一种基于浅海海底水平阵干涉条纹差分的过顶目标声源深度估计方法与流程

本发明属于水声信号处理领域，尤其是一种基于浅海海底水平阵干涉条纹差分的过顶目标声源深度估计方法。

背景技术：

1、海底水平接收阵列布放于浅海海底，具有声学孔径大、海洋环境背景噪声低、阵列姿态长期稳固的天然优势，各通道采集数据可经海底光缆实时传输至岸基处理站进行信号处理与参数解算。该体制在工程中主要服务于两类核心应用场景：一是水面/水下航行器辐射噪声测试评估，通过被动接收目标辐射噪声估计其航行深度、航向、航速等运动参数，并实现辐射噪声源级的外推与评估；二是水下预警监测，通过对目标运动参数的精细估计（尤其是声源深度估计）实现水下目标的分类识别与威胁等级研判。

2、当目标经过海底水平接收阵列附近时，其辐射噪声声场在海面、海底界面间发生多途反射，形成典型劳埃德镜干涉效应，对每一个窄带分量，都可以观察到空间-时间两维的规律性干涉条纹。当目标过顶通过海底水平接收阵列时，可以观察到以过顶通过时刻和通过位置为中心的闭合的椭圆形干涉条纹。条纹空间分布特征与声源深度强耦合，是本发明目标深度反演的核心物理基础。除了传统分立水听器海底水平阵外，海底光缆分布式声波传感得到的虚拟水平，也可以采集得到稳定的空间-时间域干涉能量通过特性图谱。

3、干涉类测深现有技术可分为三类公知方案：第一类为干涉条纹模板匹配方案，通过声传播模型生成不同深度对应的理论干涉拷贝图谱，与实测图谱全局相关匹配、网格寻优，实现深度与距离联合估计，是目前海底水平阵测深的主流技术；第二类为绝对干涉级次解析求解方案，起源于垂直线阵研究，通过判读cpa中心点绝对干涉明暗级次结合近似模型求解深度；第三类为宽带频率通过特性干涉凹点匹配方案，依托宽带信号频率-距离域干涉特征实现参数反演，仅适用于宽带目标场景。

4、现有技术存在如下缺点：

5、1、绝对干涉级次判读存在固有相位歧义，存在根本性系统误差：浅海海底水平阵特殊布设工况下，目标直达波与海底反射波传播路径完全重合、波程一致，叠加后产生与空间位置无关的全局恒定相位偏移，导致cpa中心点干涉状态随机偏移、无固定对应规律。传统依靠cpa中心点绝对干涉明暗级次的解析求解方法，无法建立稳定的干涉级次-深度映射关系，深度求解结果不稳定、误差大，该相位歧义问题为海底水平阵场景固有物理缺陷，无法通过常规信号处理手段根除。

6、2、干涉图谱模板匹配方法工程实用性差、精度受限：目前主流的海底水平阵深度估计技术，均依托声场模型生成理论拷贝干涉图谱，通过与实测图谱全局相关匹配、网格遍历寻优实现深度估计。该方法高度依赖精准的先验海洋环境参数、声速剖面及海底底质参数，浅海环境具备时变、复杂特点，参数失配现象普遍，极易造成距离-深度参数强耦合、算法易陷入局部最优解；同时全局多维网格遍历计算量大，运行耗时高。

7、3、基于目标通过特性的深度估计方法约束严苛、稳健性弱：现有通过目标能量变化规律、多普勒频率变化规律解算cpa水平距离，再结合几何关系反演目标深度的技术方案，存在明显固有缺陷。该类方法严格依赖目标匀速直线运动假设，实际海洋场景中目标机动、变速航行均会导致多普勒变化率、能量起伏特征畸变，造成cpa距离解算精度急剧衰减。

8、4、聚焦波束形成测深方法参数敏感、计算量大：基于聚焦波束形成的测深技术，通过逐点空间聚焦扫描获取目标方位、距离参数，进而换算目标深度，计算量大，同时该方法对对阵元幅相误差、阵形畸变等敏感。

技术实现思路

1、针对上述浅海海底水平阵过顶目标深度估计的现有技术问题，本发明目的在于：提供一种基于浅海海底水平阵干涉条纹差分的过顶目标声源深度估计方法，通过明暗条纹相对位置差分消除海底反射引入的全局相位偏移，从物理层面消除相位歧义系统误差；明确采用同明同暗相对位置差分以避开相邻明暗条纹间距因非等幅干涉导致的偏差；结合亚阵元高精度条纹定位技术解决离散采样截断误差问题；构建二阶泰勒近似快速求解与原始根式无近似精准求解双模型体系，兼顾计算效率与全域求解精度；通过多条纹、多频率加权最小二乘融合优化，提升复杂海洋环境下的求解稳健性。

2、本发明的技术方案为：

3、一种基于浅海海底水平阵干涉条纹差分的过顶目标声源深度估计方法，包括：

4、步骤1、信号采集与干涉图谱构建：

5、采集浅海过顶运动目标的辐射噪声信号，对阵列各通道时域信号进行快速傅里叶变换至频域，取频域信号模值的平方得到各通道功率谱，进而构建时-频功率谱矩阵；

6、从时-频功率谱中选取信噪比高的目标稳定低频窄带线谱，提取各阵元在同一根线谱频率处的时序能量数据，构建阵元-时间二维能量通过特性干涉条纹图谱；

7、在完成干涉图谱构建后，对目标过顶时刻进行估计：利用干涉图谱中能量分布的集中度特征，以及线谱频率随时间变化率的极大值点，联合估计目标相对于阵列的最近通过时刻。

8、步骤2、cpa干涉条纹切片：

9、选取目标cpa最近通过时刻对应的空间切片作为求解基准，该切片为干涉条纹对称中心；对候选cpa时刻截取窄带能量-空间曲线；

10、当信噪比较低、单时刻切片曲线不够光滑时，以cpa时刻为中心选取一定时间窗口，对窗口内各时刻的能量-空间曲线进行时域平均。

11、步骤3、亚阵元高精度明暗条纹定位：

12、采用先进行整数阵元级粗定位，再进行亚阵元级精细定位的方法，具体如下：

13、（1）整数阵元级粗定位：首先对cpa时刻截取的窄带能量-空间曲线进行极值搜索，提取曲线上所有局部极大值与局部极小值位置，得到多组明纹、暗纹的整数阵元级粗坐标；

14、（2）亚阵元级精细定位：对于高信噪比场景，采用包括抛物线插值、三次样条插值、空间升采样插值在内的插值法处理；对于低信噪比场景，采用带基线项的一维高斯包络模型，采用l-m非线性最小二乘算法迭代拟合截面数据，求解亚阵元级条纹中心位置；

15、（3）通过拟合优度、峰值信噪比筛选高质量定位结果，剔除畸变、噪声干扰的异常条纹坐标，得到多组明暗条纹的亚阵元精度极值位置。

16、步骤4、cpa切片干涉条纹差分建模：

17、沿切片自中心向外依次提取多组相邻的同明或者同暗条纹，每组条纹对由内侧条纹位置与外侧相邻条纹位置构成，从中心向外取多对相邻明暗条纹构建方程组；

18、对于一组相邻的同明或者同暗条纹，利用内侧条纹位置与外侧条纹位置构建关于声源深度的差分方程，通过同组明暗纹位置差分运算完全抵消全局恒定相位偏移与固定π相位突变，构建无相位误差的纯空间干涉约束关系。

19、核心差分方程如下：

20、，

21、式中，d为海水深度，为声源深度，为内侧条纹空间位置，为外侧相邻同明同暗条纹空间位置，λ为水中声波波长。

22、步骤5、双模型声源深度求解：

23、构建两套可切换求解模型，对于快速估算场景，采用二阶泰勒近似解析求解模型，对于高精度精准求解工程场景，采用高精度精准求解模型，具体如下：

24、（1）二阶泰勒近似解析求解模型：在cpa近区对波程差根式函数做二阶泰勒截断展开，消去常量项后推导得到仅与条纹位置相关的一元二次方程，求解得到声源深度闭式解析解；

25、（2）原始根式无近似数值求解模型：不进行任何级数截断与模型近似，完全保留原始波程差根式表达式，构建残差函数，通过二分法、牛顿迭代数值求根完成深度求解，无任何模型截断误差。

26、步骤6、多条纹加权最小二乘融合优化：

27、针对单组条纹求解稳健性差的问题，采用原始波程差残差域加权最小二乘全局优化策略；将所有有效明暗条纹对的残差平方进行加权求和，构建全局代价函数；权重根据各组条纹的定位拟合优度、信噪比自适应分配，高质量条纹权重更高，自动抑制畸变、噪声条纹的干扰；

28、同时针对左右对称条纹，采用位置域绝对值平均预处理降噪，在原始观测域抑制随机噪声，最终通过一维非线性优化迭代求解最优声源深度。

29、步骤7、多频率联合优化求解：

30、当提取得到多根目标窄带线谱时，各频率独立完成条纹定位与残差计算，构建多频率联合加权代价函数，融合多频冗余观测信息，以单频求解结果为迭代初值联合优化求解唯一声源深度，减少随机误差。

31、本发明的有益效果为：

32、1、本发明通过明暗条纹差分机理，从物理根源上消除了浅海海底水平阵工况下固有相位歧义误差，彻底摆脱对cpa中心点绝对干涉级次的依赖，避开了相邻明暗条纹间距因不等幅干涉引入的误差，解决了传统解析方法的根本性系统误差；同时放弃环境敏感、计算开销大的全局模板匹配架构，大幅降低算法对海洋环境先验参数的依赖，规避参数耦合与局部最优问题。

33、2、本发明通过亚阵元精细拟合定位解决了低频粗条纹离散采样精度瓶颈，依托双模型切换机制兼顾实时计算效率与全域求解精度；通过多条纹自适应加权最小二乘融合、多频联合优化，充分利用冗余观测信息，有效压制海洋环境噪声与条纹畸变带来的随机误差，显著提升深度估计的稳健性与精度。