶简正波的截止频率表； 

图6为40-60Hz的有效深度表。 

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步详细说明。 

本发明适用于水面船和水下目标的区分，比如水面船和鱼群的区分。该发明基于Pekeris波导模型和有效深度，预报被动垂直双矢量水听器的布放深度，利用PHVCA实现水下目标的深度测定，包括以下几个步骤： 

(1)根据实际需要，设定水面船和水下目标的分界面h₁； 

(2)根据预报公式，H_e代表有效深度，将被动双矢量水听器垂直布放在计算出来的深度， 布放深度和等于有效深度； 

$z_1=\frac{H_e}{\pi }\arccos \sqrt{\frac{1}{{16\cos }^2\left(\frac{\pi }{H_e}{h}_1\right)}},$

$z_2=\frac{H_e}{\pi }\arccos [-\sqrt{\frac{1}{{16\cos }^2\left(\frac{\pi }{H_e}{h}_1\right)}}].$

(3)被动垂直双矢量水听器，一个用于接收声压信号，另一个用于接收水平振速信号。将这两个接收到的信号进行互谱计算，即声压信号的傅里叶变换与水平振速信号傅里叶变换的共轭相乘； 

(4)取互谱计算结果的有功分量(实部)PHVCA； 

(5)根据互谱计算结果有功分量PHVCA的符号进行深度测定，符号为负是水面船，符号为正是水下目标。 

下面结合图2对本发明方法的处理流程进行详细说明： 

1、根据实际需求和海洋环境进行预报布放 

采用Pekeris模型，利用波动理论分析其声场，波导示意如图1。设定水面船和水下目标的临界面h₁，H_e代表有效深度，可得两水听器布放深度的近似理论预报公式： 

$z_1=\frac{H_e}{\pi }\arccos \sqrt{\frac{1}{{16\cos }^2\left(\frac{\pi }{H_e}{h}_1\right)}},---\left(1\right)$

$z_2=\frac{H_e}{\pi }\arccos [-\sqrt{\frac{1}{{16\cos }^2\left(\frac{\pi }{H_e}{h}_1\right)}}].---\left(2\right)$

Pekeris可以等效成有效深度绝对软的环境，其有效深度的表达式为： 

$H_e=H[1+\frac{1}{{\mathrm{bk}}_{1}H\sin \left({\alpha }_c\right)}]---\left(3\right)$

这里，H_e有效深度；H海深；b海水与海底密度之比；k₁海水中的波数；α_c＝cos^-1(c₁/c₂)临界掠设角. 

2、被动垂直双矢量水听器的PHVCA 

采用Pekeris模型，利用波动理论分析其声场，平面边界均匀水层的阻抗为ρ₁c₁，海底流体 阻抗为ρ₂c₂，点声源位于柱坐标(0,z₀)，接收点为(r,z)，海面z＝0为绝对软界面， 

接收点的声压公式： 

$\left(\begin{array}{c}p(r,z_0,z)={2\mathrm{\pi \omega \rho }}_1\underset{n}{\Sigma }\sin \left({\beta }_{1n}z\right)F(z_0,{ϵ}_n){H_0}^{\left(1\right)}\left({{ϵ}_n}^r\right)\\ \approx e^{-j\frac{\pi }{4}}\sqrt{\frac{8\pi }{r}}{\mathrm{\omega \rho }}_1\underset{n}{\Sigma }\sqrt{\frac{1}{{ϵ}_n}}\sin \left({\beta }_{1n}z\right)F(z_0,{ϵ}_n)e^{{\mathrm{jϵ}}_{n}r}\end{array}\right),---\left(4\right)$

其中：$F(z_0,{ϵ}_n)=\frac{{\beta }_{1n}\sin \left({\beta }_{1n}{z}_0\right)}{{\beta }_{1n}H-\sin \left({\beta }_{1n}H\right)\cos \left({\beta }_{1n}H\right)-b^2\tan \left({\beta }_{1n}H\right){\sin }^2\left({\beta }_{1n}H\right)},$且有${\beta }_{1n}=\sqrt{{k_1}^2-{{ϵ}_n}^2},k_i=\frac{\omega }{c_i}(i=\mathrm{1,2}),$n为简正波的序号，r为布放点与目标的水平距离，ε_n为第n阶本征值，它是下面本征方程的根 

$x\cos x-\mathrm{jb}\sqrt{x^2-{\sigma }^2}\sin x=0.---\left(5\right)$

其中：x＝β₁H，σ²＝(k₁²-k₂²)H². 

每一阶简正波都对应于一个截止频率f_n，即当声源频率f＜f_n时，第n阶波导简正波不能被声源激发.因此得到 

$f_n=\frac{(n-\frac{1}{2})c_1{c}_2}{2H\sqrt{{c_2}^2-{c_1}^2}}---\left(6\right)$

振速与声压的关系为 

$\rho \frac{\partial v}{\partial t}=-▿p,---\left(4\right)$

因v含有时间因子，所以上式可写为 

$v=\frac{1}{\mathrm{j\omega p}}▿p=\frac{1}{\mathrm{j\omega p}}[\frac{\partial p}{\partial r}i+\frac{\partial p}{\partial z}k],---\left(8\right)$

将公式(4)代入公式(8)，可得 

振速水平分量 

$v_r\approx e^{-j\frac{\pi }{4}}\sqrt{\frac{8\pi }{r}}\underset{n}{\Sigma }\sqrt{{ϵ}_n}\sin \left({\beta }_{1n}z\right)F(z_0,{ϵ}_n)e^{{\mathrm{jϵ}}_{n}r},---\left(9\right)$

振速垂直分量 

$v_z\approx {-\mathrm{je}}^{-j\frac{\pi }{4}}\sqrt{\frac{8\pi }{r}}\underset{n}{\Sigma }\sqrt{\frac{1}{{ϵ}_n}}{\beta }_{1n}\cos \left({\beta }_{1n}z\right)F(z_0,{ϵ}_n)e^{{\mathrm{jϵ}}_{n}r}.---\left(10\right)$

根据公式(4)和(5)，可得双矢量水听器的声压水平振速的互谱 

$\left(\begin{array}{c}{I}_r={{\mathrm{pv}}_r}^{*}=\frac{{8\mathrm{\pi \omega \rho }}_1}{r}\underset{n}{\Sigma }\sin \left({\beta }_{1n}{z}_1\right)\sin \left({\beta }_{1n}{z}_2\right)F^2(z_0,{ϵ}_n)+\\ \frac{{8\mathrm{\pi \omega \rho }}_1}{r}\underset{n,n\ne m}{\Sigma }\underset{m}{\Sigma }\sqrt{\frac{{ϵ}_m}{{ϵ}_n}}\sin \left({\beta }_{1n}{z}_1\right)\sin \left({\beta }_{1m}{z}_2\right)F(z_0,{ϵ}_n)F(z_0,{ϵ}_m)e^{j\left[({ϵ}_n-{ϵ}_m)r\right]}\end{array}\right),---\left(11\right)$

取其有功分量部分，可得PHVCA 

$\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{rA}}=\frac{8\mathrm{\pi \omega }{\theta }_1}{r}\underset{n}{\Sigma }\sin \left({\beta }_{1n}{z}_1\right)\sin \left({\beta }_{1n}{z}_2\right)F^2(z_0,{ϵ}_n)+\\ \frac{8\mathrm{\pi \omega }{\rho }_1}{r}\underset{n,n\ne m}{\Sigma }\underset{m}{\Sigma }\sqrt{\frac{{ϵ}_m}{{ϵ}_n}}\sin \left({\beta }_{1n}{z}_1\right)\sin \left({\beta }_{1m}{z}_2\right)F(z_0,{ϵ}_n)F(z_0,{ϵ}_m)\cos \left[({ϵ}_n-{ϵ}_m)r\right]\end{array}\right).---\left(12\right)$

3、水下目标深度判别 

根据声压水平振速互谱有功分量(PHVCA)的符号进行深度判别，符号为负是水面船，符号为正是水下目标. 

4、仿真验证 

点声源辐射单频谐和声波，均匀水层深度为H＝100m，声速c₁＝1480m/s，密度ρ₁＝1.026g/cm³，海底介质声速c₂＝1550m/s，密度ρ₂＝1.769g/cm³.该方法可以根据实际需要进行h₁的设定，为了仿真分析，这里设定h₁＝21m.方法处理流程如图2所示，根据公式(6)，得出头5阶简正波的截止频率，如图6所示. 

当声源辐射声波频率37.36Hz<f<62.26Hz时，只需考虑前两阶简正波，下面将以40Hz-60Hz为例进行分析，无阴影区域为正值，阴影区域为负值.根据公式(3)，得H_e如图6所示。 

基于上述仿真条件，为便于分析，假定布放水听器在36m，分别作出f＝40Hz，f＝50Hz，f＝60Hz的前二阶简正波的声压，水平振速幅度分布. 

从图3a～图3f可以看出，当f＝40Hz，f＝50Hz，f＝60Hz时，其第一阶，第二阶的声压和水平振速幅度分布趋势几乎相同，只是幅值大小有所不同，因此，根据这三个声源频率的物理特性，我们得出：这三个声源频率具有相同的水下目标深度测定的特性. 

Eg1.假定目标频率40Hz，设定h₁＝21m为第一临界分界面，根据公式(1-2)，进行预报可得：z₁＝54.8052m，z₂＝79.3663m.我们将双水听器布放在z₁＝51.2m，z₂＝78.7m，此时布放深度之和为129.9m，与计算的理论有效深度134m接近，根据公式(12)可得图4a.将双水听器布放在z₁＝43m，z₂＝88m，布放之和为131m，可得图4b.临界分界面分别为h₁＝40m，h₂＝90m，实际的临界分界面之和为130m，这两个求和数都接近134m的理论有效深度. 

Eg2.假定目标频率为50Hz，设定h₁＝21m为第一临界分界面，根据公式(1-2)，进行预报可得，z₁＝51.8374m，z₂＝75.4998m.我们将双水听器布放在z₁＝50.5m，z₂＝73m，布放深度 之和为123.5m.与计算的理论有效深度127m接近，根据公式(12)可得图4c.将双水听器布放在z₁＝44m，z₂＝80m，布放之和为124m，可得图4d.临界分界面分别为h₁＝38m，h₂＝86m，实际的临界面之和为124m，这两个求和数都接近127m的理论有效深度. 

Eg3.假定目标频率60Hz，设定h₁＝21m为第一临界分界面，根据公式(1-2)，进行预报可得：z₁＝49.8502，z₂＝72.9308.我们将双水听器布放在z₁＝49m，z₂＝71m，此时布放深度之和为120m，与理论有效深度123m接近，根据公式(12)可得图4e.将双水听器布放在z₁＝30m，z₂＝90m，布放之和为120m，可得图4f.临界分界面分别为h₁＝46m，h₂＝74m，实际的临界面之和为120m，这两个求和数都接近123m的理论计算的有效深度. 

我们得出了：一是根据自己的要求进行分界面的设定后，预报与实际布放的位置有一定的误差，但是随着目标频率的增大，误差越来越小，并验证了公式(1-2)的正确性；二是两水听器布放的深度之和近似等于有效深度；三是双水听器的PHVCA将海体划分为三个水平部分，并且两个临界分界面之和为有效深度，当第一个临界分界面的设定值小于有效深度与实际水深之差时，第二个临界分界面大于实际水深，此时海体划分等效为两水平区域，以此实现水下目标的深度测定. 

综上可得，该方法可以根据实际的海洋环境和需求进行预报布放，并利用被动垂直双矢量水听器的PHVCA实现了水下目标的深度测定。