基于声场波数谱特征的深度估计方法.pdf

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1、2014年第2期声学与电子工程总第114期基于声场波数谱特征的深度估计方法刘坤刘福臣田玲爱林旺生(声纳技术重点实验室，杭州，310023)摘要为了估计目标深度、区分水下水面目标，提出了水平接收基阵获取声场波数谱和基于声场垂直波数谱特征的深度估计方法仿真结果表明，在高信噪比情况下，该方法估计目标深度是可行的。关键词简正波模态；声场波数谱；深度估计；目标分类水中目标分类在军事防御及进攻上具有重要其中，(岛，．)为第一类0阶Hankel函数，将上作用，深度估计是水面目标和水下目标分类-4】的一个直观的判据。总体来说，目标深度

2、估计是一个水式写成波数积分形式【6]，则声领域的普遍难题，目前，目标深度估计大多采用(，z)=1G(；z匹配场方法进行，但该方法面临着声场环境适配问，)()尼(4)题。目标特征与海洋信道之间的关联十分紧密，水声探测系统接收到的目标信号都是目标源激发信号与信道多途响应耦合后的信号，根据声场简正波利用耵∞()√VeⅡ制，有理论，接收信号的声场波数谱为目标深度包络与接收深度包络的调制谱，该谱同时反映了目标深度信息和接收深度信息，因此波数谱上的包络特征结合pZ){G(Z，z,)ej~,fkdk>o(5)基阵本身的深度信息可以估

3、计出目标深度。声压场√rp()及其波数谱G(尼；z，z)之间构1声场垂直波数谱特征的深度估计成了Hankel变换对，波数谱G(k；z，Zs)可以由声压场的Hankel变换得到，即等声速波导中，令海深为D，海水声速为c0，密度为P0，则第，阶简正波模态的垂直波数理论值y，及水平波数理论值岛，如下式所示：G)=最4；rdr㈦在等声速波导中，声压表达式为式(3)，将式(3)代入式(6)，并利用模深度函数的正交性，可以得到波数谱G(岛；z，z)的模为：IG(2nysin(⋯t式中，koco／CO，09为声源目标的角频翠。相J匝

4、=sin(胍的本征值函数为(7))=√sin(z)(2)从式(7)可以看到，声场垂直波数谱的模是sin(，z)或sin(z)调制的，而从式(1)容声压场的简正波表达式为：易知道，垂直波数，是等间隔分布的，对垂直波数进行周期性分析，即由垂直波数谱相邻谱线对应的()sin()sin(z)()(3)垂直波数间隔可对目标深度或接收深度进行估计，即6刘坤等：基于声场波数谱特征的深度估计方法上式表明，Hankel—Fourier变换实际构成的是毒(Z，)㈣p(r)§G(k)之间的变换对。由于目标距离可能是未知的，即可能未知，实际上

5、，当距离间隔Ar()已知时，该变换是在最大距离变化量0R=(1—1)Ar=27t／△七范围内直接对(，z)进行由此可以看出：当接收深度比声源深度浅时，的，但考虑在一定的距离范围内√，；=√+iAr变波数谱反映了接收深度的信息；当接收深度比较深化不大时，且令；=0，因此，在或置于海底时，波数谱反映了目标深度信息。+(I—OAr的距离域区间和在理想条件下，各阶模态垂直波数是等间隔均+(1—1)的波数域区间内，对p(，：，z)作匀分布的，可以按照式(8)利用相邻垂直波数差快速Fourier变换可得到其水平波数谱进行深度估计。

6、在实际情况fF，由于目标深度位于G(kq；z，z)≈∑I-IP(r：2xqim+iAr，z)e某阶模态的模深度函数零点，或由于传播衰减导致某阶模态较弱，则无法利用式(8)进行深度估计，(15)但是由于声场垂直波数谱的模是Sin(，z)或水平波数与垂直波数的关系为：Sin(z、)调制的，则可以利用频谱分析的方法kq=(16)对Zs和2r估计，得到目标深度估计曲线，其最大值对应着目标深度或接收深度。将式(16)代入式(15)，得到声场垂直波数谱G(yl；z，zD：2水平接收基阵的声场波数谱获取∑1～lP(rmi+iAr，z

7、)e百2获取声场波数谱G(；Z，z)(即公式(6))，对距离和波数k等间隔进行离散，快速Fourier变换可有效用于逆Hankel变换和Hankel变换，采样间(17)隔Ar和Ak满足以下关系为保证式(17)的波数分辨率，在进行距离水平波数Hankel变换时，需要较大的距离采样。当目△rAk=2x／I(9)标越接近基阵端射时，不同阵元接收信号的声程差距离和波数的离散点分别为越大，越容易进行距离水平波数Hankel变换，越容易得到声场波数谱；对于不同方位到达的信号来说，=rmi+iAr，0，1，⋯，(，一1)(10)为了

8、获得较大的距离采样，需要对声压信号场进行距离插值；而当目标接近基阵正横时，由于声程差kq=kmi+qAk，q=O，1，⋯，(，一1)(11)减小至0，则不能获得声场波数谱。Ak=(一)一1)(12)3算法流程虱甲，为呙敢Fourier，艾快明J予夕U长发，职为根据上述方法，下面给出基于声场波数谱特征2的整数次幂。q为波数取样点序号