Page 57 - 《应用声学》2020年第5期
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第 39 卷 第 5 期 于梦枭等： 能量加权时间特征用于浅海声源深度类型判别 699
大；刘志韬等 [10] 利用信号自相关函数 warping 变
0 引言
换，分离简正模相干项，通过不同深度声源激发的声
声呐基阵检测到的海上声源目标复杂多样，通 场能量中，占主导的简正模相干项特征频率不同的
常水面声源目标吃水深度在十几米以内，而水下声 性质实现水面和水下声源判别，当频率较高或海深
源目标完全浸水或正常工作深度均在十几米或几 变深或水文环境变得较为复杂后，方法存在一定的
十米以下，因此，从多样化的目标类型和复杂变化的 困难。以上研究中大多需要对简正模进行分解后再
特征中脱离出来，解决水面声源和水下声源的深度 进行深度估计或判别。
判别问题，对分类和识别水下声源目标十分重要。 水平直线阵作为接收阵列，对频域波束形成
水面及水下声源判别问题一直是水声学领域 后的声场信号做傅里叶逆变换可以获得波束强
中研究的难题之一。长期以来，声呐目标识别技术 度 -时间分布图。Lee 等 [11] 基于此提出基阵不变
是解决该问题的主要途径 [1−2] ，该途径依赖于对目 量概念，波束输出最大值对应波束迁移线 (Beam-
标数据的获取和训练，由于目标及其工况的多样性、 former migration line)的倒数随时间沿固定斜率线
海洋环境复杂性、系统自身条件限制以及用于分类 性偏移，在信号方位固定且海水声速已知时，该偏移
识别的目标特征可分性等多方面因素的制约，声呐 斜率仅与声源距离有关，即基阵不变量，利用基阵不
目标识别的应用尚存在诸多问题需要解决。从水声 变量方法可以实现声源被动测距。由于各阶简正模
物理角度出发，在特定的海洋环境条件下，寻求利用 存在频散现象，在波束强度 -时间分布图中，接收到
声信号场传播物理特征来判别水面和水下声源值 的各阶简正模分布在不同的时间段内，而声源深度
得探索。 不同时，各阶简正模能量的时间分布也将有所不同。
用于水面和水下声源判别的声信号场传播物 基于以上物理思想，本文将研究一种基于水平线列
理特征主要包括声源深度或者具有深度差异性的 阵接收以及利用能量加权到达时间特征作为特征
能量、相位或干涉结构特征等，在浅海波导中多从 量的脉冲声源深度类别判别方法，相比于上述基于
简正模及其干涉结构特征出发进行研究。Shang [3] 简正模或干涉结构特征过滤的方法而言，力求在水
基于模态滤波技术，使用垂直阵接收声场信号，将 平短阵情况下无需进行简正模分解即可进行声源
包含有限阶简正模的信号分离并转化为带有各阶 深度类型判别。
模态本征函数及声源距离所对应相位信息的向量
数据，利用函数正交性及相关算子处理估计声源深 1 基本原理
度；Yang [4] 同样使用垂直阵分解简正模，当实际声
根据简正模理论，浅海波导中远程传播的声压
场与拷贝场中各阶简正模幅值相关系数达到最大
场可表示为
时，其对应深度即为声源深度；Premus 等 [5−6] 在声
M
线向下折射的浅海波导中使用水平线列阵作为接 j e −jπ/4 ∑
P(r, z r , f) = S(f) √ u m (z s )
收阵列，利用多基地声呐回声探测技术及模态滤波 ρ(z s ) 8π m=1
器，分析简正模低阶子空间的能量差异，从而实现深 e jk rm r
× u m (z r )√ , (1)
度类型判别；郭晓乐等 [7] 利用消频散变换分离各阶 k rm r
简正模，基于水平波数差与波导不变量的关系实现 式 (1) 中，S(f) 为声源的频谱，u m (·) 为第 m 阶简正
声源深度估计；李鹏等 [8] 使用水平阵接收并在已知 模本征函数 (关于深度的实函数)，k m 是第 m 阶简
目标方位的条件下，在模态域进行波束形成，对各 正模水平波数，M 为简正模数目，z s 为声源深度，z r
阶简正模的模态强度与理论声场进行匹配估计声 为接收深度，ρ为海水介质密度，f 为频率。
源深度，其阵元数越多，频带选择越宽，测量精度越 图 1 为水平直线阵信号接收示意图，对于 N 元
高；Conan 等 [9] 使用水平阵对于简正模进行模态滤 等间距水平阵接收的信号，经常规波束形成 (Con-
波，将低阶简正模与高阶简正模的能量比作为评判 ventional beamforming, CBF) 后，声压可表示为与
量，判别声源深度类型，但方法受阵列孔径影响较 扫描角θ 有关的函数 [11] ，
