[发明专利]一种深海低信噪比条件下声源深度自主实时跟踪方法

摘要

本发明涉及一种深海低信噪比条件下声源深度自主实时跟踪方法，首先中对声速剖面进行了分段线性近似处理，得到信号在垂直阵上的到达角信息，利用该信息在获得了信号自相关函数，其中包含声源深度信息；利用低运算量的若干方程获得了自相关函数的每个时延坐标所对应的声源深度，从而将自相关函数变换为以假设声源深度为自变量的函数，称为深度相关函数；最后将平滑滤波器应用于深度相关函数的时间序列，削弱背景噪声，提取信号的相关峰，跟踪声源深度。与传统基于射线模型的声源深度估计方法相比，计算量得到大幅度降低；用很小的计算量和存储代价便获得了时间累积增益，提高了低信噪比下本发明的稳健性。

主权项

1.一种深海低信噪比条件下声源深度自主实时跟踪方法，其特征在于：接收同步垂直阵列布放在近海底，辐射宽带信号的声源与垂直阵的水平距离小于35km；实时跟踪步骤如下：步骤1：令c(z)为本地的声速剖面，z表示深度；将声速剖面0‑300m，均匀分割为I层，每层下界面的深度为zb,i，i＝1，2，…，I；其中i为从上往下声速层的编号；定义zb,0为海面的深度，设置为0m；利用下式计算每一个声速层的线性回归系数：利用下式计算每一个声速层的参考声速：设定近海面声速平均值c0为近海面任意选取的一个深度范围内声速的平均值，c(zr)为接收阵中心位置的声速；步骤2：垂直阵采集长度为1s‑10s的信号，信号的采样率为fs，取值范围1kHz‑100kHz；对每一个阵元采集的信号进行傅里叶变换，得到第m个阵元处频点fl处的频谱xm(fl)，l＝1,2,…L；f1和fL为宽带波束形成所选用频率范围的上下界，频点fl处的信号向量为x(fl)＝[x1(fl),x2(fl),…xM(fl)]T，上标T表示转置；利用下式计算频点fl处的信号协方差矩阵Rx(f)：Rx(fl)＝x(fl)xH(fl)其中x(f)为垂直阵接收到的数据向量，上标H表示共轭转置；利用公式计算宽带方位谱：记录P(θ)最大值对应的方向θmax；所述其中z_m为第m个阵元的深度；步骤3：利用下式构造频点fl处的空域滤波器利用下式估计直达波和海面反射波叠加的波形y(t)其中，为逆傅里叶变换算子；然后利用以下自相关处理方法估计接收信号的自相关函数：其中，T为空域滤波后输出信号的长度，τ为时延坐标；由于信号的采样率为fs，则τ的分辨率为1/fs；记离散的时延坐标值为{τp}，p＝1,2,….；步骤4：设置初始条件：i＝1，参数γ0＝0，与时延坐标集合{τp}对应的声源深度集合设置为{zs(τp)}＝NaN，其中NaN表示无效值；步骤5：利用下式计算参考出射角θref,i依次计算下列公式，得到参数κi，ai，bi，ξi：ai＝2qiκi+2cscθref,ibi＝4piκic0步骤6：利用下式计算每个时延坐标值τp对应的声源深度当时延坐标τp满足zs,i(τp)≥zb,i‑1，则对应的声源深度集合更新为zs(τp)＝zs,i(τp).若i为最后一个声速层，进入下一步骤；否则，计算下式同时，令i＝i+1，返回至步骤5，在下一个声速层中计算声源深度；步骤7：将接收信号的自相关函数利用下式表示为深度相关函数E(zs)＝C(τ(zs)),其中τ(zs)是zs(τ)的反函数，直接由声源深度集合{zs(τp)}给出；步骤8：每隔5s～30s，重复步骤2至步骤7，得到深度相关函数序列{E1(zs),…,Ek(zs),…,EQ(zs)}，其中，Q为平滑窗的长度，取值范围为1‑50，E1(zs)为起始时刻的深度相关函数，Ek(zs)为k时刻的深度相关函数；利用下式计算过去Q个深度相关函数的平均值函数：则Q时刻的声源深度估计值为平均值函数最小值点对应的深度，即步骤9：每隔5s‑30s，获得一个新的深度相关函数，将其加入函数序列，并将该序列中时刻最早的深度相关函数剔除，此时的序列更新为{Ek‑Q+1(zs),…,Ek(zs)}，k为当前时刻；根据步骤8的公式计算该时刻序列的平均值函数，然后估计声源深度zs,k；依次类推，得到实时的声源深度序列{zs,Q,…,zs,k,…,zs,K}，K为总的观测时长。