利用低频声压干涉谱的目标运动参数估计

　　水下目标被动定位方法归纳起来有三大类[1]:三子阵定位、目标运动分析[2](TMA)和匹配场处理[3](MFP).传统的被动定位方法一般采用多个基元,以时延差测量为基础,进行双曲面或球面交汇定位.传统方法在多途信道中进行目标定位都要解相干,仅利用直达声的信息,多途声是作为干扰被抑制的.然而,浅海声场中波导效应比较明显,传统被动定位方法性能严重下降.目标运动分析和匹配场处理是近年来新兴的被动定位方法.TMA方法以纯方位TMA为基础,并辅以频率、多普勒信息、距离、相位信息、多观测站等,多用来估计目标水平方位.匹配场定位以声场模型为基础,采用多元垂直阵通过匹配系数对计算声场与实际声场进行匹配来对目标定位.目前,被动定位技术发展的新趋势是联合TMA/MFP[4]的定位方法和利用方位、多径时延的多途TMA[5].然而,通常的TMA或MFP算法往往需要较多的观测阵元或者定位算法比较复杂.

　　本文研究在浅海中利用单个基元被动接收的目标辐射噪声进行近程目标运动参数估计.浅海声场中多途传播的能量主要部分是相干的.海洋中声场具有明显的相对稳定的干涉图案,即使在远距离处也可以看到稳定的会聚区.浅海声场可以看成是缓慢时变的相干多途信道.本文通过分析近程声场中稳定的时空频干涉现象,来确定目标的运动状态.国内外对于舰船噪声的被动目标探测和位置估计有丰富的研究成果.文献[6]利用目标运动过程中,线谱频率在中心频率附近变化的现象,通过对多普勒频率曲线的曲线拟和来进行被动目标测距.文献[7]对运动舰船辐射噪声的线谱特性进行了深入的研究,提出了利用doppler变化的线谱进行目标的测距、测速和利用干涉谱进行目标测距测深的方法.

　　本文通过建立声压场干涉模型的方法,分析声场干涉的规律,并应用这一规律对目标的运动状态进行估计.通过对海试数据的分析,说明单水听器对运动目标的深度、距离和速度进行估计是可行的.

　　1 运动声源的声压场时频谱图理论分析

　　本文利用射线理论的模型建立声压场,从理论上分析多途到达的信号在时频域上的特性.由于声线经过反射次数越多,能量损失越大,因此,这里只考虑对声场贡献最大的前四条声线,即直达声S01、一次海面反射声S02、一次海底反射声S03和一次海面海底反射声S04,如图1所示.根据射线理论,浅海声场声压p(r,f)为[8]

　　其中:z1=d -z,z2=d +z,z3=2H-d-z,z4=2H-d+z, d为目标深度,z为接收水听器深度,H为海深,r为目标与水听器之间的水平距离.假设海面反射系数为-1.Vb表示海底反射系数,它是r和Ri的函数,具体可以参看文献[8].

　　如果认为目标深度d,水听器深度z,海深H都是已知的.则声压p为水平距离r和频率f(k =ω/c =2πf/c)的函数.当满足R≥d和Rb≥z时,浅海模型近似有