专利摘要

专利摘要

本发明涉及一种基于条纹干涉结构的深海宽带目标深度估计方法，由垂直线列阵组成，有利于提取宽带干涉条纹结构。本发明首先将垂直线列阵布放入水，接收运动目标发射的宽带信号，同时在实验环境下利用声场模型进行不同声源深度的干涉条纹结构的仿真，利用扩展卡尔曼滤波分别进行实验和仿真干涉条纹的追踪，将追踪得到的条纹位置和数目信息带入代价函数，最小化代价函数，此时对应的声源深度即为目标估计深度。有如下优势：不需要复杂的声场模型计算；利用阵列波束输出，提高信噪比；稳健性好，随环境变化小；水听器位于海底，布放方便；潜标可长期稳定地工作。

权利要求

1.一种基于条纹干涉结构的深海宽带目标深度估计方法，其特征在于：将垂直线列阵布放在深水体中，深海宽带目标深度估计步骤如下：

步骤1：在声场仿真环境为实际海洋环境，以频率f范围为[fmin,fmax]，在每个频率上利用Bellhop射线声场模型进行声场计算，得到直达波到达角(D-DOA)和声压值，对声压值做常规波束形成，得到D-DOA和频率域的波束输出强度；

在不同的仿真声源深度为利用上述方法计算不同声源深度下的D-DOA和频率域的波束输出强度；

利用扩展卡尔曼滤波对D-DOA和频率域的波束输出强度进行条纹追踪，状态方程为：

其中，(fmodel_k,Bmodel_k)是仿真条纹的第k个D-DOA的频率和强度值，为相应的瞬时跟踪速度，Δdmodel为D-DOA的步长值，wmodel_k为噪声向量，为高斯白噪声；

在追踪过程中，第k+1个D-DOA与第k个D-DOA具有相同的跟踪速度，变化分量包含在噪声向量中，因此和

第k个D-DOA的测量向量为：

Zmodel_k＝h(Dmodel_k)+vmodel_k

其中，h(·)是非线性的测量函数，vmodel_k为噪声向量，为高斯白噪声，包含测量过程中的误差；函数h(·)的作用是根据上一个的频率，在一定的频带区间内搜索条纹强度的最小值得到参数Zmodel_k，包含了第k个D-DOA的频率和最小强度值；

基于Zmodel_k+1和Dmodel_k对Dmodel_k+1进行估计，状态方程的更新为：

其中，是由Dmodel_k预测得到的Kmodel_k+1是卡尔曼增益，emodel_k+1为新息，由计算得出；

给定频率初值，搜索仿真的D-DOA和频率域的波束输出强度的局部最小值进行条纹追踪，得到仿真的条纹位置，记为仿真条纹的迹进而得到仿真的条纹数量其中，θ为角度；

步骤2：水听器接收到目标辐射的宽带信号，目标初始距离、深度和速度均未知；首先，利用宽带波束形成对宽带信号计算波束时间历程进行到达角估计，得到声波的上行和下行传播的到达角，下行传播的到达角为随时间变化的D-DOA；

对宽带信号做傅里叶变换，得到每个频率的频谱分量；在[fmin,fmax]区间的每个频率分量上，根据到达角估计得到的D-DOA做常规波束形成，得到时间频率域的波束输出强度，其中，时间序列由快拍时间得到，与D-DOA有关；

利用扩展卡尔曼滤波对时间频率域的波束输出强度进行条纹追踪，状态方程为：

其中，(fexp_k,Bexp_k)是第k时刻条纹的频率和强度值，为相应的瞬时跟踪速度，Δdexp为时间的步长值，wexp_k为噪声向量，为高斯白噪声；

在追踪过程中，第k+1时刻与第k时刻具有相同的跟踪速度，变化分量包含在噪声向量中；因此和第k时刻的测量向量为：

Zexp_k＝h(Dexp_k)+vexp_k

其中，h(·)是非线性的测量函数，vexp_k为噪声向量，为高斯白噪声，包含测量过程中的误差；

函数h(·)的作用是根据前一时刻的频率，在频带区间内搜索条纹强度的最小值得到参数Zexp_k，包含了第k时刻的频率和最小强度值；

基于Zexp_k+1和Dexp_k对Dexp_k+1进行估计，状态方程的更新为：

其中，是由Dexp_k预测得到的Kexp_k+1是卡尔曼增益，eexp_k+1为新息，由计算得出；给定合适的频率初值，搜索实际数据得到的时间频率域的波束输出强度的局部最小值进行条纹追踪，将时间转化为对应的D-DOA，得到目标的条纹位置，记为目标条纹的迹Texp(zs)，其中，zs为目标的声源深度，进而得到目标的条纹数量Nfexp(θ,f,zs)；

步骤3：利用代价函数得到目标的声源深度

其中，表示对应第n条暗条纹的迹；代价函数的第一项与条纹位置有关，第二项与条纹数目有关；

首先，将D-DOA与频率的声能量平面进行网格化，(θ,f)表示一个网格的中心点，若一条迹经过该网格，则称此时，Pexp记为1，否则，Pexp记为0； sign(·)表示符号函数，Nf为相同D-DOA时条纹的数目，N1和Nθ分别为对应加和的总项数；每一项的幅度需要归一化来平衡，其中1表示完全失配，0表示吻合；

因此，代价函数的最大值为在理想情况下的最小值为0；代价函数选取插值形式避免估计误差，当条纹位置整体偏移时导致代价函数第一项失效，此时，第二项条纹数目对目标深度估计起主要作用；相反，由于跟踪误差当条纹数目不准确时导致代价函数第二项失效；此时，第一项条纹位置可用于目标深度估计；通过搜索代价函数的最小值，此时对应的假设的声源深度为声源估计深度。

说明书

技术领域

本发明属于水声工程、海洋工程和声纳技术等领域，涉及一种基于条纹干涉结构的深海宽带目标深度估计方法，适用于深海环境中对深度小于1000米的宽带运动目标的定位。

背景技术

目标的被动定位是近些年水声研究的热点问题之一。声纳系统中广泛使用的定位方法有匹配场定位技术、基于简正波模型的方法、基于多途到达结构的定位和基于干涉条纹的定位方法。他们的特点是：(1)匹配场处理利用海洋环境参数和声传播信道特性，需要充分采样声场，要求使用与海深可比拟的大孔径同步阵列，在深海环境中，阵列的工程实现非常困难。(2)基于简正波模型的方法包括模态匹配定位、模态反传定位方法和模态到达结构定位，这些方法的基本条件是可以将模态分离，一般要求模态数较少。而在深海环境中，声频率为几百赫兹时，模态数可以达到几百甚至上千阶，模态难于区分。此外与匹配场定位技术相同，模态分离同样要求阵列孔径与海深相比拟，这在深海环境中难以满足。(3)接收信号的多途到达结构在浅海近距离和深海环境下都非常明显，利用小孔径阵列通过相关的信号处理技术可以准确提取出信号的多途到达结构，然后利用多途到达结构进行声源定位实现比较简单并且非常有效。

基于干涉条纹的定位方法包括波导不变量定位和深海可靠声路径强度干涉条纹定位。波导不变量理论被广泛应用于浅海环境中，但在深海环境中波导不变量随信号中心频率、模态和声源-接收点的相对位置变化，所以关于波导不变量在深海环境下的应用研究较少。在深海环境中，位于临界深度以下的水听器接收中等距离声源发出的宽带运动声源时，将接收信号的频谱随声源距离的变化画成伪彩图，可以观察到明暗相间的条纹，该条纹对声源深度非常敏感，当声源距离已知时，利用这种现象用于声源深度估计。当声源距离未知时，宽带接收信号的声强谱在直达波到达角-频率二维平面上的伪彩图呈现出相同结构的明暗相间的干涉条纹，本文基于这种物理现象，利用垂直线列阵可实现深海表面运动声源的深度估计。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于条纹干涉结构的深海宽带目标深度估计方法，克服深海环境下声场对深度的不敏感性。

技术方案

一种基于条纹干涉结构的深海宽带目标深度估计方法，其特征在于：将垂直线列阵布放在深水体中，深海宽带目标深度估计步骤如下：

步骤1：在声场仿真环境为实际海洋环境，以频率f范围为[fmin,fmax]，在每个频率上利用Bellhop射线声场模型进行声场计算，得到直达波到达角(D-DOA)和声压值，对声压值做常规波束形成，得到D-DOA和频率域的波束输出强度；

在不同的仿真声源深度为 利用上述方法计算不同声源深度下的D-DOA和频率域的波束输出强度；

利用扩展卡尔曼滤波对D-DOA和频率域的波束输出强度进行条纹追踪，状态方程为：

其中，(fmodel_k,Bmodel_k)是仿真条纹的第k个D-DOA的频率和强度值， 为相应的瞬时跟踪速度，Δdmodel为D-DOA的步长值，wmodel_k为噪声向量，为高斯白噪声；

在追踪过程中，第k+1个D-DOA与第k个D-DOA具有相同的跟踪速度，变化分量包含在噪声向量中，因此 和

第k个D-DOA的测量向量为：

Zmodel_k＝h(Dmodel_k)+vmodel_k

其中，h(·)是非线性的测量函数，vmodel_k为噪声向量，为高斯白噪声，包含测量过程中的误差；函数h(·)的作用是根据上一个的频率，在一定的频带区间内搜索条纹强度的最小值得到参数Zmodel_k，包含了第k个D-DOA的频率和最小强度值；

基于Zmodel_k+1和Dmodel_k对Dmodel_k+1进行估计，状态方程的更新为：

其中， 是由Dmodel_k预测得到的 Kmodel_k+1是卡尔曼增益，emodel_k+1为新息，由 计算得出；

给定频率初值，搜索仿真的D-DOA和频率域的波束输出强度的局部最小值进行条纹追踪，得到仿真的条纹位置，记为仿真条纹的迹 进而得到仿真的条纹数量 其中，θ为角度；

步骤2：水听器接收到目标辐射的宽带信号，目标初始距离、深度和速度均未知；首先，利用宽带波束形成对宽带信号计算波束时间历程进行到达角估计，得到声波的上行和下行传播的到达角，下行传播的到达角为随时间变化的D-DOA；

对宽带信号做傅里叶变换，得到每个频率的频谱分量；在[fmin,fmax]区间的每个频率分量上，根据到达角估计得到的D-DOA做常规波束形成，得到时间频率域的波束输出强度，其中，时间序列由快拍时间得到，与D-DOA有关；

利用扩展卡尔曼滤波对时间频率域的波束输出强度进行条纹追踪，状态方程为：

其中，(fexp_k,Bexp_k)是第k时刻条纹的频率和强度值， 为相应的瞬时跟踪速度，Δdexp为时间的步长值，wexp_k为噪声向量，为高斯白噪声；

在追踪过程中，第k+1时刻与第k时刻具有相同的跟踪速度，变化分量包含在噪声向量中；因此 和 第k时刻的测量向量为：

Zexp_k＝h(Dexp_k)+vexp_k

其中，h(·)是非线性的测量函数，vexp_k为噪声向量，为高斯白噪声，包含测量过程中的误差；

函数h(·)的作用是根据前一时刻的频率，在频带区间内搜索条纹强度的最小值得到参数Zexp_k，包含了第k时刻的频率和最小强度值；

基于Zexp_k+1和Dexp_k对Dexp_k+1进行估计，状态方程的更新为：

其中， 是由Dexp_k预测得到的 Kexp_k+1是卡尔曼增益，eexp_k+1为新息，由 计算得出；给定合适的频率初值，搜索实际数据得到的时间频率域的波束输出强度的局部最小值进行条纹追踪，将时间转化为对应的D-DOA，得到目标的条纹位置，记为目标条纹的迹Texp(zs)，其中，zs为目标的声源深度，进而得到目标的条纹数量Nfexp(θ,f,zs)；

步骤3：利用代价函数得到目标的声源深度

其中， 表示对应 第n条暗条纹的迹；代价函数的第一项与条纹位置有关，第二项与条纹数目有关；

首先，将D-DOA与频率的声能量平面进行网格化，(θ,f)表示一个网格的中心点，若一条迹经过该网格，则称 此时，Pexp记为1，否则，Pexp记为0。sign(·) 表示符号函数，Nf为相同D-DOA时条纹的数目，N1和Nθ分别为对应加和的总项数；每一项的幅度需要归一化来平衡，其中1表示完全失配，0表示吻合；

因此，代价函数的最大值为 在理想情况下的最小值为0；代价函数选取插值形式避免估计误差，当条纹位置整体偏移时导致代价函数第一项失效，此时，第二项条纹数目对目标深度估计起主要作用；相反，由于跟踪误差当条纹数目不准确时导致代价函数第二项失效；此时，第一项条纹位置可用于目标深度估计；通过搜索代价函数的最小值，此时对应的假设的声源深度为声源估计深度。

有益效果

本发明提出的一种基于条纹干涉结构的深海宽带目标深度估计方法，由垂直线列阵组成，有利于提取宽带干涉条纹结构。本发明首先将垂直线列阵布放入水，接收运动目标发射的宽带信号，同时在实验环境下利用声场模型进行不同声源深度的干涉条纹结构的仿真，利用扩展卡尔曼滤波分别进行实验和仿真干涉条纹的追踪，将追踪得到的条纹位置和数目信息带入代价函数，最小化代价函数，此时对应的声源深度即为目标估计深度。

有益效果是：该方法首先在步骤一中进行实验环境下的不同声源深度的干涉条纹仿真，在步骤二中对实验数据处理得到干涉条纹，在步骤三中利用EKF算法实现仿真和实验条纹的追踪，最后在步骤四中通过最小化代价函数，对仿真和实验条纹匹配得到声源目标估计的深度值。该方法在步骤一至步骤四中实现了深海声源目标深度估计，从而为获取深海目标深度提供有效的技术方法。此方法与系统有如下优势：

(1)不需要复杂的声场模型计算。

(2)利用阵列波束输出，提高信噪比。

(3)稳健性好，随环境变化小。

(4)水听器位于海底，布放方便。

(5)潜标可长期稳定地工作。

附图说明

图1是本发明方法实验海域的声速剖面图。

图2是本发明方法传播损失图。

图3是本发明方法不同声源深度(3m，10m，50m)的干涉条纹仿真示意图。

图4是本发明方法利用EKF方法进行仿真声源为10m的干涉条纹的追踪示意图。

图5是本发明方法仿真声源为10m的代价函数的估计结果。

图6是本发明方法利用宽带常规波束形成计算波束时间历程图。

图7是本发明方法时间频率域的波束强度输出。

图8是本发明方法实验数据的代价函数的估计结果。

图9是本发明方法利用代价函数的目标估计深度的仿真干涉条纹与实验条纹干涉的对比图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例图1给出了实验海域的声速剖面，水深为3904m，混合层深度为40m。海底基本平坦。接收阵为16元垂直线列阵，位于海底，阵元间距为4m，阵元中心深度为3700m。海底声速、密度和衰减系数分别为1560m/s，1.6g/cm3和0.2dB/λ。图2 是该环境下的传播损失图，可以看出典型的深海水声传播路径，在20公里和70公里海底附近传播损失较低，接收到的水声信号具有较高的信噪比。目标深度估计通过以下四个步骤完成：

步骤一假定在频率f的范围为[fmin,fmax]，其中，fmin为频率最小值，fmax为频率最大值，在每个频率上利用Bellhop射线声场模型进行声场计算，声场仿真环境为实际海洋环境，得到直达波到达角(D-DOA)和声压值，对声压值做常规波束形成，得到D-DOA和频率域的波束输出强度。假设不同的仿真声源深度为 利用上述方法计算不同声源深度下的D-DOA和频率域的波束输出强度。

波束输出强度呈现出干涉条纹结构，可以观察到连续的亮条纹(声能峰值)和暗条纹(声能谷值)，条纹数目随声源深度的增加而增加。该结果说明深海声场中，条纹的位置和数目与声源深度密切相关。由于单个亮条纹覆盖更宽的频带范围，且与跟踪亮条纹的声能峰值相比，跟踪暗条纹的声能谷值会减小不确定性，故将暗条纹作为本文跟踪的对象，后文中出现的条纹特指暗条纹。

利用扩展卡尔曼滤波对D-DOA和频率域的波束输出强度进行条纹追踪，状态方程为：

其中，(fmodel_k,Bmodel_k)是仿真条纹的第k个D-DOA的频率和强度值， 为相应的瞬时跟踪速度，Δdmodel为D-DOA的步长值，wmodel_k为噪声向量，假设为高斯白噪声。在追踪过程中，假设第k+1个D-DOA与第k个D-DOA具有相同的跟踪速度，变化分量包含在噪声向量中。因此 和d 第k个D-DOA的测量向量为

Zmodel_k＝h(Dmodel_k)+vmodel_k(2)

其中，h(·)是非线性的测量函数，vmodel_k为噪声向量，假设为高斯白噪声，包含测量过程中的误差。函数h(·)的作用是根据上一个的频率，在一定的频带区间内搜索条纹强度的最小值得到参数Zmodel_k，包含了第k个D-DOA的频率和最小强度值。基于 Zmodel_k+1和Dmodel_k对Dmodel_k+1进行估计，状态方程的更新为

其中， 是由Dmodel_k预测得到的 Kmodel_k+1是卡尔曼增益，emodel_k+1为新息，由 计算得出。给定合适的频率初值，搜索仿真的D-DOA和频率域的波束输出强度的局部最小值进行条纹追踪，得到仿真的条纹位置，记为仿真条纹的迹 进而得到仿真的条纹数量 其中，θ为角度。

步骤二水听器接收到目标辐射的宽带信号，目标初始距离、深度和速度均未知。首先，利用宽带波束形成对宽带信号计算波束时间历程进行到达角估计，得到声波的上行和下行传播的到达角，下行传播的到达角为随时间变化的D-DOA。对宽带信号做傅里叶变换，得到每个频率的频谱分量。在[fmin,fmax]区间的每个频率分量上，根据到达角估计得到的D-DOA做常规波束形成，得到时间频率域的波束输出强度，其中，时间序列由快拍时间得到，与D-DOA有关。从波束输出强度上可以观察到明暗相间的条纹。

利用扩展卡尔曼滤波对时间频率域的波束输出强度进行条纹追踪，状态方程为：

其中，(fexp_k,Bexp_k)是第k时刻条纹的频率和强度值， 为相应的瞬时跟踪速度，Δdexp为时间的步长值，wexp_k为噪声向量，假设为高斯白噪声。在追踪过程中，假设第k+1时刻与第k时刻具有相同的跟踪速度，变化分量包含在噪声向量中。因此 和 第k时刻的测量向量为

Zexp_k＝h(Dexp_k)+vexp_k(5)

其中，h(·)是非线性的测量函数，vexp_k为噪声向量，假设为高斯白噪声，包含测量过程中的误差。函数h(·)的作用是根据前一时刻的频率，在一定的频带区间内搜索条纹强度的最小值得到参数Zexp_k，包含了第k时刻的频率和最小强度值。基于Zexp_k+1和 Dexp_k对Dexp_k+1进行估计，状态方程的更新为

其中， 是由Dexp_k预测得到的 Kexp_k+1是卡尔曼增益，eexp_k+1为新息，由 计算得出。给定合适的频率初值，搜索实际数据得到的时间频率域的波束输出强度的局部最小值进行条纹追踪，将时间转化为对应的D-DOA，得到目标的条纹位置，记为目标条纹的迹Texp(zs)，其中，zs为目标的声源深度，进而得到目标的条纹数量Nfexp(θ,f,zs)。

步骤三利用代价函数得到目标的声源深度

其中， 表示对应 第n条暗条纹的迹。代价函数的第一项与条纹位置有关，第二项与条纹数目有关。首先，将D-DOA与频率的声能量平面进行网格化，(θ,f)表示一个网格的中心点，若一条迹经过该网格，则称 此时，Pexp记为1，否则，Pexp记为0。sign(·)表示符号函数，Nf为相同D-DOA时条纹的数目，N1和Nθ分别为对应加和的总项数。每一项的幅度需要归一化来平衡，其中1表示完全失配，0 表示吻合。因此，代价函数的最大值为 在理想情况下的最小值为0。代价函数选取插值形式避免估计误差，当条纹位置整体偏移时导致代价函数第一项失效，此时，第二项条纹数目对目标深度估计起主要作用。相反，由于跟踪误差当条纹数目不准确时导致代价函数第二项失效。此时，第一项条纹位置可用于目标深度估计。通过搜索代价函数的最小值，此时对应的假设的声源深度为声源估计深度。

一种基于条纹干涉结构的深海宽带目标深度估计方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。