深海可靠声路径下基于干涉结构匹配处理弱目标定位方法

摘要

本发明涉及一种深海可靠声路径下基于干涉结构匹配处理的弱目标定位方法，针对声源被动定位接收信噪比较低时多途干涉特征被噪声淹没，无法利用其准确估计声源深度这一实际问题，将多波束输出功率谱进行拼接从而提取被噪声淹没的多途干涉特性。并根据海面声源直达波与海面反射波传播时延差随深度变化敏感这一现象，利用匹配滤波器对频率失配敏感这一特点，将接收信号功率谱与拷贝功率谱进行匹配滤波处理，从而在低信噪比下获得声源位置信息。利用本发明提出的基于干涉结构匹配处理的弱目标被动定位方法，可以在更低信噪比下估计目标深度和水平距离。

说明书

技术领域

本发明属于水声阵列信号处理，涉及一种深海可靠声路径下基于干涉结构匹配处理的弱目标定位方法。

背景技术

深海可靠声路径(RAP:reliable acoustic path)是深海特有的声传播的信道。RAP出现条件是换能器位于深海临界深度以下(临界深度处声速等于海面附近声速)，此时会形成从海面到换能器的声传播路径。此声传播路径不受近海面效应或海底相互作用的影响，传播信号稳定可靠，因此被称为可靠声路径(Rui D,Kun-De Y,Yuan-Liang M,et al.Areliable acoustic path:Physical properties and a source localization method[J].Chinese Physics B,2012,21(12):124301.)。

目前，已有的方法在深海放置接收水听器，通过提取RAP多途干涉结构特征来被动探测近海面水下目标。但很多情况下，所要探测的目标辐射噪声级较低，使得在深海接收水听器处的信噪比较低，容易导致多途干涉特性被噪声淹没。此时，水下目标探测问题变成了弱目标探测问题，过低的信噪比使得已有方法难以有效提取干涉结构频率，导致探测性能下降。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种深海可靠声路径下基于干涉结构匹配处理的弱目标定位方法。

技术方案

一种深海可靠声路径下基于干涉结构匹配处理的弱目标定位方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将单个多元垂直阵布放于临界深度以下，获得垂直阵频域宽带波束输出，得到多元垂直阵采集目标辐射噪声，所采集的一段时域信号的长度为60秒到600秒；

将采集的一段时域信号分为M个子段，对每个子段作傅里叶变换获得M个子段频谱；

K

其中，K

所述每个子段的时间长度范围为4秒～30秒，相邻子段之间在时间上有重合，重合度范围定义为重合部分的时间长度除以单个子段的时间长度，其范围为0％到75％；

用直线阵频域波束形成方法对所有子段的频谱进行宽带多波束处理，波束扫描在俯仰方向上进行，从而获得多个俯仰角度上的频域宽带波束输出；

p

其中，p

则导向角度为θ的第m个子段波束输出频谱为：

p

其中，L表示频点数；

步骤2、对垂直阵频域宽带波束输出进行拼接处理：

对每个俯仰角度上的多段频域宽带波束输出点乘其自身的共轭向量，得到多段功率谱：

S

其中，S

将相邻时间段的多个功率谱进行拼接，据此获得一个更长的功率谱，用S(θ)表示，为该波束上的接收信号功率谱：

S(θ)＝[p

步骤3、各网格点拷贝功率谱的建模，及各波束上的接收信号功率谱与拷贝功率谱的匹配滤波处理：

在探测范围内水平距离和深度方向均匀划分网格，计算目标位于每个网格点上时，垂直接收阵几何中心处的时延差Δτ，频带范围选取接收信号相同，得到各网格点拷贝功率谱：

其中，f为频率，H(f,θ,z

该网格点上输出结果为t(z

步骤4、利用声场软件离线计算俯仰角与水平距离间的对应关系，将俯仰角度-深度模糊图转化为水平距离-深度定位模糊图，搜索峰值获得定位结果：

取探测范围内任意深度，将探测范围内水平距离进行划分，通过声场软件离线计算目标位于每一个水平距离网格处时垂直接收阵几何中心处直达波和海面反射波的俯仰角平均值θ，由此得到俯仰角度与水平距离间的对应关系：

其中：θ

将俯仰角度转化为水平深度，得到水平距离-深度定位模糊图，其每个网格点输出结果为t(z

最后通过搜索峰值获得定位结果：

(r

其中，arg{max[]}表示取最大值处对应网格点输出结果。r

有益效果

本发明提出的一种深海可靠声路径下基于干涉结构匹配处理的弱目标定位方法，首先使用位于深海临界深度以下的单个垂直阵获得多个频域宽带波束输出，并将每个波束输出中相邻时间段的多个频域输出进行拼接，据此获得一个更长的功率谱，利用该拼接得到的功率谱提取被噪声淹没的多途干涉特征。针对每个波束上拼接得到的功率谱，利用声场软件离线计算该波束角上不同深度处的接收信号功率谱，使用仿真的不同深度的功率谱对该波束角上通过拼接得到的功率谱进行匹配滤波处理，获得不同深度上的匹配输出最大值。最后将最大值在俯仰角度-深度上的分布转换为水平距离-深度上的分布，通过搜索峰值获得目标的水平距离和深度结果，从而达到在更低的信噪比下对水下目标进行定位的目的。

在本发明中，由于将单个多元垂直阵布放于临界深度以下，获得垂直阵频域宽带波束输出。垂直阵阵元数范围为8到128，使用该多元垂直阵采集目标辐射噪声，所采集的一段时域信号的长度为60秒到600秒。且将采集的一段时域信号分为多个子段，每个子段的时间长度范围为4秒到30秒，相邻子段之间在时间上有重合，重合度范围定义为重合部分的时间长度除以单个子段的时间长度，其范围为0％到75％。垂直阵频域宽带波束形成为已有技术，对每个子段作傅里叶变换获得频谱。用直线阵频域波束形成方法对所有子段的频谱进行宽带多波束处理，波束扫描在俯仰方向上进行，从而获得多个俯仰角度上的频域宽带波束输出。

对垂直阵的频域宽带波束输出中多个子段频谱进行拼接处理。对每个俯仰波束内的多个子段频域宽带波束输出进行取模求平方处理，得到对应的功率谱。对每个俯仰波束，将相邻子段的功率谱进行首尾拼接，所有子段功率谱连在一起获得一个更长的功率谱将其称为该波束上的接收信号功率谱。

然后通过现有技术通过声场软件离线计算得到声源位于不同位置处的拷贝功率谱，与每个俯仰波束上的接收信号功率谱进行匹配滤波处理获得定位结果。在探测范围内(深度10-500米，水平距离5-40公里)水平距离和深度上划分网格，通过声场软件计算目标位于每个网格点上时，垂直接收阵几何中心处的功率谱，称之为拷贝功率谱；

将每个波束上的接收信号功率谱与各网格点的拷贝功率谱分别进行匹配滤波处理，取匹配滤波输出最大值作为该网格点上输出结果，从而获得俯仰角度-深度模糊图。利用声场软件离线计算俯仰角与水平距离间的对应关系，从而确定每个俯仰角度对应的水平距离。将俯仰角度-深度模糊图转化为水平距离-深度定位模糊图，搜索峰值获得定位结果。

本发明的基本原理和实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明：利用本发明提出的基于干涉结构匹配处理的弱目标被动定位方法，可以在更低信噪比下估计目标深度和水平距离。证明了本发明提出的方法可达到在更低的信噪比下有效估计目标水平距离和深度的目的。

附图说明

图1为本发明的主要步骤流程；

图2为可靠声路径下单垂直阵接收水平运动声源信号示意图；

图3为俯仰角87度波束内接收信号功率谱的频谱；

图4为俯仰角87度波束内单段功率谱的频谱；

图5为可靠声路径干涉结构(频带内信噪比-24dB)；

图6为频带内信噪比-24dB时得到的俯仰角度-深度定位模糊图；

图7为从海面离散网格点到俯仰角-距离坐标连线之间的转换示意图；

图8为频带内信噪比-24dB时得到的水平距离-深度定位模糊图，叉号表示真实声源位置；

图9为图8在距离21km处(真实距离)处的深度切片；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明解决现存问题所采用的技术方案可分为以下以下步骤：

1)设计可用于高分辨三维前视成像的MIMO声纳阵型和正交波形。该阵型和正交波形。MIMO声纳阵型由2个发射换能器、M条接收ULA组成。其中，ULA的数目M大于等于3，每条ULA中的水听器数目N大于等于8。2个发射换能器组成的2元ULA和M条接收ULA相互平行，且中垂线相互重合。针对2个发射换能器，设计用于该MIMO声纳的2个正交波形。2个正交波形具有相同的频段和相同的脉宽，其自相关函数具有相同的主瓣，自相关函数旁瓣小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍，2个正交波形的互相关函数峰值小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍。

2)根据设计的阵型和波形，进行信号的发射和采集。2个发射换能器同时发射设计的正交信号，M条接收ULA同步采集目标场景的回波。

3)进行水平向处理。对M条接收ULA上的回波进行匹配滤波处理，获得M组匹配滤波输出，其中每组包含2N个匹配滤波输出。根据2N元ULA的加权方式，采用常规波束形成对每组中2N个匹配滤波输出进行多波束处理，共获得M组水平多波束输出，每组包含Q个水平波束。

4)进行垂直向处理。将具有相同水平波束角的水平波束输出划分为一组，作为垂直向处理的输入，每组共有M个输入，且组数为Q。使用高分辨空间谱估计算法处理每组输入，获得垂直向成像结果。

5)将水平向处理结果和垂直向处理结果进行结合，获得最终的高分辨三维前视成像结果。

下面对本发明的每个步骤作详细说明：

步骤1)主要涉及垂直阵频域常规波束形成。具体内容如下：

多元垂直接收阵采集目标辐射噪声，将采集的信号按时间分为M个子段，对每段作傅里叶变换，获得M个子段频谱，其表示如下：

K

其中，K

用直线阵频域波束形成方法对该垂直阵上多段频谱进行频域常规宽带波束形成。波束扫描在俯仰方向上进行，从而获得多个俯仰角度上的频域宽带波束输出。波束输出可表示为：

p

其中，p

则导向角度为θ的第m个子段波束输出频谱可表示为：

p

其中，L表示频点数。

步骤2)主要涉及对垂直阵频域宽带波束输出进行拼接处理。具体内容如下：

在经过步骤1)得到多段频谱后，对每个俯仰角度上的多段频域宽带波束输出点乘其自身的共轭向量，得到多段功率谱。

S

其中，S

S(θ)＝[p

将其称为该波束上的接收信号功率谱。

步骤3)主要涉及各网格点拷贝功率谱的建模，及各波束上的接收信号功率谱与拷贝功率谱的匹配滤波处理，具体内容如下：

在探测范围内水平距离和深度方向均匀划分网格。考虑直达波和海面反射波的相干叠加。理想接收功率谱为：

H(f)＝|h(f)|

其中，f为频率，H(f)为理想接收功率谱，h(f)为接收信号频谱，Δτ为直达波和海面反射波时延差。通过声场软件计算目标位于每个网格点上时，垂直接收阵几何中心处的时延差Δτ，频带范围选取接收信号相同，带入式(6)，即可得到各网格点拷贝功率谱。

代价函数为：

其中，H(f,θ,z

步骤4)主要涉及利用声场软件离线计算俯仰角与水平距离间的对应关系，将俯仰角度-深度模糊图转化为水平距离-深度定位模糊图，搜索峰值获得定位结果。具体内容如下：

取探测范围内任意深度，将探测范围内水平距离进行划分，通过声场软件离线计算目标位于每一个水平距离网格处时垂直接收阵几何中心处直达波和海面反射波的俯仰角平均值θ，由此得到俯仰角度与水平距离间的对应关系，即：

其中θ

根据俯仰角度与水平距离间的对应关系，将俯仰角度转化为水平深度，由此得到水平距离-深度定位模糊图，其每个网格点输出结果为t(z

(r

其中，arg{max[]}表示取最大值处对应网格点输出结果。r

通过计算机数值仿真给出本发明提出方法的定位结果，本发明的主要步骤流程图如图1所示。

具体实施实例：

以典型的深海环境为例，给出本发明的实施实例。实施实例利用计算机进行数值仿真，来检验本发明所提方法的效果。

1)RAP环境

假设海深5000米，声速剖面为MUNK剖面，其临界深度为3700米。

2)换能器参数

接收阵为均匀垂直线列阵，阵元深度4200-4246.5米，阵元间距为1.5米，阵元个数为32个。

3)仿真发射信号及接收信号

假设目标声源深度100米，距离从21千米水平运动至22千米，可靠声路径下垂直阵接收水平运动声源信号示意图如图(1)所示。假设水下目标辐射信号的频带范围为200Hz-500Hz。仿真时该信号由高斯白噪声经带通滤波器获得。单个水听器上的带内接收信噪比设为-24dB。根据声场软件获得传递函数，得到接收信号。

利用水听器阵采集一段接收信号，处理该段信号获得定位结果。接收信号长度、子段个数、子段重合度、子段长度

将接收信号在时域上分为31个子段，并作傅里叶变换，得到31个子段额频谱。用直线阵频域波束形成方法对该垂直阵上多段频谱进行频域常规宽带波束形成。波束扫描在俯仰方向上进行，扫描角度为70-96度，扫描间隔为1度，获得27个俯仰角度上的频域宽带波束输出。并对其进行处理得到频域宽带波束输出功率谱。俯仰角度为87度，第11段频域宽带波束输出功率谱的频谱如图(4)所示。噪声淹没时的可靠声路径干涉结构如图(5)所示。

4)仿真拼接而成的接收信号功率谱

将每一个俯仰角上的31段输出功率谱按序拼接，获得27条长的接收信号功率谱。第18条(俯仰角度87度)输出功率谱的频谱如图(3)所示，框处横坐标代表海面反射波和直达波的时延差。

5)仿真拷贝功率谱

水平距离设置10-35千米，深度设置10-400米，在水平距离和深度上均匀划分网格。利用Bellhop软件离线计算声源位于各网格点时直达波与海面反射波时延差，在软件中设置RAP环境参数，计算出各网格点时延差，获得时延差后，即可利用式(6)得到各网格点拷贝功率谱，频带范围选取200-500Hz。

6)在线对实际接收信号功率谱进行匹配滤波处理

将每个俯仰角度上的接收信号功率谱与各网格点的拷贝功率谱分别进行匹配滤波处理，取匹配滤波输出最大值作为该网格点输出结果，从而获得角度-深度模糊图。如图(6)所示。

7)离线计算俯仰角与水平距离间的对应关系，在线转化

利用声场软件离线计算俯仰角与水平距离间的对应关系，对应关系如图(7)所示。从而确定每个俯仰角度对应的水平距离。将俯仰角度-深度模糊图转化为水平距离-深度定位模糊图，转化结果如图(8)所示。

8)峰值搜索获得定位结果

对图(8)进行峰值搜索，得到声源距离为20.8km，深度为100m.

根据实施实例可知，本发明所提出的可靠声路径下基于干涉结构匹配处理的弱目标定位方法，能够提取被噪声淹没的时延信息，改善低信噪比下对弱目标的定位性能，可以在更低信噪比下估计目标深度和水平距离。

本发明对声源被动定位接收信噪比较低时多途干涉特征被噪声淹没，无法利用其准确估计声源深度这一实际问题，将多波束输出功率谱进行拼接从而提取被噪声淹没的多途干涉特性。并根据海面声源直达波与海面反射波传播时延差随深度变化敏感这一现象，利用匹配滤波器对频率失配敏感这一特点，将接收信号功率谱与拷贝功率谱进行匹配滤波处理，从而在低信噪比下获得声源位置信息。