基于辐射噪声干涉条纹斜率分布的声源深度分辨方法研究.docx_基于辐射噪声干涉条纹斜率分布的声源深度分辨方法研究资源-CSDN文库

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1. 引言

水中目标的航行或工作深度是其重要的属性，也是进行目标类型判别的重要依据。被

动声呐作为水中非合作目标探测的重要手段之一，主要基于各种水声被动定位方法，利用

目标辐射(或发射)的声信号进行目标深度估计。但是由于海洋环境的复杂性、目标信号先

验信息的缺失以及声呐设备自身的限制，水中目标深度的准确估计仍是水声被动定位的难

题之一。

相比于声源深度的估计，对水面目标(深度较小)和水下目标(深度较大)进行双择假设

判决，可为目标类型判断提供依据，对于水下威胁目标的探测识别有重要的意义。声源的

深度与简正波各阶模态的分布密切相关，现有方法大多基于简正波理论，利用声源深度与

简正波模态之间的对应关系实现声源深度的二元判决。

匹配场处理被广泛应用于水声被动定位，也是研究人员最为关注的深度判别方法。杨

坤德等人

[1]

提出基于环境扰动的线性匹配场处理方法，通过增加环境扰动约束提高方法在

随机误差下的稳健性，但方法在目标方位与干扰方向相似时失效。王奇等人

[2]

提出基于最

小二乘算法短垂线阵匹配场处理技术的目标深度辨别方法，用最小二乘得到各阶模态系数

估计值重构短垂线阵测量场向量，提高了短垂线阵匹配场处理性能，但其性能在声场采样

不充分时下降。Yang

[3]

提出基于数据的窄带信号移动源深度辨别方法，利用垂直阵接收数

据提取深度函数以降低环境依赖性，但方法稳健性较低。Lin 等人

[4]

提出基于单水听器匹配

场的目标源深度辨别方法，利用频差波束形成器通过降频减小实际与模型的不匹配性，但

其性能在环境变化时下降。毕雪洁等人

[5]

提出以垂直复声强无功分量为匹配量的目标深度

匹配的二元分类方法，但方法对线谱频率稳定性要求较高。张朝金等人

[6]

利用半经验关系

建立联合匹配定位方法，实现爆炸声源深度精确反演，但其在估计远距离目标时性能下

降。

基于简正波分解的模式闪烁指数也常用于水下目标深度判别的依据。Premus 等人

[7,8]

利用子空间投影法估计声源模态谱的差异，提出利用水平线阵进行目标深度辨别的模式闪

烁指数，但方法对水平孔径有一定要求。近年来，Warping 变换受到了众多学者的关注。

Li 等人

[9]

利用 Warping 变换提取简正波自相关与互相关指数解决波浪运动带来的源深度变

化问题，并提出模式相关闪烁指数的概念。刘志韬等人

[10]

提出基于简正波相关项特征频率

间比例关系的声源分辨方法，用 Warping 变换分离简正波相关项，但是方法性能在负跃层

情况时降低。

近年来对干涉条纹的研究蓬勃发展，其核心思想是利用波导不变量、干涉条纹、声源

径向运动速度和距离之间的关系

[11]

，在声场干涉结构中提取波导不变量，从而利用波导不

变量的数值判别声源深度，但是这种方法需要在声源和接收器相对距离已知的条件下

[12-

14]

。也有学者探究未知相对位置条件下波导不变量的提取：刘志韬等人

[15]

利用目标时延轨

迹计算波导不变量，但方法要求声源相对于水听器近似匀速运动；苏冰等人

[16]

提出一种波

导不变量 β 谱分离算法估计声源距离和波导不变量，但是方法只适用于波导不变量值随频

率变化缓慢的情况。

本文提出了一种利用辐射噪声干涉条纹分布进行声源深度二元判决的方法。在存在负

跃层的浅海波导中，利用 Radon 变换从干涉图像中提取干涉条纹斜率的分布，可以在未知

声源距离的情况下判别声源深度。相比传统波导不变量方法和匹配场法，不需要声源距离

与海洋声学环境参数的先验信息。

2. 二元深度判别的基本原理

2.1 干涉条纹特征差异的物理机理

根据波导不变量理论

[17]

，声场干涉条纹的波导不变量可用各简正波相干项 β

加和描

述。

[Math Processing Error]βmn=rωdωdr=d(1/v)d(1/u)=−1/vn−1/vm1/un−1/um

(1)

其中，v

分别为第 n 阶简正波的相速与群速，v

, u

分别为第 m 阶简正波的相速与

群速。将相速与群速的表达式

[18]

代入式(1)可得式(2)，其中 H 为海洋深度

[Math Processing Error]βmn(ω)=ωc1−(nπc2H)21−(mπc2H)2

(2)

根据文献[19]，当接收点与声源间距离足够大时，条纹的斜率近似于波导不变量。根

据式(3)计算统计量 svar

，可得 ω∈[ω

, ω

]频带内 β

(ω)的分布情况。波导不变量为各阶

简正波相干项 β

(ω)的叠加，按式(4)定义统计量 γ

，可表征一定频率范围内波导不变量的

分布情况，进而反映干涉条纹斜率的分布情况，其中 M,N 约束了参与相干叠加的简正波的

阶数范围。若 γ

较小，干涉条纹斜率分布均一；若 γ

较大，干涉条纹斜率分布不均。

[Math Processing Error]svarmn=∑ω=ω1ω2(βmn(ω)−βmn(ω)¯)2

(3)

[Math Processing Error]γMN=∑m=MN∑n>msvarmn

(4)

表 1 给出了在水深 100 m，海水声速 1500 m/s，海水密度 1.024 g/cm

，海底声速 1749

m/s，海底密度 1.96 g/cm

的 Pekeris 波导条件下，信号频率为 250～350 Hz、频率分辨率为

1 Hz 时声源与接收器距离为 5.0～6.6 km 的各阶简正波相干项 β

(ω)的统计量 svar

。将表

1 数据代入式(4)计算得 γ

=189.91, γ

=1818.57。低阶简正波间相干的得到的统计量 γ 较

小，而较高阶简正波间的统计量 γ 较大，所以低阶简正波相干形成的干涉结构斜率分布均

一，较高阶简正波相干形成的干涉结构斜率分布不均。

表 1 频率 250～350 Hz 各阶简正波相干项波导不变量的标准差 svar

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