[发明专利]一种水下声源功率谱特征获取方法、系统及应用

说明书

本发明属于水中目标声辐射特性测量技术领域，公开了一种水下声源功率谱特征获取方法、系统及应用，所述水下声源功率谱特征获取方法包括：水平阵接收目标辐射信号及傅里叶变换预处理；计算距离‑频率域的声强干涉结构；确定声功率谱与声强干涉结构的关系；利用插值算法沿干涉亮纹提取声强值；进行声源功率谱估计。本发明根据声场多途传播特性，利用声场在距离‑频率域的干涉条纹结构，设计基于水平阵的目标辐射特性测量方法，为我国近海目标特性测量提供新思路。相对于传统的水平阵模基匹配声辐射特性测量方法，本发明不需要完备的海洋环境信息和已知目标的绝对位置信息，充分利用浅海信道声传播特性，功率谱特征估计算法简单、浅海测试实用性强。

技术领域

本发明属于水中目标声辐射特性测量技术领域，尤其涉及一种水下声源功率谱特征获取方法、系统及应用。

背景技术

目前，声源级、功率谱等固有辐射特征是被动声纳实现水中目标(舰船、非合作主动声纳)探测识别所利用的主要信息源。欧美等西方国家对水中目标声辐射特性的测量，尤其是低频声辐射特性的测量，大都在深海海域开展。然而我国周边沿海多为浅海环境，目标声辐射特性测量大都在浅海近距离范围开展，受测试海洋环境的影响，浅海目标固有辐射特性在测量设备位置处产生严重畸变，并且传统的单水听器和短阵测量方法结果存在较大的不确定性，这主要表现在：

(1)海洋信道的调制效应：即使在理想静态的测试环境下，海洋信道中的多途干涉、频散衰减等因素使得目标辐射信号在传播过程中产生了严重畸变。海洋信道是天然的角度滤波器，声能量主要集中在特定的俯仰角传播(多途传播)，同时由于多途干涉，海洋信道还表现出“梳状滤波器”的特征，使得声场在频率-距离平面内具有干涉条纹结构。干涉结构和角度滤波使得目标辐射信号在不同测量位置处具有不同的畸变特征，这给目标固有辐射特性测量带来了一定困难。

(2)海洋环境的时空变化：海洋动力学过程使得海洋环境具有随时间和空间随机变化的特征，引起目标辐射信号在海洋信道传播过程中的时空起伏变化，使得测量结果不稳定，测量结果一致性降低。同时时变信道降低了接收声信号的时间相关性和空间相关性，使得阵列信号处理的时间增益和空间增益难以达到预期。近距离测量可有效控制海洋环境时空变化的影响。

水中目标辐射特性测量始于第二次世界大战，近百年来，随着科学技术水平和测量装备的不断发展，目标辐射特性的测量方法和测量技术也日益改进。其中，基于水平阵的测量方法是水中目标辐射特性测量的常用方法之一。利用水平阵测量目标辐射特性主要有两种安装方式：一是在测试海域固定放置在海底，利用测试海域海洋环境进行测量校准后，用于目标辐射特性测量，这种安装方式系统噪声低，测量结果稳定，适合于低频辐射噪声特征测量，但这种安装方式工程实现复杂度较高；二是测量船拖曳水平阵方式，相比第一种方式，拖曳阵灵活性和机动性更强，但这种方式需要测量船会带来更高的本底噪声和背景干扰。两者各有利弊，视测量环境和测量需求来选择不同的安装方式。

目前基于水平阵的目标辐射特性测量方法主要包括：(1)声场平均平滑处理；(2)匹配场处理和虚拟时间反转镜等模基匹配处理方法。其中平均平滑处理方法是通过水平阵各阵元接收信号功率谱求和处理来抑制多途干涉的影响，该方法在低频测量时需要较长的水平阵孔径。匹配场处理和虚拟时间反转镜方法需要已知准确完备的海洋环境信息来计算拷贝场和时反算子，这些环境信息包括：水体的声速剖面、海底声学参数(声速、密度、衰减系数、弹性性质)和分层结构，而海底参数的测量和获取增加了这些方法的复杂度。在较短的水平阵孔径前提下，减少测量方法对环境参数的依赖性，是提高水平阵在测量目标固有辐射特性(功率谱)工程实用性的关键。但现有技术存在以下问题：

(1)水平阵孔径限制

平均平滑处理方法需要长孔径水平阵来抑制声场相干成分的影响。匹配场处理和虚拟时间反转镜等方法都需要较长的水平阵孔径来提高估计目标辐射特性的精度。

(2)准确、完备的海洋环境信息难以获取

基于水平阵的匹配场处理和虚拟时间反转镜方法估计目标辐射功率谱，大都需要已知完备的、准确的海洋环境信息。