一种水声运动目标径向速度被动估计方法与流程

本发明属于水声信号处理领域，尤其涉及一种水声运动目标径向速度被动估计方法。

背景技术：

浅海波导中，声波在传播过程中受到海面、海底和水文条件的影响。声场在时域、频域、空域等呈现出具有一定几何形状的亮暗相间的条纹，统称为声场的干涉结构。俄罗斯学者最早发现了水下声场的干涉现象并开展了海洋波导中单频声源和宽带声源的声场干涉结构的研究。声场的干涉结构中包含了目标声源信息和环境信息，因此常被应用于水声反演问题中。有关宽带声源辐射声场在距离-频率域内的干涉结构特征，已经取得了大量的理论和实验研究成果，结合波导不变量理论，干涉结构特征还被广泛应用在了水声定位、时反聚焦、地声反演等内容中。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种水声运动目标径向速度被动估计方法，本发明适用于匀速和变速运动目标，可应用于单接收水听器和水听器阵列，方法简单易行，具有非常广泛的适用性。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种用于水下运动声源径向速度被动估计的信号处理方法，该方法包括如下步骤：(1)对单水听器接收时域信号(或者波束域时域信号)以Δt时长为步进，ΔT时长为脉宽进行信号分段，并对每一段信号进行离散傅立叶变换，得到t时刻线谱频域信号为p(t,ω)，ω为信号线谱对应的角频率，并记水中介质声速为c；(2)从p(t,ω)取信噪比较强的线谱，取相差n×Δt时刻的两个声压进行互谱运算,n＝0,1,2,…N-1；得到一组离散序列I(t,n)＝p(t,ω)·p^*(t+n×Δt,ω)·e^-jωnΔt；(3)对I(t,n)进行N点离散傅立叶变换，得到离散傅立叶变换之后的结果H(t,K)，K＝0,1,2,…N-1，序号K对应的径向运动速度v(K)＝2πKc/(NΔtω)；(4)进行极大值搜索、提取历程中的亮条纹或者人工提取得到目标的径向运动速度。

本发明的有益效果为：本发明进一步对声压差的相关函数进行了一定变换，获得变换后的干涉结构特性，并通过其干涉周期对目标径向运动速度进行估计。本发明解决了由于不同时刻接收声压初始相位不同导致的估计错误的问题，对时间差采样间隔没有限制，能够在无须已知海洋环境先验知识的情况下有效地对水下运动声源径向速度进行被动估计，具有更广泛的适用性和研究价值。

附图说明

图1是信号处理流程图。

图2是仿真所用声速分布示意图。横坐标为声速，单位是米/每秒(m/s)，纵坐标是海深，单位是米(m)，图中海深210m，海底声速1600m/s，其它声场环境的仿真参数包括海底密度1.9g/cm³，海底吸收系数为0.02dB/λ。目标声源以2.5m/s的径向运动速度由近及远匀速运动，信号长度600s，信号频率50Hz，使用KrakenC软件产生仿真数据。

图3是I(t,n)的时间历程图，横坐标变量Δt表示计算I(t,n)相差的时间差，单位是秒(s)，纵坐标表示时间历程t时刻，单位是秒(s)。

图4是H(t,K)的时间历程图，横坐标变量是速度，单位是米/秒(m/s)，纵坐标表示时间历程时刻，单位是秒(s)。从图中可以看到最终的估计结果是2.5m/s，符合仿真参数。

图5是海试数据的处理结果，数据来源为SWellEx96的S5航次数据，试验海区海深约为210m，水中声速分布同图2。在分析的信号时间段内，声源在54m深度处以约5节的速度等深拖曳，发射线谱信号频率为130Hz，采样频率为1500Hz。Δt的采样间隔为1.2s，处理结果基本符合试验中船速约为5节的描述。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明提出一种水声运动目标径向速度被动估计方法，对单水听器接收时域信号(或者波束域时域信号)以一定时长为步进，进行信号分段，并对每一段信号进行离散傅立叶变换，得到频域信号，取多组相差等差时刻的两个声压进行互谱运算,得到一组离散序列，对该序列进行傅立叶变换，对离散傅立叶变换结果进行极大值搜索、提取历程中的亮条纹或者人工提取得到目标的径向运动速度。

本项发明的具体步骤如下：

(1)对单水听器接收时域信号(或者波束域时域信号)以Δt时长为步进，ΔT时长为脉宽进行信号分段，并对每一段信号进行离散傅立叶变换，得到t时刻线谱频域信号为p(t,ω)，ω为信号线谱对应的角频率，并记水中介质声速为c；

(2)取相差n×Δt时刻的两个声压进行互谱运算,n＝0,1,2,…N-1，得到一组离散序列I(t,n)＝p(t,ω)·p^*(t+n×Δt,ω)·e^-jωnΔt，使用图2的声度梯度条件进行仿真，得到仿真数据的处理结果如图3所示；

(3)对I(t,n)进行N点离散傅立叶变换，得到离散傅立叶变换之后的结果H(t,K)，K＝0,1,2,…N-1，序号K对应的径向运动速度v(K)＝2πKc/(NΔtω)，仿真数据的处理结果如图4所示，真实海试数据的处理结果如图5所示；

(4)进行极大值搜索、提取历程中的亮条纹或者人工提取得到目标的径向运动速度，图5的极大值搜索约为2.5m/s，处理结果基本符合试验中船速约为5节的描述。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。