[发明专利]单检波器跨冰层对水中宽带声源分频段方位估计方法

说明书

单检波器跨冰层对水中宽带声源分频段方位估计方法，涉及水声信号处理。对单检波器性能提出相应要求，单检波器在冰层上方拾取到的三个方向的冰下水中声源发射信号进行加窗分频处理：接收信号水平方向与垂向相关滤波；旋转分析并寻找径向最大能量，得到冰下水中声源方位估计；最大能量对应的水平方位角进行180°模糊性的修正；将各频段确定后的水平方位角标注在同一方位图上，得到40Hz～1kHz频段范围内所有的方位估计；或分频段标注，得到不同频段的方位估计图。解决海冰覆盖条件下，水听器阵或矢量水听器布放困难、水中的流噪声和其它水下噪声对水中目标声源信号干扰等难题。布放简易，对冰下移动目标声源响应快、干扰小，经济实惠。

技术领域

本发明属于水声信号处理技术领域，尤其是涉及一种单检波器跨冰层对水中宽带声源分频段方位估计方法。

背景技术

随着人类文明的发展，海洋的战略地位日益突显，各国积极开发利用海洋资源和空间，采用各种手段对海洋的水下环境进行探测、研究和开发，对水下目标进行探测和定位。声波是目前在海洋中唯一能够进行远距离传播的能量形式，因此，在众多的海洋水下探测、定位和开发设备中，声波及其振动能量探测是其主要使用的技术手段。

对于水下声源的方位估计，常规的方法是利用水听器阵或矢量水听器在水中进行，但如果在海水的上方覆盖有海冰,比如北冰洋常年被冰层覆盖的海域,则需要突破冰层的限制。突破冰层限制的直接方法是凿开冰层，然后再部署水听器阵或矢量水听器，这样做费时费力，不利于对水下移动目标声源的快速响应与定位，且这些常规水听器阵列或矢量水听器均价格不菲。若在冰面上直接部署简易的可测量三维(3D)粒子运动的单检波器阵元，并结合相应的数据处理与分析方法，实现对冰下声源的方位估计，则可有效弥补前述挖开冰层布放水听器阵或矢量水听器进行定位方法的缺点。

在实际的工程实践中，常常需要对各种水听器阵接收的水下声信号进行方位估计。对于水下多阵元接收的确定性信号，虽然通过带通滤波和各种改进的music算法等可以对声源方位进行估计，但采用单个三维检波器进行水下目标声源方位估计时会遇到以下技术方法难点：首先，由于冰下目标声源发出的声波，需要通过冰层才能到达冰面的检波器，这样声波在冰层中的传播和水冰界面的声反射特性就会强烈影响冰下声源的方位估计。其次，冰层会随着时间的推移发生变化，有些海冰中可能含有大量非均匀融池和卤水泡，特别是北极当年冰和多年冰的物理性质差别较大，当不同频段水声信号作用和传播在这些冰层时，会产生不同的反射、散射和透射特性，以及传播衰减等问题，也会对水下声源的方位估计产生不同的影响，因此，声源的不同频段信号在水冰界面和水-冰-气结构间会产生复杂的声耦合问题，最终会造成冰下宽带声源的方位估计困难。解决该问题的重点需要进一步从水中声源的频域和水中声源传入冰层后粒子各方向产生的振动特征入手，开展冰下声源的方位估计。

发明内容

本发明的目的在于针对海冰覆盖下水下宽带声源方位估计的难题，提供一种单检波器跨冰层对水中宽带声源分频段方位估计方法。

本发明包括以下步骤：

1)确定单检波器的检波维度、频响范围和加速度测量范围，并将单检波器布设于冰层上方；

2)对单检波器在冰层上方拾取到的三个方向的冰下声源发射信号进行加窗分频处理，接收信号水平方向与垂向相关滤波，旋转分析并寻找径向最大能量，得到冰下声源方位估计；

3)最大能量对应的水平方位角进行180°模糊性的修正；

4)将各频段确定后的水平方位角标注在同一方位图上，得到40Hz～1kHz频段范围内所有的方位估计；或分频段标注，得到不同频段的方位估计图。

在步骤1)中，所述检波维度的具体条件可为：3通道/台，其中水平2个通道成90°夹角，垂直一个通道，可同时测试冰层中声波传播过程3个方向的振动加速度信号；所述频响范围可为0.01Hz～1kHz；所述加速度测量范围可为0.003g～40g。