[發明專利]一種淺海環境下基于水平陣列的水面水下目標分類方法

有效

• 申請號: 202110161293.1
• 申請日: 2021-02-05
• 公開（公告）號: CN112987004B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 徐國軍;張衛華;朱家華;朱敏;吳艷群;郭繼周;張兵兵;彭承彥;郭微;胡正良;張文
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01S15/50
• 分類號: G01S15/50
• 代理公司: 湖南企企衛知識產權代理有限公司 43257
• 代理人: 任合明

本發明屬于水聲工程、海洋工程技術等領域，具體涉及一種淺海環境下基于水平陣列的水面水下目標分類方法，該方法先利用岸基水平陣列實際測量獲取目標輻射噪聲時序信號，然后分別對各陣元接收信號進行常規波束形成和頻率自適應的最優權重陣列波束形成處理，得到兩種情況下的目標輻射噪聲波束形成寬帶時頻域干涉譜圖，最后基于兩干涉譜圖中的干涉條紋差異實現水上水下目標分類。本發明的有益結果是：該方法利用固定于海底的水平陣列，對接收的目標輻射聲信號展開不同的波束形成處理完成目標的水面水下分辨，將淺海聲場時頻干涉結構特征融入目標識別過程，處理流程簡單，實現運動聲源快速分類，目標判別過程簡明、結果直觀。

技術領域

本發明屬于水聲工程、海洋工程技術等領域，具體涉及一種淺海環境下基于水平陣列的水面水下目標分類方法，該方法基于不同模態的聲場干涉條紋差異性來分類水面和水下目標，適用于岸基水平陣列、淺海負躍層環境，目標深度在躍層上的水面目標和躍層下的水下目標。

背景技術

在水聲領域，水面水下目標的分辨一直是一個亟待解決的問題。傳統方法有利用匹配場處理和采用垂直陣列基于信道特性的信息處理方法等，該類方法由于利用海洋信道特性，對聲環境參數要求高，聲信息采集裝備布放復雜等缺點。近年來發展的基于圖像處理和機器學習的目標分類方法、基于目標輻射噪聲特征分析和深度學習的目標分類方法等，將機器學習等先進的計算機技術引入水下目標信息處理，在目標樣本充足時能較好的訓練出分類目標的典型特征。但實際中，由于水下目標的數據樣本少，該類方法估計的目標分類結果精確度一般不高。

在淺海環境中，目標的聲傳播特性可利用簡正波模型來表征，因而不同深度聲源輻射聲場會由不同的模態組成。事實上，由于淺海環境通常為典型的負躍層環境(如我國東海、黃海的夏季環境)，導致海底岸基陣在淺海環境中接收到的水面目標聲場主要由SRBR模態(海面海底反射模態)組成，而水下目標聲場主要由nSRBR模態(非海面海底反射模態)中一種特殊的模態，即RBR模態(折射-海底反射模態)組成。采用波導不變量來描述SRBR模態和nSRBR模態時可以發現，SRBR模態波導不變量約為1，而nSRBR模態的波導不變量為負數或大于1。另一方面，不同取值的波導不變量對應在距離-頻率譜圖中展現的干涉條紋斜率方向存在顯著差異。

此外，相對于傳統方法采用的垂直陣列，水平陣列在工程上更加容易布放，且布放后陣形更加固定，這使得陣列波束形成的結果更加準確，有助于更方便地獲得目標輻射噪聲的時間-頻率譜圖。

發明內容

基于上述分析，如果基于水平陣列有效利用水面水下目標在模態上的差異性，就能夠相對于傳統方法更加方便、直觀、準確地實現水面水下目標分類。為了拓展岸基水平陣列水面水下目標分辨能力，本發明提出一種淺海環境下基于水平陣列的水面水下目標分類方法，先利用岸基水平陣列實際測量獲取目標輻射噪聲時序信號，然后分別對各陣元接收信號進行常規波束形成和頻率自適應的最優權重陣列波束形成處理，得到兩種情況下的目標輻射噪聲波束形成寬帶時頻域干涉譜圖，最后基于兩干涉譜圖中的干涉條紋差異實現水上水下目標分類。該方法主要利用淺海環境中水面和水下目標聲源輻射信號時，水平陣列接收到的目標聲場模態在的距離-頻率譜圖中干涉條紋的角度差，實現水面水下目標的快速分類判別。

本發明采用的技術方案為，所述水平陣列布設于淺于100m深的海底、陣元個數N為大于30的奇數、水平陣列長度大于200m，海區水體聲速剖面為負躍層，步驟如下：

步驟1：實際測量獲取目標輻射聲信號時間段內海區水體聲速剖面最大值和海底聲速值。

步驟2：實際測量獲取N元水平陣列各陣元接收的目標輻射噪聲時序信號聲壓向量。

步驟3：利用常規波束形成方法(詳見文獻：杜選民等著，聲納陣列信號處理技術，電子工業出版社，2018:52-53。)，得到被跟蹤運動目標輻射噪聲時間-頻率譜圖。