[发明专利]基于垂直波束谱空间差异因子的浅海目标深度分辨方法

说明书

本发明公开了一种基于垂直波束谱空间差异因子的浅海目标深度分辨方法，对垂直阵接收的声音信号做常规波束形成处理，得到数据波束图；基于环境参数，获取垂直阵的拷贝场波束图；基于数据波束图和拷贝场波束图计算二维的相关系数；基于二维相关系数分别计算对应水面声源区间和水下声源区间的平均相关系数；按照平均相关系数计算垂直波束谱空间差异因子；按照垂直波束谱空间差异因子和判决门限，对水面目标或水下目标作出判决。本发明依据垂直波束谱空间差异因子的符号正负来分辨信号源自水面目标或水下目标；本发明对声源初始距离不敏感，即无需准确获知声源初始距离信息，也可实现目标深度区间的判别，且对基阵倾斜与海底参数失配具有鲁棒性。

技术领域

本发明属于水声定位与识别技术领域，具体来说涉及一种基于垂直波束谱空间差异因子的浅海目标深度分辨方法。

背景技术

近年来，在美国战略重点转向印太的大背景下，我国周边国家和地区潜艇兵力发展迅速。美、日、澳、印度等军事大国相继装备大量基洛级潜艇后，越南的潜艇力量也在明显增强。由此我国在水下作战方面面临的挑战日益严峻，其中对潜水下监测与警戒问题尤为紧迫。我国在快速布放式区域水下警戒能力建设方面还处于起步阶段，尚无可用装备。而美、欧等海军强国，如美、俄、法、乌克兰等国都在发展以潜标为节点的快速布放式水下警戒系统，而潜标探测节点都是从接收信号提取其中蕴含的目标深度信息。

Bucker最先提出匹配场处理(Matched Field Processing，简记为MFP)的概念，利用测量的声学信息实现声源距离和深度的估计，然而匹配场处理对环境参数的变化很敏感，并且需要较大的基阵孔径。由于简正波的各阶模态函数随深度变化而变化，并且垂直阵(Vertical Line Array，简记为VLA)用于垂直方向的孔径，可以实现深度方向的采样。鉴于此，一些学者提出了基于垂直阵的匹配模态处理(Matched Mode Processing，简记为MMP)，用于处理水面水下目标的判别问题。MMP首先利用声场仿真程序，依据环境参数计算出各阵元深度对应的模态函数，构建模态分解矩阵。然后利用垂直阵接收的信号和模态分解矩阵进行模态滤波计算声源激发的各阶模态强度，通过模态强度的分布实现目标深度的判别。值得注意的是，在有限基阵孔径，且有限阵元的情况下，模态分解矩阵不是正交完备的，涉及模态逆矩阵的选择问题。

国内在水下目标分辨方面的研究方面工作相对来说起步较晚，大部分还处于概念和原理验证的阶段。典型研究工作如下：余赟、惠俊英等人利用双接收传感器声压和垂直振速简正波的复声强无功分量及交互负声强的相角关系进行水面水下目标判别，提高了工作频率，然而方法受限于两接收传感器的深度布放，且要求波导中可传播的简正波为2阶。方世良等人研究了基于频散特征结合时频分析的单水听器距离和深度估计方法，采用多模态联合匹配的方式，通过二值掩模滤波的时频滤波方法提取所需的模态，通过计算实际提取出的模态能量与预测的模态能量之间的误差来建立代价函数，并通过模态能量匹配的方式确定声源的深度，在Pekeris波导模型的浅海环境通过仿真验证了方法的有效性。张璐等利用矢量垂直阵对声压和振速互谱函数有功分量正负号进行水面和水下目标判决，利用数值仿真和湖试试验进行了方法的验证。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于垂直波束谱空间差异因子的浅海目标深度分辨方法，以解决背景技术中现有的目标深度分辨方法受限于布放深度和波导要求的问题。

为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：

一种基于垂直波束谱空间差异因子的浅海目标深度分辨方法，包括以下步骤：

对垂直阵接收的声信号做常规波束形成处理，得到数据波束图；

基于环境参数和垂直基阵配置，获取垂直阵的拷贝场波束图；

基于数据波束图和拷贝场波束图计算二维的相关系数；

基于二维相关系数分别计算对应水面声源区间和水下声源区间的平均相关系数；