[发明专利]一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法

说明书

本发明公开了一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，包括：接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱；利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析获得多途时延估计值；根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值；计算多途时延估计值与不同声源深度下的多途时延模板值的差值，将差值最小的多途时延模板值对应的深度作为目标声源深度估计值。

技术领域

本发明属于水声探测、声呐技术领域，具体涉及一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法。

背景技术

深海目标的深度估计是近些年水声研究的热点及难点问题之一。现有深度估计方法有匹配场方法、基于多途到达时延或干涉条纹的定深方法。匹配场处理方法对海洋环境参数以及阵列倾斜等参数敏感，对于深海环境，搜索范围大，计算量大，耗时长，且系统配置需为与海深可比的大孔径阵列，在深海条件下适用性差。

在深海直达声区域，由近海面目标传播至大深度接收点的直达波与海面反射波受水体和海底底质特性影响小，传播损失小，信号稳定，这两类波的到达时延随着声源深度的增大而增大，这为利用声场中的多途时延、宽带干涉特征实现声源深度估计提供了一个重要技术途径。公布号为CN 109444864 A和CN 108562891 A的中国专利涉及利用垂直阵波束输出在频率和到达角二维空间的干涉特征匹配深海目标深度估计方法，该方法样需要布放于海底的垂直线列阵以获得波束输出功率及目标到达角。基于深海劳埃德镜干涉现象的定深方法参见参考文献：“Performance metrics for depth-based signal separationusing deep vertical line arrays”，该文于2016年1月发表在《J.Acoust.Soc.Am.》第139期，起始页码为418，该方法忽略水中声速的变化，利用垂直阵检测来波方向的窄带能量随到达角变化的干涉周期实现目标深度估计，该方法需要布放于海底的垂直阵和对目标的长时间跟踪，且仅适用于直达声区域的近水平距离部分。公布号为CN 111580048 A的中国专利涉及一种单矢量水听器的宽带声源深度估计方法，该方法忽略了海水声速剖面的影响，深度估计误差会随着收发距离的增大而增大，同样仅适用于直达声区域的近水平距离部分。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，以解决现有深海环境下声源深度估计需要垂直线列阵、计算量大、仅适用于直达声区近水平距离等问题。本发明利用下述性质解决了传统方法需要垂直线列阵和计算量大的问题：由单矢量水听器获取的垂直声能流和水平声能流比值直接估计目标到达角，从而无需借助垂直线列阵的方位谱估计获得，大幅度降低了计算量和系统配置要求；另一方面，只需计算单一估计到达角下不同假设声源深度对应的多途时延或频域干涉周期模板值，而不需计算整个距离和深度二维空间的仿真声场，降低了系统计算量。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法，通过将单矢量水听器布放在深海大深度位置实现，所述方法包括：

接收目标辐射的宽带声压和三分量质点振速的时域信号，处理时域信号获得x、y和z三个方向的声能流和去均值后的声场强度谱；

利用x方向和y方向的声能流估计目标方位角并合成水平声能流；由z方向的声能流和水平声能流的比值计算目标到达角的估计值；

利用谱分析对去均值后的声场强度谱进行二重谱分析，获得多途时延估计值；

根据目标到达角的估计值结合声速剖面计算该到达角下不同声源深度对应的多途时延模板值；计算多途时延估计值与不同声源深度下的多途时延模板值的差值，将差值最小的多途时延模板值对应的深度作为目标声源深度估计值。