一种浅海中目标分选及水下目标运动态势和深度判断方法

摘要

本发明公开了一种浅海中目标分选及水下目标运动态势和深度判断方法。包括建立浅海海底地震波场模型，运行浅海海底地震波场模型获取仿真的水中目标声源诱发的地震波信号，调整浅海海底地震波场模型中仿真的水中目标声源到海底的距离，分别接收处理得到多条不同深度下仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1和一条仿真的不同深度时海底表面波能量峰值所对应的频率随深度变化曲线2；获取真实海洋环境下实测的水中目标声源诱发的地震波信号，接收处理得到实测的海底表面波能量随低频变化曲线3和实测的海底表面波能量峰值所对应的频率随某段时间变化曲线4；根据判断标准分选为水面目标或水下目标，以及获取水下目标的深度信息。

说明书

技术领域

本发明属于水声目标识别技术领域，具体涉及一种浅海中目标分选及水下目标运动态势和深度判断方法。

背景技术

本文中的分选，指的是对目标位于水面还是水下进行判别，文中的深度信息获取，包括目标深度的变化态势(或深或浅，或深浅变化中)及其深度值。

利用目标所发出的声信号(如：辐射噪声)对其进行被动目标分类识别即是国内外水声信号处理领域的研究热点，也是难题。虽然水声被动目标分类识别的研究一直受到学术界极大的关注。其难点在于水声目标辐射噪声的产生有着非常复杂的物理机理，人们对其中的物理过程了解的非常有限，所以很难用统计模型来表征目标辐射噪声的特征；另一个难点在于因关注的重点多为远距离目标，而用于水声目标分类识别的特征大多数都是基于能量的，由于水声目标所处的海洋环境是时变的，水声信号的远距离传播使得基于能量的特征会产生衰减、畸变、起伏等随机变化；水声目标的种类繁多，不同的目标采取的机动策略也不同，加之多目标干扰、声纳设备自身的限制等原因，使得同类目标的特征具有离散性，而异类目标的特征呈现出交叉性，致使寻找能够区分不同类别的目标的不变特征的工作异常艰难。

随着减振降噪技术的提升，在海洋环境中对水中目标的探测难度逐渐增加。浅海环境中，低于其截止频率的水声信号将无法在水体中传播。水中产生的辐射噪声中的甚低频段信号可能难以无法在水中传播，但这些能量经与海底耦合，并激发出浅海海底地震波场，其中也包含着目标的信息，可作为水中远程探测的信号。

研究表明，浅海海底地震波场包括水声信号和以海底表面波为主的地声信号，其中沿海水-海底表面传播的海底表面波，具有频率非常低、信号衰减慢、传播距离远等特点，因而成为关注的重点，是地震波信号的重要组成部分。此外，研究还表明，影响浅海水中目标产生的地震波信号能量大小的主要因素是目标距离海底的距离(即海洋深度减去目标航行深度)和海底底质，而在同一海域下，水面和水下目标最大的区别就是目标深度，且水中声源与海底间的距离决定了海底表面波能量分布的基本形状。因此提出一种基于海底表面波能量变化特性的浅海中不同深度目标分选方法是非常必要的。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种浅海中目标分选及水下目标运动态势和深度判断方法。

本发明采用的技术方案是：一种浅海中目标分选及水下目标运动态势和深度判断方法，包括以下步骤：

步骤1：建立浅海海底地震波场模型，运行浅海海底地震波场模型获取仿真的水中目标声源诱发的地震波信号，调整浅海海底地震波场模型中仿真的水中目标声源到海底的距离，分别接收处理得到多条不同深度下仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1和一条仿真的不同深度时海底表面波能量峰值所对应的频率随深度变化曲线2；获取真实海洋环境下实测的水中目标声源诱发的地震波信号，接收处理得到实测的海底表面波能量随低频变化曲线3和实测的海底表面波能量峰值所对应的频率随某段时间变化曲线4；

步骤2：将实测的海底表面波能量随低频变化曲线3与多条仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1进行对比：

若实测的海底表面波能量随低频变化曲线3不为抛物线，则初判目标声源为接近于水面的目标，若实测的海底表面波能量随低频变化曲线3为抛物线，则初判目标声源为水下目标；

若实测的海底表面波能量随低频变化曲线3与多条仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1中水下目标声源诱发的某一条曲线重合，或实测的海底表面波能量随低频变化曲线3介于多条仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1中水下目标声源诱发的某两条曲线之间，则分选为水下目标，否则分选为水面目标；

若目标声源为水下目标，当实测的海底表面波能量峰值所对应的频率随某段时间变化曲线4的斜率接近或等于0，则判断目标在该段时间内的水中航行深度变化较小或以恒定深度航行；若实测的海底表面波能量峰值所对应的频率随某段时间变化曲线4的斜率为正，则判断目标在该段时间内于水中下潜，若实测的海底表面波能量峰值所对应的频率随某段时间变化曲线4的斜率为负，则判断目标在该段时间内于水中上浮；据此，可给出时间段内水下目标深度的变化信息；

将实测的海底表面波能量峰值所对应的频率随某段时间变化曲线4与仿真的不同深度时海底表面波能量峰值所对应的频率随深度变化曲线2对比：

若实测的海底表面波能量峰值所对应的频率随某段时间变化曲线4与仿真的不同深度时海底表面波能量峰值所对应的频率随深度变化曲线2中的某一频段接近或重合，则判断目标在该频段对应的深度范围内；

将分选结果作为输出。

上述步骤1中，通过高阶有限差分算法建立浅海海底地震波场模型，运行浅海海底地震波场模型获取仿真的水中目标声源诱发的地震波信号，通过虚拟接收点接收得到仿真的应力时域数据；获取真实海洋环境下实测的水中目标声源诱发的地震波信号，通过地震波传感器接收得到实测的应力时域数据。

应力时域数据通过将原点设置为体积源中心点垂直于海底表面的投影点，设置接收阵长度和阵元间距得到相应数量的接收点，运行浅海海底地震波场模型得到各接收点下的应力时域数据，应力时域数据的原点为所述接收点在0时刻下接收到的垂向应力强度，横轴为时间，纵轴为垂向应力强度。

根据仿真的和实测的应力时域数据，提取应力时域数据得到(t,x)矩阵，其中t为时间变量，x为空间变量；对(t,x)矩阵进行FK变换得到(f,k)矩阵，其中，横轴为波数，纵轴为频率；对(f,k)矩阵进行滤波处理，滤除同频的水声信号，得到仅含有海底表面波的(f

对某一深度下目标声源仿真的时频图进行功率谱分析得到海底表面波能量峰值对应的频率，仿真不同深度下目标声源诱发的海底表面波能量峰值对应的频率，将不同深度下的频点进行曲线拟合，得到一条仿真的不同深度时海底表面波能量峰值所对应的频率随深度变化曲线2，其中，横轴为深度，纵轴为频率。

通过框选(f,k)矩阵中表面波亮点，进行二维傅里叶反变换得到仅包含海底表面波的(t

上述步骤1中，逐一提取不同深度下仿真的目标声源频率对应的海底表面波能量幅值，拟合相同目标声源深度下的各离散点，得到不同深度下多条仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1，逐一提取不同深度下仿真的目标声源诱发的海底表面波能量峰值对应的频率，拟合不同深度下目标声源对应的各频率离散点，得到一条仿真的不同深度时海底表面波能量峰值所对应的频率随深度变化曲线2；提取实测的目标声源频率对应的海底表面波能量幅值，得到实测的海底表面波能量随低频变化曲线3，其中，横轴为频率，纵轴为能量，单位为分贝，提取实测的目标声源诱发的海底表面波能量峰值对应的频率，得到实测的海底表面波能量峰值所对应的频率随某段时间变化曲线4，其中，横轴为时间，纵轴为频率。

本发明基于不同深度上航行的水面和水下目标诱发的海底表面波信号功率谱特性差异，实现对浅海水面水下目标的分选，以及获取水下目标的深度信息。

附图说明

图1为目标声源频率-波数示意图；

图2为海底表面波波数随频率变化示意图；

图3为不同深度下的多条海底表面波能量随低频变化曲线示意图；

图4为本发明实施例1地震波传感器接收到的目标船的地震波信号图；

图5为本发明实施例1时频图；

图6为本发明实施例1实测的海底表面波能量随低频变化曲线3示意图；

图7为本发明实施例1仿真的多条仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1示意图；

图8为本发明实施例2试验现场示意图；

图9为本发明实施例2浅海海底地震波场示意图；

图10为本发明实施例2将水声信号滤除示意图；

图11为本发明实施例2时频图；

图12为本发明实施例2仿真的多条仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1示意图；

图13为本发明实施例2实测的海底表面波能量峰值所对应的频率随次数变化曲线4示意图；

图14为本发明实施例2仿真的不同深度时海底表面波能量峰值所对应的频率随深度变化曲线2示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，为本发明一种(f,k)矩阵实例，如图2所示，为本发明一种(f

实施例1：

试验海域为东海某水域，海域水深15m，海底表层底质为泥。港口两侧设有防浪堤，长度约有2km，由水泥墩堆砌而成，高出海面约5m。

为确保接收到的是海底表面波，将地震波传感器布放在防浪堤内侧相距约1km的海底，目标船位于防浪堤外侧的船舶锚地(即水面以上)，与地震波传感器直线距离约7.5km，目标船为排水量在10万吨级的货轮，空载航行，试验过程中，除有少量小渔船从附近驶过外，再无其他大型船只。通过地震波传感器接收到的目标船的地震波信号，如图4所示，获取实测的应力时域数据，提取应力时域数据得到(t,x)矩阵，其中t为时间变量，x为空间变量；对(t,x)矩阵进行FK变换得到(f,k)矩阵，其中，横轴为波数，纵轴为频率；对(f,k)矩阵进行滤波处理，滤除同频的水声信号，得到仅含有海底表面波的(f

建立浅海海底地震波场模型，根据试验海域环境，设置沉积层为泥质岩，厚度5m，基底为玄武岩，海水深度为15m，模拟相同真实海洋环境，将目标声源深度设置为距海面1.5、5.5、9.5、13.5m，改变声源频率为5-30Hz，通过虚拟接收点接收得到仿真的应力时域数据，根据仿真的应力时域数据，提取应力时域数据得到(t,x)矩阵，其中t为时间变量，x为空间变量；对(t,x)矩阵进行FK变换得到(f,k)矩阵，其中，横轴为波数，纵轴为频率；对(f,k)矩阵进行滤波处理，滤除同频的水声信号，得到仅含有海底表面波的(f

将实测的海底表面波能量随低频变化曲线3与多条仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1进行对比(其中，实测的海底表面波能量随低频变化曲线3与多条仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1坐标轴相同，横轴为频率，纵轴为能量，单位为分贝)：实测的海底表面波能量随低频变化曲线3不是抛物线且未落于多条仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1中的多条曲线范围内，故分选该目标为水面目标，与实际情况一致；将分选结果作为输出。

实施例2：

采用气枪作为真实海洋环境下实测的目标声源，通过调整其布放深度来模拟水下目标声源的不同深度，由于实测为脉冲信号，则对比同一频率下表面波能量数值。

试验在东海某海域开展，试验海域基岩为坚硬岩石，上层覆盖约6m厚的淤泥层。水深起伏较小，经过查询海图并对海域进行水深测量，选取了一片海底平缓、水深约为25m的海域进行试验。

以S-HF-HZY型气枪在水中激发产生信号，气枪如图8中的椭圆所框，气枪内部压力为8Mpa，为了监测气枪在水中激发的信号，在气枪深度上方1m处布放一个子波检波器，如图8中的圆圈所框，用于接收气枪激发产生的水声信号。

试验中，采用高压设备为气枪打压，然后将气枪置于水中指定深度，用气枪激发，在海底产生地震波信号，在距气枪1350-1600m范围内间隔50m布放地震波传感器，试验现场布局如图8所示。

实测气枪深度9m时，通过地震波传感器接收得到实测的应力时域数据，其中包括地声信号和水声信号，二者在频率、传播速度上存在差异，如图9所示；根据实测的应力时域数据，获取实测的应力时域数据，提取应力时域数据得到(t,x)矩阵，其中t为时间变量，x为空间变量；对(t,x)矩阵进行FK变换得到(f,k)矩阵，其中，横轴为波数，纵轴为频率；对(f,k)矩阵进行滤波处理，根据地声信号和水声信号波速的不同，将同频的水声信号滤除，得到仅含有海底表面波的(f

将实测气枪深度调整为14m、18m和22m，重复上述处理过程，提取不同深度下气枪诱发的海底表面波能量峰值对应的频率，分别为30.5Hz、31Hz和31.3Hz。由于气枪是脉冲声源，不同声源深度处理的结果在时间上不连续，因此得到的实测的海底表面波能量峰值所对应的频率随某段时间变化曲线4即为气枪诱发的海底表面波能量峰值所对应的频率随次数变化曲线4，将原来横轴为时间调整为次数，如图13所示。

建立浅海海底地震波场模型，根据试验海域环境，设置沉积层为泥质岩，厚度5m，基底为玄武岩，海水深度为25m，模拟相同真实海洋环境，将目标声源深度设置为距海面2.5、9.5、16.5、22.5m，改变声源频率为20-50Hz，通过虚拟接收点接收得到仿真的应力时域数据，根据仿真的应力时域数据，提取应力时域数据得到(t,x)矩阵，其中t为时间变量，x为空间变量；对(t,x)矩阵进行FK变换得到(f,k)矩阵，其中，横轴为波数，纵轴为频率；对(f,k)矩阵进行滤波处理，滤除同频的水声信号，得到仅含有海底表面波的(f

将实测的海底表面波能量随低频变化曲线3(本实施例中为能量值)与多条仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1进行对比(其中，实测的海底表面波能量随低频变化曲线3与多条仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1坐标轴相同，横轴为频率，纵轴为能量，单位为分贝)：将表面波能量数值82dB与仿真的多条仿真的海底表面波能量随低频变化曲线1(图12所示)中的多条曲线进行对比，30Hz时的能量谱集中在78-93dB，而表面波能量数值82dB的能量在此范围内，故分选该目标为水下目标，与实际情况一致；将分选结果作为输出。其中，声源深度2.5-9.5m时，能量谱范围为78-83dB，覆盖了实测信号的能量，因此也可粗判出目标声源深度介于2.5-9.5m之间，与试验结果一致。

如图13所示，由于实测的海底表面波能量峰值所对应的频率随次数变化曲线4(横轴将时间改为次数)斜率为正，可初步判断目标为下潜态势；将实测的海底表面波能量峰值所对应的频率随次数变化曲线4(横轴将时间改为次数)与仿真的不同深度时海底表面波能量峰值所对应的频率随深度变化曲线2进行对比(其中，实测的海底表面波能量峰值所对应的频率随次数变化曲线4与仿真的不同深度时海底表面波能量峰值所对应的频率随深度变化曲线2纵轴相同，纵轴为频率)：即将实测的海底表面波能量峰值对应的频率30-42.3Hz与仿真的不同深度时海底表面波能量峰值所对应的频率随深度变化曲线2(图14所示)进行对比，30-42.3Hz对应的声源深度在9.5-22.5m范围内，可判出目标深度由9.5m向22.5m下潜，与试验声源深度变化接近。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。