利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及属于水声工程、海洋工程和声纳技术等领域，尤其涉及一种利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法，适用于浅海目标被动探测。
【背景技术】
[0002]以反潜需求为例，在上个世纪后半叶，随着潜艇降噪和消回波技术取得巨大进展，潜艇辐射噪声显著减小。这使得被动声纳的作用距离急剧减小，甚至达到了两艘安静型潜艇互不发现以至相撞的地步。而作为背景噪声的海洋环境噪声极其复杂，特别是在浅海环境条件下更是如此。为了能够对安静型潜艇进行有效的反潜作战，迫切需要声纳系统提高对微弱信号的检测、定位、识别和跟踪能力。
[0003]对浅海中的背景噪声进行建模和预报是非常困难的。其原因是，浅海环境噪声强烈依赖于时间和空间。如果在海面附近存在一个等温混合层，那么背景噪声(中、高频)的接收指向性响应就会在水平方向上形成一个显著的凹槽。其原因是声线的向下折射使得风成噪声或远处航船的噪声以相对陡的角度向前传播。但是，环境的变化可能会使噪声重新分布在更浅的角度上，进而会填补这个凹槽。例如，当受到内波等的影响时，声传播过程中可能会出现强模态耦合，这可能导致噪声的凹槽被减弱，甚至消失。
[0004]对于给定的海域，在一段较短的时间内噪声的接收指向性响应往往是相对稳定的。当噪声的垂直接收指向性响应在水平方向形成凹槽时，这就给声纳设备检测从水平方向到达基阵的信号提供了一个非常有力的窗口。但是，受波导中多途效应的影响，声源辐射的信号往往会裂变为多个具有不同出射角的波束，使得信号并不总是从水平方向到达基阵。
[0005]因此，研宄如何充分利用浅海中垂直阵对海洋环境噪声和远距离声源辐射信号的接收指向性响应的差异，提高接收信号输出信噪比，进而提高被动声纳的作用距离，显得尤为迫切。
【发明内容】
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法，特别适用于夏季浅海环境下水下目标被动探测。
[0007]为了达到上述目的，本发明包括以下步骤:
[0008]步骤1:在浅海水声信道中放置短垂直阵；
[0009]步骤2:利用短垂直阵的空间孔径；
[0010]步骤3:构造常规波束形成加权向量；
[0011]步骤4:获取短垂直阵的接收指向性响应；
[0012]步骤5:形成短垂直阵对噪声数据和远距离声源的垂直接收指向性；
[0013]步骤6:通过比较两者的差异，合理调整短垂直阵的指向获得更高的输出信噪比。
[0014]进一步的详细的包括以下步骤:
[0015]步骤1:利用水听器对水声信号进行采样，对水听器接收信号进行带通滤波，这里以窄带信号为例。
[0016]步骤2:利用窄带时域快拍模型对采样比较稳定的数据来估计其协方差矩阵，数据协方差矩阵由式⑴表示=Rx(Gtl) = Ε[χ(θ0)*χ(θ0)τ]................................................(I)
[0017]其中，χ(Θ。)为基阵接收信号向量:χ( Θ Q) = [X1 ( Θ。)，χ2( Θ。)，...，χΝ( θ 0)]τ...............⑵
[0018]步骤3:对于等间隔线列阵，利用式(3)构造常规波束形成器的加权向量:
[0019]w ( Θ ) = [ I，e ikdcos θ , e i k 2 d …θ，...，e i k ( N -1 ) d c o s 0 ]
T......................................................(3)
[0020]其中，Θ是波束指向角。波数k= ω/c，c是水中的声速(大约为1500m/s)，d是水听器间距。
[0021]步骤4:对于一个给定的方向Θ，利用式(4)计算常规波束形成器对信号场或噪声场的接收输出功率响应:
[0022]Y ( Θ ) = y * y = w ( Θ ) H R χ ( Θ 0 )w( θ )...............................................................(4)
[0023]其中，上角标(.Γ表示取共轭，(.) η表示共轭转置。当信号入射方向Θ。与观测方向Θ相同时，式(4)中的Υ(θ)达到最大值。因此，在某种程度上，信号场的角度分布可以用式⑷来描述。
[0024]步骤5:分别估计短垂直阵对噪声数据和远距离声源的垂直接收指向性，并比较两者的差异。如当噪声的垂直接收指向性响应在水平方向形成凹槽时，给声纳设备检测从水平方向到达基阵的信号提供了一个非常有力的窗口。
[0025]步骤6:利用它们之间的差异，通过合理的调整垂直阵的指向获得更高的输出信噪比，进而提高被动声纳的作用距离。
[0026]本发明利用短垂直阵的空间孔径，构造常规波束形成加权向量，计算常规波束形成器对信号场或噪声场的接收输出功率响应。
[0027]本发明利用浅海环境中，特别是夏季浅海环境，垂直阵对环境噪声的接收指向性响应在水平方向形成凹槽，它给被动声纳设备检测从水平方向到达基阵的信号提供了一个非常有力的窗口。
[0028]本发明充分利用垂直阵对环境噪声和远距离声源接收指向性响应的差异，通过合理调整垂直阵的指向获得更高的输出信噪比，进而提高被动声纳的作用距离。
[0029]本发明受浅海波导中多途效应的影响，远距离声源辐射的信号可能会裂变为多个具有不同出射角的波束，使得信号并不总是从水平方向到达接收基阵，而随着海洋环境的变化，环境噪声可能分布在水平方向或其他方向上，这就使得声源和噪声的能量极有可能分别集中在不同的角度上，从而为利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离提供了可靠保证。
【附图说明】
[0030]图1为本发明垂直阵对噪声数据的垂直接收指向性示意图。
[0031]图2为本发明垂直线列阵对远距离声源信号的垂直接收指向性。
[0032]图3为分发明垂直阵的归一化输出能量谱。
[0033]其中:(a)垂直阵指向角Θ = 0° ;(b)子阵指向角Θ =7.6°。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0035]一种利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法，包括以下步骤:
[0036]步骤1:在浅海水声信道中放置短垂直阵；
[0037]步骤2:利用短垂直阵的空间孔径；
[0038]步骤3:构造常规波束形成加权向量；
[0039]步骤4:获取短垂直阵的接收指向性响应；
[0040]步骤5:形成短垂直阵对噪声数据和远距离声源的垂直接收指向性；
[0041]步骤6:通过比较两者的差异，合理调整短垂直阵的指向获得更高的输出信噪比。
[0042]进一步的详细的包括以下步骤:
[0043]步骤1:利用水听器对水声信号进行采样，对水听器接收信号进行带通滤波，这里以窄带信号为例。
[0044]步骤2:利用窄带时域快拍模型对采样比较稳定的数据来估计其协方差矩阵，数据协方差矩阵由式⑴表示=Rx(Gtl) = Ε[χ(θ0)*χ(θ0)τ]................................................(I)
[0045]其中，X( Θ Q)为基阵接收信号向量:x ( Θ Q) = [X1 ( Θ a)，X2 ( θ Q)，…，xN ( θ 0)]τ...............⑵
[0046]步骤3:对于等间隔线列阵，利用式(3)构造常规波束形成器的加权向量:
[0047]w ( Θ ) = [ I，e ikdcos θ , e i k 2 d …θ，…，e i k ( N - ! ) d。。s 0 ]
T......................................................(3)
[0048]其中，Θ是波束指向角。波数k= ω/c，c是水中的声速(大约为1500m/s)，d是水听器间距。
[0049]步骤4:对于一个给定的方向Θ，利用式(4)计算常规波束形成器对信号场或噪声场的接收输出功率响应:
[0050]Y ( Θ ) = y