利用抹香鲸叫声的水下目标隐蔽测距方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水下声探测领域，特别是关于利用抹香鲸叫声的水下目标隐蔽测距方 法及装置。
【背景技术】
[0002] 在水下军事对抗中，水下目标，如蛙人、潜艇、水下滑翔器、水下机器人、水下作战 平台等的探测与定位至关重要；而测距是实现水下目标定位的一个重要环节。传统水下目 标主动测距方法一般采用单频矩形脉冲或线性调频脉冲作为测距信号，但这些脉冲信号具 有相对简单、较为明显的时域、频域和时频域特点，如单频矩形脉冲和线性调频脉冲的包络 均具有矩形的特点、单频矩形脉冲的频率具有单频的特性、线性调频脉冲的频率具有线性 变化的规律等，所以，这些信号很容易被敌方的侦察系统截获、识别和定位，从而对测距设 备的生存能力构成严重威胁。
[0003] 针对上述问题，本发明利用海洋中抹香鲸所发出的原始叫声作为水下目标测距的 发射信号，以提高测距设备的伪装性和隐蔽性。
[0004] 说明：海洋中的抹香鲸是群居动物（见文献[1])，他们在活动的过程中会不停地 发出脉冲信号，这些脉冲信号的包络随机变化，没有固定的规律，包络内调制信号为复杂的 宽带信号，信号非平稳，时频特性复杂；因此，与常规的测距脉冲信号有较为明显的区别，不 易被识别为主动测距脉冲信号。
[0005] [l]Hal Whitehead and Linda ffeilgart, Patterns of visually observable behaviour and vocalizations in groups of female sperm whales [J], Behaviour,vol. 118, no. 3/4, pp. 275-296, Sep. , 1991.
【发明内容】
[0006] 为克服技术的不足，提供一种利用抹香鲸叫声的水下目标隐蔽测距方法及装置， 不仅能克服常规测距信号易于被探测、识别与定位的缺点，还能实现水下静止或运动目标 距离的精确隐蔽测量。为此，本发明采取的技术方案是，利用抹香鲸叫声的水下目标隐蔽测 距装置，由控制与处理中心，信号产生模块，功率放大器，发声传感器，水听器，信号调理模 块和数据预处理器组成；
[0007] 控制与处理中心根据客户对水下目标的测距要求，完成指标分解与参数设置，并 从抹香鲸叫声数据库中选择出满足测距要求的抹香鲸叫声集合；当开始对目标进行测距 时，启动其内部的定时器；
[0008] 信号产生模块由序列组合器和序列缓存器组成，信号产生模块接收来至控制与处 理中心选择出的抹香鲸叫声集合，并通过序列组合器对该集合中的抹香鲸叫声进行序列组 合，产生抹香鲸叫声序列串，并将这些叫声序列串缓存在序列缓存器中；这些叫声序列串被 传送到功率放大器进行功率放大处理，然后再被传送至发射传感器；
[0009] 进一步地，由发声传感器发射出去的抹香鲸叫声经水声信道传输后，投射到水下 目标的表面；水下目标对被投射的测距声信号进行反射；发射信号经水声信道传输后被 水听器接收；水听器将接收到的信号传送到信号调理模块，信号调理模块对接收到的信号 进行去噪、放大、滤波、模数转换处理后，再将产生的声数据传送至数据预处理器；
[0010] 数据预处理器对接收到的声数据进行去噪、滤波和混响抑制处理，提高数据的信 噪比；控制与处理中心接收来自数据预处理器的数据，并对数据进行匹配滤波处理，然后， 基于匹配滤波处理结果对测距参数进行分析、运算和实时显示。
[0011] 利用抹香鲸叫声的水下目标隐蔽测距方法，包括如下步骤：
[0012] 根据客户对水下目标的测距要求，完成指标分解与参数设置，并从抹香鲸叫声数 据库中选择出满足测距要求的抹香鲸叫声集合；对该集合中的抹香鲸叫声进行序列组合， 产生抹香鲸叫声序列串；这些叫声序列串被传送到功率放大器进行功率放大处理，然后再 被传送至发射传感器；当开始对目标进行测距时，启动定时器；
[0013] 将水听器接收到的信号进行去噪、放大、滤波、模数转换处理，再对声数据进行进 一步的去噪、滤波和混响抑制处理，提高数据的信噪比；基于匹配滤波处理结果对测距参数 进行分析、运算和实时显示。
[0014] 从抹香鲸叫声数据库中选择出满足测距要求的抹香鲸叫声集合：用于测距的抹香 鲸叫声优选方法，是以模糊函数为准则，以抹香鲸叫声单脉冲的距离分辨力和多普勒容限 为条件，筛选出能实现水下目标距离参数精确测量的叫声单脉冲集合；单脉冲集合中的单 脉冲间应具有小的互相关系数和优良的自相关性能。
[0015] 混响抑制处理具体是，根据混响自回归（Autoregressive, AR)模型，将接收到的 数据进行分段，通过对非高斯噪声不敏感的三阶累积量高阶谱估计方法估计AR模型的参 数和阶数；利用最接近于本段数据的前一段数据所估计出的AR模型参数和阶数来构造预 白化滤波器，并对本段数据进行滤波处理，将混响滤波成为白噪声。
[0016] 数值匹配滤波处理具体步骤：利用（1)式，对接收到的数据完成数值匹配滤波处 理；
[0017]
[0018] 其中，k是一个比例常数，SliJf)代表接收端第i个本地参考信号的频谱函数， 尤;(/)代表与第i个本地参考信号相对应的接收信号频谱函数的共辄，、i (t)代表第i个 脉冲信号的匹配滤波输出信号，f代表信号频率，h表示第i个信号在进行积分运算时的时 间量，T表示积分的时间长度，i表示第i个本地参考信号；然后，基于匹配滤波处理结果对 测距参数进行分析、运算和实时显示。
[0019] 与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
[0020] (1)利用抹香鲸叫声对水下目标测距设备进行伪装，从仿生学的角度提高测距设 备的隐蔽性，为实现水下设备的隐蔽提供了一种新思路和方案；
[0021] (2)从大量抹香鲸叫声中筛选出距离分辨率高、多普勒容限大的抹香鲸叫声单脉 冲，为水下目标距离参数的精确测量提供良好性能的发射信号载体；
[0022] (3)通过自回归AR模型和三阶累积量高阶谱估计方法实现回波信号的混响抑制， 提高接收信号的信噪比；
[0023] (4)区别于传统具有固定数学表达式信号波形（例如单频矩形脉冲或线性调频脉 冲波形）的匹配滤波方法，本发明针对抹香鲸叫声的特点，采用数值计算的方法实现匹配 滤波处理，提高设备的测距精度；
[0024] (5)抹香鲸叫声的频率较其它水下动物（如海豚）发出叫声的频率更低，所以抹香 鲸叫声能传送的更远，利用这一特点，实现水下目标的远距离测量。
【附图说明】
[0025] 图1示出本发明的水下目标测距设备总体方案框图。
[0026] 图1中：1为水下目标测距设备总体方案框图；2为控制与处理中心；3为信号产生 模块；4为功率放大器；5为发声传感器；6为发射子系统；7为水下目标；8为水听器；9为信 号调理模块；10为数据预处理器；11为接收子系统。 图2 :信号产生模块结构示意图。
【具体实施方式】
[0027] 本发明利用抹香鲸叫声信号作为测距信号，使其被误认为成真实的抹香鲸发出的 叫声信号，起到伪装的作用。
[0028] 本发明目的在于：
[0029] (1)利用抹香鲸叫声对水下目标测距设备进行伪装，提高其隐蔽性；
[0030] (2)从大量抹香鲸叫声中筛选出距离分辨率高、多普勒容限大的抹香鲸叫声单脉 冲，为水下目标距离参数的精确测量提供良好性能的发射信号载体。
[0031] (3)针对抹香鲸叫声的特点，采用数值匹配滤波处理方法，提高测距的精度；
[0032] (4)抹香鲸叫声的频率较其它水下动物（如海豚）发出叫声的频率更低，所以抹香 鲸叫声能传送的更远，是一种实现远距离测距的良好伪装声信号载体。
[0033] 本发明采取的技术方案是，利用抹香鲸叫声的水下目标隐蔽测距方法及装置，包 括：
[0034] 第一步：水下目标测距设备总体方案。
[0035] 水下目标测距设备总体方案框图1主要由控制与处理中心2,信号产生模块3,功 率放大器4,发声传感器5,水听器8,信号调理模块9和数据处理模块10组成；发射子系统 6由信号产生模块3,功率放大器4和发声传感器5组成；接收子系统11由水听器8,信号 调理模块9和数据预处理器10组成；7代表水下静止或运动目标；
[0036] 进一步地，控制与处理中心2具有如下功能：（1)根据客户对水下目标的测距要 求，完成指标分解与参数设置，并从抹香鲸叫声数据库中选择出满足测距要求的抹香鲸叫 声集合；(2)当开始对目标进行测距时，启动其内部的定时器；（3)对接收到的声数据进行 匹配滤波处理，对测距参数进行分析、运算和实时显示；
[0037] 信号产生模块3由序列组合器和序列缓存器组成，如图2所示；信号产生模块3接 收来至控制与处理中心2选择出的抹香鲸叫声集合，并通过序列组合器对该集合中的抹香 鲸叫声进行序列组合，产生抹香鲸叫声序列串，并将这些叫声序列串缓存在序列缓存器中； 这些叫声序列串被传送到功率放大器4进行功率放大处理，然后再被传送至发射传感器5 ;
[0038] 进一步地，由发声传感器5发射出去的抹香鲸叫声经水声信道传输后，投射到水 下目标7的表面；水下目标7对被投射的测距声信号进行反射；发射信号经水声信道传输 后被水听器8接收；水听器8将接收到的信号传送到信号调理模块9,信号调理模块9对接 收到的信号进行去噪、放大、滤波、模数转换处理后，再将产生的声数据传送至数据预处理 器10 ;
[0039] 进一步地，数据预处理器10对接收到的声数据进行去噪、滤波和混响抑制处理， 提高数据的信噪比；控制与处理中心2接收来自数据预处理器10的数据，并对数据进行匹 配滤波处理，然后，基于匹配滤波处理结果对测距参数进行分析、运算和实时显示；
[0040] 第二步：用于测距的抹香鲸叫声优选方法。
[0041] 以模糊函数为准则，以抹香鲸叫声单脉冲的距离分辨力和多普勒容限为条件，筛 选出能实现水下目标距离参数精确测量的叫声单脉冲集合A ;注意：集合A中的单脉冲间应 具有小的互相关系数和优良的自相关性能。
[0042] 第三步：对接收到的信号进行混响抑制处理。
[0043] 在数据预备处理器10中完成信