[发明专利]基于深海垂直阵的目标线谱自主检测及运动要素估计方法

说明书

本发明属于水声物理技术领域，尤其涉及基于深海垂直阵的目标线谱自主检测及运动要素估计方法，所述方法包括：对垂直水听器阵列采集的时域声场进行傅里叶变换和波束形成处理，并规范到多个子频带范围内；将预先计算的待测目标航行轨迹与变换到波束‑时间域内的实测声场进行匹配处理；利用一维信号峰值估计算法估计线谱的频率，得出待测目标的线谱频率、航速和最近通过距离。本发明利用线谱能量比值关系可以自主识别和计算出水声目标的线谱频率；并且能计算出水声目标的平均航速和距离垂直阵最近的水平距离。

技术领域

本发明属于水声物理技术领域，尤其涉及基于深海垂直阵的目标线谱自主检测及运动要素估计方法。

背景技术

随着水声目标减振降噪技术的发展，舰船辐射噪声声源级大幅度降低，传统基于宽带能量累积的检测方法性能受限。舰船辐射噪声是连续谱和线谱叠加而成的混合 谱，连续谱贡献了宽带声源级的大部分能量，而低频线谱通常具有强度高、相位稳定 性好等特点是识别水下目标的关键特征。传统的线谱提取方法是通过预处理、谱峰提 取、后置处理等过程，在有偶尔随机干扰弱线谱的条件下提取线谱特征。这种线谱提 取方法在近场、环境与目标均单一的条件是可行的。但在实际海洋环境中，环境噪声 的线谱干扰也是稳定和持续存在的。结合水声环境背景噪声特性，以水声目标-环境 耦合声场特征为基础提取水下目标的线谱特征在实际海洋环境中更具有优势，也是 解决典型深海环境下水声目标监测这一迫切需要的关键问题的前提。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了基于深海垂直阵的目标线谱自主检测及运动要素估计方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于深海垂直阵的目标线谱自主检测及运动要素估计方法，所述方法包括：

步骤1)对垂直水听器阵列采集的时域声场进行傅里叶变换和波束形成处理，并规范到多个子频带范围内；

步骤2)将预先计算的待测目标航行轨迹与变换到波束-时间域内的实测声场进行匹配处理；

步骤3)利用一维信号峰值估计算法估计线谱的频率，得出待测目标的线谱频率、航速和最近通过距离。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)的垂直水听器阵为阵元间距为d的N元 均匀分布的垂直线列阵。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

对垂直水听器阵列采集的时域信号p(t,z_n)进行快速傅里叶变换，得到频率域信号P(f,z_n)：

其中，f表示频率，t表示时间，z_n表示信号幅值；

则由F个频率和N个阵元的P(f,z_n)组成接收声场矩阵P(f,z_n)；

根据垂直线列阵所处深度z_r的海水平均声速c(z_r)，由下式得到垂直线列阵的 指向角θ的导向向量w(f,θ)为：

其中，d为垂直线列阵的阵元间距，T表示转置；

从而将同时指向θ₁,θ₂,…,θ_L的L个波束构成导向向量矩阵A(f,θ)：

A(f,θ)＝[w(f,θ₁),w(f,θ₂),…,w(f,θ_L)]

由接收声场矩阵P(f,z_n)和导向向量矩阵A(f,θ)得到频率-掠射角度的波束响 应矩阵B(f,θ)为：