[發明專利]一種深海環境下基于模型計算的聲源定深方法

有效

• 申請號: 201810340321.4
• 申請日: 2018-04-17
• 公開（公告）號: CN108572349B
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發明（設計）人: 楊坤德;盧艷陽
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01S5/22
• 分類號: G01S5/22
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種深海環境下基于模型計算的聲源定深方法，自海面至海底布置陣元數為M的水聽器陣，對所有陣元接收到的信號進行傅里葉變換，對所有陣元進行計算得到基于聲場的互易性和時不變性，利用聲場模型建模計算，對信號形式沒有要求，也沒有太復雜的信號處理過程或大量的計算量。根據仿真可知，該定深算法對深海環境下不同聲源深度、在不同距離上都具有較好的定深效果。

技術領域

本發明屬于深海目標定深方法，水聲工程、海洋工程和聲吶技術等領域，涉及一種深海環境下基于模型計算的聲源定深方法。

背景技術

水下定位一直是水聲工程研究的熱點，其主要包括目標定向、定深、測距以及運動速度估計等。而隨著信號處理技術的水平達到一定的高度后，對水下目標定位的研究開始注重海洋信道的結構和影響，其中匹配場定位是較為常見的基于海洋信道的定位方法之一。近些年，匹配場定位方法開始變得多樣化，包括有聲線到達角匹配、聲線時延差匹配、相關性匹配以及與頻率相關的一些匹配方法等。對目標定深、測距以及運動目標的研究也同樣有相關的發展。本發明基于不同深度的聲源對固定距離上不同深度處接收聲壓的不同提出了一種簡便的聲源定深方法。

關于聲源定深的問題國內外學者都有大量的研究，主要涉及以下幾類：(1)利用目標聲源模態的概率密度分布來對聲源深度進行估計，這種方法對海洋環境信息需求少但需要大量的計算量；(2)利用聲能流有功分量和無功分量正負號的變化來判別目標深度，該種方法需要目標聲源頻率較低，通常只應用在淺海中；(3)還有些方法利用頻散特征對聲源深度進行估計，但往往需要較高的信噪比；(4)還有其他一些方法通過模態域處理的手段來進行目標的深度估計，這類方法中模態的選取受海洋環境影響較大，比較復雜且不穩健；(5)另外還有些方法利用諧波干涉、聲波到達時延等信息進行定深。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種深海環境下基于模型計算的聲源定深方法，基于聲場的互易性和時不變性。本發明方法的特點是只需要簡單地利用聲場模型建模計算，對信號形式沒有要求，也沒有太復雜的信號處理過程或大量的計算量。

技術方案

在已知水下目標大概距離的情況下，本發明提供了一種簡單的深海環境下聲源深度預測方法。其物理機理是：在某固定距離上，對于不同深度的聲源，接收到的信號結構在深度上具有唯一性。自海面至海底布置陣元數為M的水聽器陣，聲源定深的具體實現步驟如下：

步驟1：水聽器陣的陣元接收到的信號為x_n，對所有陣元接收到的信號進行傅里葉變換：其中：k表示諧波序號，對應頻域頻率為f_s為采樣頻率，N是離散信號序列點數；

步驟2：選擇任一頻率f₀，計算其三分之一倍頻程帶寬內能量：其中：n₁＝f_L/df+1,n₂＝f_H/df+1,df＝f_s/N，并將能量歸一化：

步驟3：對所有陣元進行步驟2計算得到將其進行從大到小排序，取前K個值與該對應的陣元的深度為z_g,g＝1,2K，K的取值根據實際中水聽器分布的稀疏性而定；

步驟4：利用聲場模型進行計算，以z_g,g＝1,2K為仿真聲源深度，得到模型計算的K個聲場，得到已知的目標聲源距離r上各深度z_j上的聲壓p_j,g,g＝1,2K；

步驟5：計算聲壓幅值|p_j,g|,g＝1,2,K，并將不同聲源產生的幅值相加得到