[发明专利]用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种对水下目标和水上目标的判别的方法，特别是一种利用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法。

(二)背景技术

目标探测一直以来就是声纳技术的重要任务和目的，完成目标探测之后实现对目标的远程被动测向、测距、测速和目标深度判别具有非常重要的意义。如果能够区分远程目标是水上目标还是水下目标也具有非常重要的意义，而对于水上目标和水下目标的识别一直是一个难以解决的问题。针对远程目标的被动测向、测距、测速和目标深度判别，特别是目标深度判别的应用目的开展单矢量传感器(或者双矢量传感器，或者水平矢量阵)的应用基础研究。

美国Scripps实验室的著名教授W.A.Kuperman认为^[1]“海洋波导低频声场干涉结构及其应用”是近代水声学及水声信号处理的重要研究方向。在其指导下，Scripps实验室及其合作伙伴在该方向展开了一系列研究^{[2][3][4][5][6]}，主要集中于垂直阵时间反转镜及垂直阵匹配场方面的研究，应用于水声通信、小目标探测及定位、混响抑制以及主动式目标识别等方面。Kuperman等仅研究了声压场的低频干涉结构及应用，同时也只限于常规垂直水听器阵的应用研究。

目前，与本发明申请有联系的公开报道主要有：利用低频声压干涉谱进行目标运动参数估计.，《哈尔滨工业大学学报(自然科学版)》，2007.09；基于STFT-Hough变换的目标运动分析，《哈尔滨工程大学学报》，2006.02(E.I检索号：071910594718)；低频矢量声场及其应用研究，《声学技术》，2006.03(25)(EI检索号：06109746778)；基于单矢量水听器的几种方位估计方法，《海洋工程》，2006.02(24)等。

虽然垂直阵时间反转镜及垂直阵匹配场方面的研究具有非常重要的意义，但是垂直阵不太适合于安装在运动平台上，在浅海也容易受航船的损坏，而且常规垂直水听器阵无法测量目标方位。矢量声场干涉结构及应用研究较之单纯关注标量场的研究有更宽广的内涵，与标量场干涉结构相比较，矢量场干涉结构含有更丰富的声源、环境的信息，因而可以更灵活地应用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种在海洋综合监测、海岸预警系统、小平台声纳、航空水声浮标等诸方面有重要应用前景的用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法。

本发明的目的是这样实现的：

第一步是分别将声压以及振速信号进行付利叶变换；第二步是对矢量信号的付利叶变换取共轭；第三步是声压信号的付利叶变换与矢量信号的付利叶变换的宫娥相乘；第四步是取实部或者虚部；第五步是进行正负号判决；第六步是根据第五步的正负号判决给出目标的深度分类。

本发明还可以包括：

1、所述的分别将声压以及振速信号进行付利叶变换中的声压以及振速由一个矢量传感器提供。

2、所述的分别将声压以及振速信号进行付利叶变换中的声压以及振速分别由两个传感器提供，而且是利用的是矢量信号的垂直分量。

3、所述的分别将声压以及振速信号进行付利叶变换中的声压以及振速是声压信号以及振速信号分别由两个传感器提供，而且是利用矢量信号的水平分量。

4、所述的取实部或者虚部是取乘积的虚部，即无功分量。

5、所述的取实部或者虚部是取乘积的实部，即有功分量。

关于声场干涉结构及其应用的研究如图4.所示。运动平台均辐射100Hz以下的强低频线谱，它们的声场有很强的相干性，因而需要用波动理论分析波导中点源声场干涉结构。图4中第一个模块就是建模预报或测量声场干涉结构。一般说来，干涉结构是复杂的，不便于在工程中直接应用。图4指出，需要采用某种时、空变换使声场干涉结构携带的信息在变换域上变得简明，或者增强有用的信息，从而便于工程应用。国外学者用垂直阵匹配场处理或垂直阵时间反转镜处理作为主要的“时、空变换”方法，而本发明将单传感器(或者双传感器)矢量分析作为主要的时、空变换方法。

首先讨论浅海波导的矢量声场干涉结构。最简单的、最典型的浅海模型为Pekeries模型，如图5所示。平面边界均匀水层的阻抗为ρ₁c₁，海底流体阻抗为ρ₂c₂，点声源位于柱坐标(0，z₀)，接收点为(r，z)，海面z＝0为绝对软界面。在较远处可仅考虑波导简正波，则接收点的谐和声场声压为：