[發(fā)明專(zhuān)利]一種水下聲源功率譜特征獲取方法、系統(tǒng)及應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110563547.2
• 申請(qǐng)日: 2021-05-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113325399A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王好忠;王良;高偉;李小雷
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)海洋大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01S7/537
• 分類(lèi)號(hào): G01S7/537;G10L25/18
• 代理公司: 北京匯捷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11531
• 代理人: 盛君梅

本發(fā)明屬于水中目標(biāo)聲輻射特性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種水下聲源功率譜特征獲取方法、系統(tǒng)及應(yīng)用，所述水下聲源功率譜特征獲取方法包括：水平陣接收目標(biāo)輻射信號(hào)及傅里葉變換預(yù)處理；計(jì)算距離?頻率域的聲強(qiáng)干涉結(jié)構(gòu)；確定聲功率譜與聲強(qiáng)干涉結(jié)構(gòu)的關(guān)系；利用插值算法沿干涉亮紋提取聲強(qiáng)值；進(jìn)行聲源功率譜估計(jì)。本發(fā)明根據(jù)聲場(chǎng)多途傳播特性，利用聲場(chǎng)在距離?頻率域的干涉條紋結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)基于水平陣的目標(biāo)輻射特性測(cè)量方法，為我國(guó)近海目標(biāo)特性測(cè)量提供新思路。相對(duì)于傳統(tǒng)的水平陣模基匹配聲輻射特性測(cè)量方法，本發(fā)明不需要完備的海洋環(huán)境信息和已知目標(biāo)的絕對(duì)位置信息，充分利用淺海信道聲傳播特性，功率譜特征估計(jì)算法簡(jiǎn)單、淺海測(cè)試實(shí)用性強(qiáng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水中目標(biāo)聲輻射特性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水下聲源功率譜特征獲取方法、系統(tǒng)及應(yīng)用。

背景技術(shù)

目前，聲源級(jí)、功率譜等固有輻射特征是被動(dòng)聲納實(shí)現(xiàn)水中目標(biāo)(艦船、非合作主動(dòng)聲納)探測(cè)識(shí)別所利用的主要信息源。歐美等西方國(guó)家對(duì)水中目標(biāo)聲輻射特性的測(cè)量，尤其是低頻聲輻射特性的測(cè)量，大都在深海海域開(kāi)展。然而我國(guó)周邊沿海多為淺海環(huán)境，目標(biāo)聲輻射特性測(cè)量大都在淺海近距離范圍開(kāi)展，受測(cè)試海洋環(huán)境的影響，淺海目標(biāo)固有輻射特性在測(cè)量設(shè)備位置處產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，并且傳統(tǒng)的單水聽(tīng)器和短陣測(cè)量方法結(jié)果存在較大的不確定性，這主要表現(xiàn)在：

(1)海洋信道的調(diào)制效應(yīng)：即使在理想靜態(tài)的測(cè)試環(huán)境下，海洋信道中的多途干涉、頻散衰減等因素使得目標(biāo)輻射信號(hào)在傳播過(guò)程中產(chǎn)生了嚴(yán)重畸變。海洋信道是天然的角度濾波器，聲能量主要集中在特定的俯仰角傳播(多途傳播)，同時(shí)由于多途干涉，海洋信道還表現(xiàn)出“梳狀濾波器”的特征，使得聲場(chǎng)在頻率-距離平面內(nèi)具有干涉條紋結(jié)構(gòu)。干涉結(jié)構(gòu)和角度濾波使得目標(biāo)輻射信號(hào)在不同測(cè)量位置處具有不同的畸變特征，這給目標(biāo)固有輻射特性測(cè)量帶來(lái)了一定困難。

(2)海洋環(huán)境的時(shí)空變化：海洋動(dòng)力學(xué)過(guò)程使得海洋環(huán)境具有隨時(shí)間和空間隨機(jī)變化的特征，引起目標(biāo)輻射信號(hào)在海洋信道傳播過(guò)程中的時(shí)空起伏變化，使得測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果一致性降低。同時(shí)時(shí)變信道降低了接收聲信號(hào)的時(shí)間相關(guān)性和空間相關(guān)性，使得陣列信號(hào)處理的時(shí)間增益和空間增益難以達(dá)到預(yù)期。近距離測(cè)量可有效控制海洋環(huán)境時(shí)空變化的影響。

水中目標(biāo)輻射特性測(cè)量始于第二次世界大戰(zhàn)，近百年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)水平和測(cè)量裝備的不斷發(fā)展，目標(biāo)輻射特性的測(cè)量方法和測(cè)量技術(shù)也日益改進(jìn)。其中，基于水平陣的測(cè)量方法是水中目標(biāo)輻射特性測(cè)量的常用方法之一。利用水平陣測(cè)量目標(biāo)輻射特性主要有兩種安裝方式：一是在測(cè)試海域固定放置在海底，利用測(cè)試海域海洋環(huán)境進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)后，用于目標(biāo)輻射特性測(cè)量，這種安裝方式系統(tǒng)噪聲低，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，適合于低頻輻射噪聲特征測(cè)量，但這種安裝方式工程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高；二是測(cè)量船拖曳水平陣方式，相比第一種方式，拖曳陣靈活性和機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)，但這種方式需要測(cè)量船會(huì)帶來(lái)更高的本底噪聲和背景干擾。兩者各有利弊，視測(cè)量環(huán)境和測(cè)量需求來(lái)選擇不同的安裝方式。

目前基于水平陣的目標(biāo)輻射特性測(cè)量方法主要包括：(1)聲場(chǎng)平均平滑處理；(2)匹配場(chǎng)處理和虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡等模基匹配處理方法。其中平均平滑處理方法是通過(guò)水平陣各陣元接收信號(hào)功率譜求和處理來(lái)抑制多途干涉的影響，該方法在低頻測(cè)量時(shí)需要較長(zhǎng)的水平陣孔徑。匹配場(chǎng)處理和虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡方法需要已知準(zhǔn)確完備的海洋環(huán)境信息來(lái)計(jì)算拷貝場(chǎng)和時(shí)反算子，這些環(huán)境信息包括：水體的聲速剖面、海底聲學(xué)參數(shù)(聲速、密度、衰減系數(shù)、彈性性質(zhì))和分層結(jié)構(gòu)，而海底參數(shù)的測(cè)量和獲取增加了這些方法的復(fù)雜度。在較短的水平陣孔徑前提下，減少測(cè)量方法對(duì)環(huán)境參數(shù)的依賴(lài)性，是提高水平陣在測(cè)量目標(biāo)固有輻射特性(功率譜)工程實(shí)用性的關(guān)鍵。但現(xiàn)有技術(shù)存在以下問(wèn)題：

(1)水平陣孔徑限制

平均平滑處理方法需要長(zhǎng)孔徑水平陣來(lái)抑制聲場(chǎng)相干成分的影響。匹配場(chǎng)處理和虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡等方法都需要較長(zhǎng)的水平陣孔徑來(lái)提高估計(jì)目標(biāo)輻射特性的精度。

(2)準(zhǔn)確、完備的海洋環(huán)境信息難以獲取

基于水平陣的匹配場(chǎng)處理和虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡方法估計(jì)目標(biāo)輻射功率譜，大都需要已知完備的、準(zhǔn)確的海洋環(huán)境信息。