利用聲波海底反射實現(xiàn)主動聲納遠程探測的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用聲波海底反射實現(xiàn)主動聲納遠程探測的方法，屬于水聲工 程、海洋工程和聲納技術(shù)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 匹配場處理技術(shù)得益于信號處理技術(shù)與水聲物理學(xué)的交叉。它在處理接收到的水 聲信號時，最大限度地利用了水聲信道模型、基陣設(shè)計、以及窄帶和寬帶相關(guān)處理技術(shù)的綜 合優(yōu)勢，因而與傳統(tǒng)淡化信道的信號處理技術(shù)相比取得了重大進展。匹配場處理是一個前 向傳播過程。它把測試點源放置到每一個搜索網(wǎng)格上，計算基陣上的拷貝場向量，然后把拷 貝場向量和真實聲源對應(yīng)的數(shù)據(jù)向量做相關(guān)處理。在預(yù)期目標位置區(qū)域內(nèi)進行搜索，拷貝 場向量和數(shù)據(jù)向量匹配時可獲得目標的位置估計。利用傳播模型計算各搜索網(wǎng)格對應(yīng)的拷 貝場向量需要耗費大量的時間。
[0003]當海洋環(huán)境隨距離變化時，需要利用拋物方程模型來計算拷貝場向量。此時，其計 算量相當驚人，這嚴重阻礙了其工程應(yīng)用。為了將匹配場處理技術(shù)應(yīng)用于工程實際中，必須 尋找新的方法和技術(shù)途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種利用聲波海底反射實現(xiàn)主動聲納 遠程探測的方法，其運算速度可大大提高，特別適用于淺海隨距離變化環(huán)境中目標的快速 定位。
[0005] 為了達到上述目的，本發(fā)明包括以下步驟：
[0006] 1)水聲信道中布放水聽器接收陣來實現(xiàn)水下目標的被動定位，估計出目標的距離 和深度；
[0007] 2)在各水聽器位置放置虛擬聲源，利用聲場計算模型計算出每個虛擬聲源在搜索 區(qū)域產(chǎn)生的拷貝場平面；
[0008] 3)對每個拷貝場平面進行相應(yīng)的加權(quán)求和；
[0009] 4)最終得到水下目標的定位模糊平面，從而判定目標的距離和深度。
[0010] 進一步地，包括以下具體的六步：
[0011] 步驟1 :將水聽器陣布放在海水中，采集得到水聲信號，將水聽器陣列數(shù)據(jù)向量x(t)的一段時間段分成彼此相互連接的一系列時間段，通過傅里葉變換把時域數(shù)據(jù)向量 X(t)變換到頻域，得到頻域快拍數(shù)據(jù)向量X(?);
[0012] 步驟2 :假定在該時間段內(nèi)信號的起伏變化主要是由噪聲引起的，通過對頻域快 拍數(shù)據(jù)向量X(U)的平均來估計數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣S(U) =e[x(u)xh(u)];
[0013]步驟3:對數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣做奇異值分解S(?) =U2VH，其中U=[U1，…，uk，…，uK]是一個NXK的矩陣，它的列向量Uk是左奇異值向量；2 =diag( 〇 …，〇 k,…，〇 K) 是一個KXK的矩陣，它的對角線元素是奇異值，V= [V1，…，vk，…，vK]是一個NXK的矩陣， 它的列向量Vk是右奇異值向量；
[0014] 步驟4 :虛擬時反處理的后向傳播數(shù)據(jù)向量d(rs，zs)可以由左奇異值向量和相應(yīng)
【主權(quán)項】
1. 一種利用聲波海底反射實現(xiàn)主動聲納遠程探測的方法，其特征在于：包括w下步 驟： 1) 水聲信道中布放水聽器接收陣來實現(xiàn)水下目標的被動定位，估計出目標的距離和深 度； 2) 在各水聽器位置放置虛擬聲源，利用聲場計算模型計算出每個虛擬聲源在捜索區(qū)域 產(chǎn)生的拷貝場平面； 3) 對每個拷貝場平面進行相應(yīng)的加權(quán)求和； 4) 最終得到水下目標的定位模糊平面，從而判定目標的距離和深度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用聲波海底反射實現(xiàn)主動聲納遠程探測的方法，其特征在 于；包括W下具體的六步： 步驟1 ;將水聽器陣布放在海水中，采集得到水聲信號，將水聽器陣列數(shù)據(jù)向量x(t)的 一段時間段分成彼此相互連接的一系列時間段，通過傅里葉變換把時域數(shù)據(jù)向量x(t)變 換到頻域，得到頻域快拍數(shù)據(jù)向量X(?); 步驟2 ;假定在該時間段內(nèi)信號的起伏變化主要是由噪聲引起的，通過對頻域快拍數(shù) 據(jù)向量X(?)的平均來估計數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣S(?) =E技（《)X?(?)]; 步驟3 ;對數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣做奇異值分解S(?) =U2V?，其中U= [Ui，…，Uk，…，％] 是一個NXK的矩陣，它的列向量Uk是左奇異值向量；Z=diag(0?！?，0k,…，0K)是一 個KXK的矩陣，它的對角線元素是奇異值，V= [V?！?，Vk，…，Vk]是一個NXK的矩陣，它 的列向量Vk是右奇異值向量； 步驟4 ;虛擬時反處理的后向傳播數(shù)據(jù)向量d(r,，z,)可W由左奇異值向量和相應(yīng)的奇 異值得到，
其中是r,目標聲源的距離，Z,是目標聲源的深度； 步驟5 ;在各水聽器位置放置虛擬聲源，每個虛擬聲源的距離和深度表示為h，Zi)，捜 索距離和深度區(qū)域表示為（r，z)，在捜索區(qū)域（r，z)內(nèi)產(chǎn)生一個歸一化拷貝場平面w(r，z; ri，Zi);對于不隨距離變化的海洋環(huán)境，拷貝場平面可W利用簡正波模型求出數(shù)值解；對于 隨距離變化的海洋環(huán)境，拷貝場平面則需要利用拋物方程模型來求其數(shù)值解； 步驟6 ;利用步驟（4)中得到的數(shù)據(jù)向量d(r,，Z,)，對拷貝場平面w(r，ZZi)進行加 權(quán)求和，即可得到最終的目標定位模糊平面
該定 位模糊平面內(nèi)的峰值即為目標距離和深度的最大似然估計。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用聲波海底反射實現(xiàn)主動聲納遠程探測的方法，其特征在 于；對于寬帶目標信號，采用多個頻率點非相干聯(lián)合處理的方法，可提高水下目標的定位精 度，降低定位模糊平面的旁瓣，多頻率點非相干聯(lián)合處理的計算公式為：
其中M為頻率數(shù)量，表示第j個頻率點。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用聲波海底反射實現(xiàn)主動聲納遠程探測的方法，其特征在 于；水聽器陣可采用垂直線列陣、拖曳線列陣或錯在海底的水平線列陣。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用聲波海底反射實現(xiàn)主動聲納遠程探測的方法，屬于水聲工程、海洋工程和聲納技術(shù)等領(lǐng)域。本發(fā)明目的在于提供一種利用聲波海底反射實現(xiàn)主動聲納遠程探測的方法，特別適用于淺海隨距離變化環(huán)境中目標的快速定位。水聲信道中布放水聽器接收陣來實現(xiàn)水下目標的被動定位，估計出目標的距離和深度；在各水聽器位置放置虛擬聲源，利用聲場計算模型計算出每個虛擬聲源在搜索區(qū)域產(chǎn)生的拷貝場平面；對每個拷貝場平面進行相應(yīng)的加權(quán)求和；最終得到水下目標的定位模糊平面，從而判定目標的距離和深度。本發(fā)明適用于深海環(huán)境中主動聲納目標遠程探測。
【IPC分類】G01S15-46
【公開號】CN104793212
【申請?zhí)枴緾N201510201856
【發(fā)明人】張同偉, 楊坤德, 丁忠軍, 楊波, 劉燁瑤, 唐嘉陵
【申請人】國家深?；毓芾碇行?br>【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月23日