一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法技术

本发明专利技术公开了一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法。利用放置于海底深度的单支三维矢量水听器，接收声源发出的声信号，生成声压谱和振速谱数据；由水平和垂直的声强互谱获得水平方位角估计值；利用估计值合成水平振速谱；由垂直声强互谱与合成水平声强互谱获得垂直到达角估计值；对声强谱进行高分辨谱估计获得调制频率，并利用调制频率获得声源深度估计结果；对声源在任一时间段的数据进行分段处理，联合绘制不同时段的水平方位角、垂直到达角和深度估计结果的跟踪曲线。本发明专利技术解决以往使用大型阵列通过空间扫描和导向空间匹配方法进行水中声源参数估计与跟踪的系统复杂问题。跟踪的系统复杂问题。跟踪的系统复杂问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法


[0001]本专利技术属于水中目标跟踪领域；具体涉及一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法。

技术介绍

[0002]对水下目标的方位、距离和深度等参数进行估计是水下目标监测、探测和跟踪的核心任务。一般是使用大型阵列，但由于系统复杂度大，信息处理压力大，系统海上操作和布放困难，设计更为简化的系统和优秀的跟踪方法需求迫切。
[0003]相对于一般的声压水听器只能获得声场的声压信息，三维矢量水听器可共点同步测量得到声场中的声压和质点振速信息，为声场信息的全面感知和获取创造了更有利的条件，也为简化系统规模提供了可能的解决方案。利用单只矢量水听器可完成对自由场条件下目标方位的高精度估计，但无法实现对水下目标更为丰富信息的估计，且直接使用与海洋信道环境下的误差较大，这是目前存在的一大问题。
[0004]结合海洋信道条件，重新构造矢量水听器接收信号的声压振速声强互谱形式，将声源的水平方位角、垂直到达角和深度信息隐含于声强互谱之中，从而更为有效的利用海洋信道条件和矢量信息，通过解算，可同时获得水平方位角、垂直到达角和深度的估计结果，这一思想既可以解决目前信道条件下矢量水听器方位估计误差大的问题，也可利用信道信息追加获得垂直到达角和深度的估计结果，得到的声源信息更为丰富。与传统的垂直阵处理模式相比，仅使用三维矢量水听器就可以获得与阵列类似的垂直到达角结果，且无需利用信道模态滤波就可获得深度估计结果，这些因素都使得该思路具有极大的新颖性。此外，由于采用了坐底的布放使用模式，系统布放后具有极高的隐蔽性，矢量水听器接收系统所处海洋环境的背景噪声更低，且固定坐底安装后水听器姿态稳定，接收信号质量更好。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法，该方法改善了以往使用大型阵列通过空间扫描和导向空间匹配方法进行水中声源参数估计与跟踪的系统复杂问题，可获得简化系统、高估计精度和高跟踪效率的有益效果。且系统布放与海底，稳定性和隐蔽性更优，可为水中目标的跟踪和探测提供丰富的水平方位角、垂直到达角和深度联合信息，具有广阔的应用前景。
[0006]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法，所述水中声源方位深度协同跟踪方法包括以下步骤：
[0008]步骤1：利用放置于海底深度的单支三维矢量水听器，接收靠近海面上部声源发出的声信号，生成声压谱和振速谱数据；
[0009]步骤2：基于步骤1的声压谱和振速谱数据，由水平x方向的声强和垂直y方向的声
强互谱获得水平方位角估计值
[0010]步骤3：利用步骤2的水平方位角估计值合成水平振速谱V
r
(r
s
,z
s
,ω)；
[0011]步骤4：由垂直声强互谱与合成水平声强互谱获得垂直到达角估计值
[0012]步骤5：对步骤2的声强谱进行高分辨谱估计获得调制频率f
period
，并利用f
period
具有与矢量水听器的布放深度z
s
、波数k和加权平均入射角θ
s
有关的周期性调制关系，获得声源深度估计结果
[0013]步骤6：对声源在任一时间段的数据进行分段处理，得到不同时段的水平方位角估计值垂直到达角和深度估计结果，并联合绘制跟踪曲线。
[0014]进一步的，所述步骤1具体为，
[0015]设置矢量水听器所在位置为参考坐标系原点，根据虚源理论，接收点处接收到的由(r
s
,z
s
)处声源发出的声波，其声压谱表示为，
[0016][0017]其中，P1(r
s
,z
s
,ω)和P2(r
s
,z
s
,ω)分别表示直达波和海面反射波的声压；声速为c时，波数为k＝ω/c；ω∈[ω
l ω
h
]为角频率，ω
l
和ω
h
分别是分析频带的下限和上限；S(ω)是声源复谱振幅；η是海面反射系数，有η≈-1；R
s-和R
s+
是直达波和海面反射波路径的倾斜距离，即当z
b
＞＞z
s
，仅考虑直达波和海面反射波的相位差，则(1)式表达为：
[0018][0019]其中，sinθ
s
＝H/R
s
，H是海水深度，θ
s
为直达波和海面反射波的加权平均入射角；z
s
为声源深度，r
s
为声源到接收水听器的水平距离；
[0020]矢量水听器接收到的水平x方向和y方向的质点振速谱表示为：
[0021][0022][0023]其中，ρ为海水密度；φ
s
为声源入射方位角；θ
s1
和θ
s2
分别是直达波和表面反射波的垂直到达角；由于声源和接收器之间的深度间隔大，θ
s1
和θ
s2
都接近θ
s
，公式(4)近似为
[0024][0025][0026]矢量水听器接收到的垂直z方向的质点振速谱表示为：
[0027][0028]进一步的，所述步骤2具体为，
[0029]水平x方向的声强互谱I
x
(r
s
,z
s
,ω)和y方向声强互谱I
y
(r
s
,z
s
,ω)分别为：
[0030][0031][0032]其中，(公式中有笔误，应该均为P(r
s
,z
s
,ω)，公式(8)和(9)均已修改。)
*
表示复共轭算子，
[0033]根据y方向和x方向的声强互谱的比值确定水平方位角
[0034][0035]其中，arctan表示反正切运算。
[0036]进一步的，所述步骤3具体为，
[0037]指向方向的合成水平振速谱V
r
(r
s
,z
s
,ω)表示为：
[0038][0039]当时，利用三角函数性质可知：
[0040][0041]进一步的，所述步骤4具体为，
[0042]合成水平方向声强互谱I
r
(r
s
,z
s
,ω)和垂直方向声强互谱I
z
(r
s
,z
s
,ω)分别为：
[0043][0044][0045]根据垂直方向声强互谱和合成水平方向声强互谱的比值估计垂直到达角
[0046][0047]进一步的，所述步骤5具体为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法，其特征在于，所述水中声源方位深度协同跟踪方法包括以下步骤：步骤1：利用放置于海底深度的单支三维矢量水听器，接收靠近海面上部声源发出的声信号，生成声压谱和振速谱数据；步骤2：基于步骤1的声压谱和振速谱数据，由水平x方向的声强和垂直y方向的声强互谱获得水平方位角估计值步骤3：利用步骤2的水平方位角估计值合成水平振速谱V
r
(r
s
,z
s
,ω)；步骤4：由垂直声强互谱与合成水平声强互谱获得垂直到达角估计值步骤5：对步骤2的声强谱进行高分辨谱估计获得调制频率f
period
，并利用f
period
具有与矢量水听器的布放深度z
s
、波数k和加权平均入射角θ
s
有关的周期性调制关系，获得声源深度估计结果步骤6：对声源在任一时间段的数据进行分段处理，得到不同时段的水平方位角估计值垂直到达角和深度估计结果，并联合绘制跟踪曲线。2.根据权利要求1所述一种基于坐底单三维矢量水听器的水中声源方位深度协同跟踪方法，其特征在于，所述步骤1具体为，设置矢量水听器所在位置为参考坐标系原点，根据虚源理论，接收点处接收到的由(r
s
,z
s
)处声源发出的声波，其声压谱表示为，其中，P1(r
s
,z
s
,ω)和P2(r
s
,z
s
,ω)分别表示直达波和海面反射波的声压；声速为c时，波数为k＝ω/c；ω∈[ω
l
ω
h
]为角频率，ω
l
和ω
h
分别是分析频带的下限和上限；S(ω)是声源复谱振幅；η是海面反射系数，有η≈-1；R
s-和R
s+
是直达波和海面反射波路径的倾斜距离，即当z
b
＞＞z
s
，仅考虑直达波和海面反射波的相位差，则(1)式表达为：其中，sinθ
s
＝H/R
s
，H是海水深度，θ
s
为直达波和海面反射波的加权平均入射角；z
s
为声源深度，r
s
为声源到接收水听器的水平距离；矢量水听器接收到的水平x方向和y方向的质点振速谱表示为：矢量水听器接收到的水平x方向和y方向的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋海岩，
申请(专利权)人：黑龙江工程学院，
类型：发明
国别省市：