被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104091048 A (43)申请公布日 2014.10.08 C N 1 0 4 0 9 1 0 4 8 A (21)申请号 201410276582.6 (22)申请日 2014.06.19 G06F 19/00(2011.01) G01S 15/42(2006.01) (71)申请人哈尔滨工程大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通 大街145号哈尔滨工程大学科技处知 识产权办公室 (72)发明人殷敬伟 杨光 刘强 张晓 韩笑 潘争荣 (54) 发明名称 被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定 方法 (57) 摘要 本发明公开了一种被动垂直双矢量水。

2、听器的 水下目标深度测定方法。两个垂直布放在水中的 矢量水听器分别接收声压信号与水平振速信号， 能够通过计算得出两个水听器的布放深度，将接 收到的声压信号和水平振速信号进行互谱计算， 由互谱计算得到的有功分量PHVCA的符号进行 深度测定，符号为负是水面船，符号为正是水下目 标。本发明能够计算被动垂直双矢量水听器的布 放深度，利用PHVCA解决了水下目标的深度测定 问题。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104091048 A CN 1040。

3、91048 A 1/2页 2 1.被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法，两个垂直布放在水中的矢量水 听器分别接收声压信号与水平振速信号，将接收到的声压信号和水平振速信号进行互谱计 算，由互谱计算得到的有功分量PHVCA的符号进行深度测定，符号为负是水面船，符号为正 是水下目标，其特征在于：两个垂直布放在水中的矢量水听器的布放深度为： 其中h 1 为设定的水面船和水下目标的分界面、且h 1 H e -H，H为海深，H e 代表有效深 度。 2.根据权利要求1所述的被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法，其特征在 于：所述的有效深度H e 为： 其中，b为海水与海底密度之比，k 1 为海。

4、水中的波数， c cos -1 (c 1 /c 2 )为临界掠设角。 3.根据权利要求2所述的被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法，其特征在 于：所述的声压信号和水平振速信号的互谱为： 振速与声压的关系为： 其中，声压公式为： 其中： 且有n为简正波的序号，r为布放点与目标的水平 距离， n 为第n阶本征值，即是的根，x 1 H， 2 (k 1 2 -k 2 2 )H 2 。 4.根据权利要求3所述的被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法，其特征在 于：所述的有功分量PHVCA为： 权 利 要 求 书CN 104091048 A 2/2页 3 权 利 要 求 书CN 10409104。

5、8 A 1/6页 4 被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法 技术领域 0001 本发明属于水下检测领域，尤其涉及一种适用于水面船和水下目标的区分的被动 垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法。 背景技术 0002 中国海洋国土面积大，海岸线长，常规手段难以区分水面船和水下目标.由于水 下目标一般在甚低频段(10100Hz)其主要声学特征仍较为明显，因此本发明采用甚低频 垂直双矢量水听器技术，进行低噪声目标的远程深度测定. 0003 当前研究水下目标深度测定的方法非常多.文献Pekeris波导中简正波声强 流及其互谱信号处理(声学学报J.Vol.33,No4,Jul,2008.pp.300。

6、-304)基于单矢量 水听器，采用经典简正波法进行了水下声源的深度划分，但该方法不能很好区分水面舰 船和水下目标，因此文献Pekeris波导中简正波的复声强及其应用(物理学报J. Vol.57,No.9,September,2008.pp.5742-5748)及文献浅海低频声场中目标深度测定方法 研究(物理学报J.Vol.58,No.9,September,2009.pp.6335-6343)及专利用浅海低频 相干矢量声场干涉结构探测并判别目标的方法提出了基于标量双声压传感器的水下目标 深度测定，采用快速场程序进行了仿真，并做了有效深度的研究. 0004 专利公开号：CN101271155A的。

7、专利，用浅海低频相干矢量声场干涉结构探测并判 别目标的方法首先，采用单矢量水听器进行水下目标的深度分类，在水深低于100m的情况 下，只能以40m左右为临界分界面进行水下目标的深度区分。其次，提出双矢量水听器声压 分别与水平振速和垂直振速互谱进行水下目标的深度分类。总体处理流程为：第一步是分 别将声压以及振速信号进行傅里叶变换；第二步是对矢量信号的傅里叶变换取共轭；第三 步是声压信号的傅里叶变换与矢量信号的傅里叶变换的共轭相乘；第四步是取实部或者虚 部；第五步是进行正负号判决；第六步是根据第五步的正负号判决给出目标的深度分类。 但是该专利只是说置于一适当位置，而没有给出具体的布放位置。 发明内。

8、容 0005 本发明的目的是提供一种具有水听器预报布放功能的被动垂直双矢量水听器的 水下目标深度测定方法。 0006 本发明是通过以下技术方案实现的： 0007 被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法，两个垂直布放在水中的矢量水 听器分别接收声压信号与水平振速信号，将接收到的声压信号和水平振速信号进行互谱计 算，由互谱计算得到的有功分量PHVCA的符号进行深度测定，符号为负是水面船，符号为正 是水下目 标，两个垂直布放在水中的矢量水听器的布放深度为： 0008 说 明 书CN 104091048 A 2/6页 5 0009 0010 其中h 1 为设定的水面船和水下目标的分界面、且h 1 。

9、H e -H，H为海深，H e 代表有效 深度。 0011 本发明被动垂直双矢量水听器的水下目标深度测定方法还可以包括： 0012 1、有效深度H e 为： 0013 0014 其中，b为海水与海底密度之比，k 1 为海水中的波数， c cos -1 (c 1 /c 2 )为临界掠 设角。 0015 2、声压信号和水平振速信号的互谱为： 0016 0017 振速与声压的关系为： 0018 0019 其中，声压公式为： 0020 0021 其中： 且有n为简正波的序号，r为布放点与目标的水平距 离， n 为第n阶本征值，即是 的根，x1H， 2 (k 1 2 -k 2 2 )H 2 。 0022。

10、 3、有功分量PHVCA为： 0023 0024 本发明的有益效果为： 0025 本发明可以根据现场的海洋环境进行计算，计算出两个矢量水听器具体的布放位 置，实现设定临街面的水下目标深度分类。 0026 采用被动垂直双矢量水听器，基于Pekeris波导模型和有效深度，预报被动垂直 双矢量水听器的布放深度，利用PHVCA解决了水下目标的深度测定问题.因为低频在海洋 说 明 书CN 104091048 A 3/6页 6 中传播距离远，所以该方法可以进行低噪声目标的远程深度测定。 附图说明 0027 图1波导示意； 0028 图2为p和v r 互谱处理器； 0029 图3a图3f为前二阶简正波声压、。

11、水平振速幅度分布。图3a40Hz第一阶简正波 声压与水平振速幅度趋势；图3(b)40Hz第二阶简正波声压与水平振速幅度趋势；图3c50Hz 第一阶简正波声压与水平振速幅度趋势；图3d50Hz第二阶简正波声压与水平振速幅度趋 势；图3e60Hz第一阶简正波声压与水平振速幅度趋势；图3f60Hz第二阶简正波声压与水 平振速幅度趋势； 0030 图4a图4f为PHVCA正负号随深度变化。图4a声源频率40Hz，被动双矢量水 听器布放在z 1 51.2m、z 2 78.7m的PHVCA正负号结果图；图4b声源频率40Hz，被动双 矢量水听器布放在z 1 43m、z 2 88m的PHVCA正负号结果图；。

12、图4c)声源频率50Hz，z 1 50.5m，z 2 73m的PHVCA正负号结果图；图4d声源频率50Hz，z 1 44m，z 2 80m的PHVCA 正负号结果图；图4e声源频率60Hz，z 1 49m，z 2 71m的PHVCA正负号结果图；图4f z 1 30m，z 2 90m的PHVCA正负号结果图。 0031 图5为浅海头5阶简正波的截止频率表； 0032 图6为40-60Hz的有效深度表。 具体实施方式 0033 下面根据附图对本发明做进一步详细说明。 0034 本发明适用于水面船和水下目标的区分，比如水面船和鱼群的区分。该发明基于 Pekeris波导模型和有效深度，预报被动垂直。

13、双矢量水听器的布放深度，利用PHVCA实现水 下目标的深度测定，包括以下几个步骤： 0035 (1)根据实际需要，设定水面船和水下目标的分界面h 1 ； 0036 (2)根据预报公式，H e 代表有效深度，将被动双矢量水听器垂直布放在计算出来的 深度， 布放深度和等于有效深度； 0037 0038 0039 (3)被动垂直双矢量水听器，一个用于接收声压信号，另一个用于接收水平振速信 号。将这两个接收到的信号进行互谱计算，即声压信号的傅里叶变换与水平振速信号傅里 叶变换的共轭相乘； 0040 (4)取互谱计算结果的有功分量(实部)PHVCA； 0041 (5)根据互谱计算结果有功分量PHVCA的。

14、符号进行深度测定，符号为负是水面船， 说 明 书CN 104091048 A 4/6页 7 符号为正是水下目标。 0042 下面结合图2对本发明方法的处理流程进行详细说明： 0043 1、根据实际需求和海洋环境进行预报布放 0044 采用Pekeris模型，利用波动理论分析其声场，波导示意如图1。设定水面船和水 下目标的临界面h 1 ，H e 代表有效深度，可得两水听器布放深度的近似理论预报公式： 0045 0046 0047 Pekeris可以等效成有效深度绝对软的环境，其有效深度的表达式为： 0048 0049 这里，H e 有效深度；H海深；b海水与海底密度之比；k 1 海水中的波数； 。

15、c cos -1 (c 1 /c 2 )临界掠设角. 0050 2、被动垂直双矢量水听器的PHVCA 0051 采用Pekeris模型，利用波动理论分析其声场，平面边界均匀水层的阻抗为 1 c 1 ， 海底流体 阻抗为 2 c 2 ，点声源位于柱坐标(0,z 0 )，接收点为(r,z)，海面z0为绝对软界 面， 0052 接收点的声压公式： 0053 0054 其中： 且有n为简正波的序号，r为布放点与目标的水平距 离， n 为第n阶本征值，它是下面本征方程的根 0055 0056 其中：x 1 H， 2 (k 1 2 -k 2 2 )H 2 . 0057 每一阶简正波都对应于一个截止频率f 。

16、n ，即当声源频率ff n 时，第n阶波导简 正波不能被声源激发.因此得到 0058 0059 振速与声压的关系为 说 明 书CN 104091048 A 5/6页 8 0060 0061 因v含有时间因子，所以上式可写为 0062 0063 将公式(4)代入公式(8)，可得 0064 振速水平分量 0065 0066 振速垂直分量 0067 0068 根据公式(4)和(5)，可得双矢量水听器的声压水平振速的互谱 0069 0070 取其有功分量部分，可得PHVCA 0071 0072 3、水下目标深度判别 0073 根据声压水平振速互谱有功分量(PHVCA)的符号进行深度判别，符号为负是水面。

17、 船，符号为正是水下目标. 0074 4、仿真验证 0075 点声源辐射单频谐和声波，均匀水层深度为H100m，声速c 1 1480m/s，密度 1 1.026g/cm 3 ，海底介质声速c 2 1550m/s，密度 2 1.769g/cm 3 .该方法可以根据实际 需要进行h 1 的设定，为了仿真分析，这里设定h 1 21m.方法处理流程如图2所示，根据公 式(6)，得出头5阶简正波的截止频率，如图6所示. 0076 当声源辐射声波频率37.36Hzf62.26Hz时，只需考虑前两阶简正波，下面将以 40Hz-60Hz为例进行分析，无阴影区域为正值，阴影区域为负值.根据公式(3)，得H e 。

18、如图6 所示。 0077 基于上述仿真条件，为便于分析，假定布放水听器在36m，分别作出f40Hz，f 50Hz，f60Hz的前二阶简正波的声压，水平振速幅度分布. 0078 从图3a图3f可以看出，当f40Hz，f50Hz，f60Hz时，其第一阶，第二阶 的声压和水平振速幅度分布趋势几乎相同，只是幅值大小有所不同，因此，根据这三个声源 频率的物理特性，我们得出：这三个声源频率具有相同的水下目标深度测定的特性. 0079 Eg1.假定目标频率40Hz，设定h 1 21m为第一临界分界面，根据公式(1-2)，进 说 明 书CN 104091048 A 6/6页 9 行预报可得：z 1 54.80。

19、52m，z 2 79.3663m.我们将双水听器布放在z 1 51.2m，z 2 78.7m，此时布放深度之和为129.9m，与计算的理论有效深度134m接近，根据公式(12)可得 图4a.将双水听器布放在z 1 43m，z 2 88m，布放之和为131m，可得图4b.临界分界面分 别为h 1 40m，h 2 90m，实际的临界分界面之和为130m，这两个求和数都接近134m的理论 有效深度. 0080 Eg2.假定目标频率为50Hz，设定h 1 21m为第一临界分界面，根据公式(1-2)，进 行预报可得，z 1 51.8374m，z 2 75.4998m.我们将双水听器布放在z 1 50.5。

20、m，z 2 73m， 布放深度 之和为123.5m.与计算的理论有效深度127m接近，根据公式(12)可得图4c.将 双水听器布放在z 1 44m，z 2 80m，布放之和为124m，可得图4d.临界分界面分别为h 1 38m，h 2 86m，实际的临界面之和为124m，这两个求和数都接近127m的理论有效深度. 0081 Eg3.假定目标频率60Hz，设定h 1 21m为第一临界分界面，根据公式(1-2)，进行 预报可得：z 1 49.8502，z 2 72.9308.我们将双水听器布放在z 1 49m，z 2 71m，此时 布放深度之和为120m，与理论有效深度123m接近，根据公式(12。

21、)可得图4e.将双水听器布 放在z 1 30m，z 2 90m，布放之和为120m，可得图4f.临界分界面分别为h 1 46m，h 2 74m，实际的临界面之和为120m，这两个求和数都接近123m的理论计算的有效深度. 0082 我们得出了：一是根据自己的要求进行分界面的设定后，预报与实际布放的位置 有一定的误差，但是随着目标频率的增大，误差越来越小，并验证了公式(1-2)的正确性； 二是两水听器布放的深度之和近似等于有效深度；三是双水听器的PHVCA将海体划分为三 个水平部分，并且两个临界分界面之和为有效深度，当第一个临界分界面的设定值小于有 效深度与实际水深之差时，第二个临界分界面大于实际水深，此时海体划分等效为两水平 区域，以此实现水下目标的深度测定. 0083 综上可得，该方法可以根据实际的海洋环境和需求进行预报布放，并利用被动垂 直双矢量水听器的PHVCA实现了水下目标的深度测定。 说 明 书CN 104091048 A 1/3页 10 图1 图2 图3a图3b 说 明 书 附 图CN 104091048 A 10 2/3页 11 图3c图3d 图3e图3f 图4a图4b 说 明 书 附 图CN 104091048 A 11 3/3页 12 图4c图4d 图4e 图4f 图5 图6 说 明 书 附 图CN 104091048 A 12 。