一种基于均值-能量闪烁指数的宽带发射波束设计方法

本发明涉及水声信号处理与主动声呐发射，尤其涉及一种面向深海会聚区的主动发射宽带波束设计方法，可用于提高深海会聚区的声场能量覆盖率并提升主动声呐探测性能。

背景技术：

1、随着深海目标探测与水下安全保障需求的不断增加，主动声呐在远距离目标探测、区域监视中发挥着重要作用。深海环境具有传播距离远、会聚区效应显著等特点，但单频信号激励下会聚区内的声场能量分布不均匀，使得会聚区内容易出现能量起伏大和有效覆盖范围不足等问题。会聚区中的目标能否被稳定探测，不再仅取决于声场能量的局部峰值大小，还取决于会能量超过有效阈值的空间区域有多大。为了解决这一问题，扩大有效覆盖区域，必须从发射端对声场能量分布进行优化。因此，研究面向深海的主动发射宽带波束设计方法，对于提高会聚区声场覆盖能力以及提升主动声呐远距离探测性能具有重要意义。

2、目前相关研究大多以提高目标区域整体声能量为主要目标，尚未充分关注目标区域内声场空间起伏与部分能量暗区对探测性能的影响。（1）专利1（西北工业大学，专利号：202410048788.7）利用会聚区模态分布特征对垂直阵发射权向量进行优化，有效提升了会聚区可调控范围内的平均声强。该方法主要基于窄带信号进行设计，由于窄带声场的干涉效应，导致会聚区内的声强分布发生剧烈起伏，从而在探测区域内产生声能暗区。（2）文献2“陈乃宾,彭大勇,马力.深海垂直相控发射声场聚焦性能分析[j].应用声学,2025,44(06):1585-1598.”针对深海垂直相控发射声场的聚焦性能进行了研究，建立了相控波束方向与聚焦位置之间的量化关系。（3）文献3“韩志斌,彭朝晖,刘雄厚.深海海底反射区声场角谱域分布结构分析及在声纳波束俯仰上的应用[j].物理学报,2020,69(11):207-218.”分析了深海海底反射区声场角谱域分布结构及其与声呐波束俯仰角之间的对应关系，利用角谱域特征提高了声影区可探测区的声强。但文献（2）、（3）主要侧重于局部区域的声能聚焦，未进一步考虑区域内声能存在局部暗区与有效覆盖范围等问题。

3、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、为克服现有主动声呐探测技术中声能在大范围内聚焦会产生局部能量暗区的问题，本发明引入均值-能量闪烁指数联合优化准则进行宽带主动探测。通过构建均值-能量闪烁指数目标函数，利用梯度上升法迭代求解各子带复权向量，实现子带功率与发射权向量的自适应分配，从而提高深海会聚区的声场有效覆盖范围和主动声呐探测性能。

2、本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。

3、根据本发明的第一方面，提供一种基于均值-能量闪烁指数的宽带发射波束设计方法，所述方法包括：

4、将发射阵工作频段等间隔划分为多个子带，生成子带频率集合；配置深海环境参数与目标覆盖区域离散采样点，基于划分后的各子带构建对应子带复声压矩阵；

5、基于各子带阵列复权向量与复声压矩阵，逐点计算目标区域每个采样点的宽带叠加声场能量，得到目标区域完整声场能量分布；

6、基于全部采样点声场能量，分别计算目标区域声场平均能量与声场能量闪烁指数；

7、引入平衡权重参数与基准参考能量，融合平均能量、能量闪烁指数构建综合优化目标函数；

8、通过梯度上升法迭代对目标函数进行优化求解，获取各子带复权向量，采用各子带复权向量对发射阵列加权完成深海宽带波束设计。

9、在一些示例性实施方式中，所述基于划分后的各子带构建对应子带复声压矩阵，具体为：

10、

11、其中，表示会聚区内的第个距离采样点，，为会聚区内的距离采样点总数；为会聚区内的目标深度；为第个子带的中心频率；为发射阵在频率下于距离处产生的复声压向量。

12、在一些示例性实施方式中，所述各子带阵列加权向量具体为：

13、

14、其中，表示第个子带对应的阵列复权向量，表示转置运算，表示第个子带中第个阵元对应的复加权系数，则全部子带的总发射功率应满足如下约束关系

15、

16、其中，表示向量的2-范数，为给定的总发射功率约束值，

k为子带的数量。

17、在一些示例性实施方式中，所述基于各子带阵列加权向量与复声压矩阵，逐点计算目标区域每个采样点的宽带叠加声场能量，具体为：

18、

19、其中，表示共轭转置运算。

20、在一些示例性实施方式中，所述计算目标区域声场平均能量与声场能量闪烁指数，具体为：

21、会聚区内的平均能量表示为

22、

23、定义能量闪烁指数用于表征能量分布均匀度

24、

25、其中为空间能量的方差

26、。

27、在一些示例性实施方式中，所述引入平衡权重参数与基准参考能量，融合平均能量、能量闪烁指数构建综合优化目标函数，具体为：

28、

29、其中，为参考平均能量，为均值与能量闪烁指数之间的权重参数，用于平衡能量强度与分布均匀度。

30、在一些示例性实施方式中，所述通过梯度上升法迭代对目标函数进行优化求解，具体为：

31、依据复向量求导法则，推导目标函数对各子带复权向量共轭向量的梯度表达式；

32、沿梯度方向迭代更新各子带复权向量，单次迭代完成后等比例缩放全部子带权向量，确保满足总发射功率约束；

33、输入预设声强有效阈值，统计会聚区内声强级超过阈值的距离采样点，计算有效声能覆盖比例；

34、遍历权重参数全部候选值，选取有效覆盖率最大值对应的最优权重参数，输出最优权重参数匹配的全部子复权向量集合，采用各子带复权向量对发射阵列加权完成深海宽带波束设计。

35、在一些示例性实施方式中，所述目标函数对各子带复权向量共轭向量的梯度表达式，具体为：

36、

37、其中，为第个子带的平均协方差矩阵，为误差加权协方差矩阵，为第个子带权向量的共轭向量。

38、在一些示例性实施方式中，所述沿梯度方向迭代更新各子带复权向量，具体为：

39、

40、

41、其中，为第个子带的第次迭代时的梯度，为第个子带的第次迭代时的梯度，为迭代步长。

42、在一些示例性实施方式中，所述计算有效声能覆盖比例，具体为：

43、

44、其中，为会聚区内各采样点的接收声强级，为有效阈值，为示性函数。

45、根据本发明的第二方面，提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的基于均值-能量闪烁指数的宽带发射波束设计方法。

46、根据本发明的第三方面，提供一种计算机程序产品，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的第一方面所述的基于均值-能量闪烁指数的宽带发射波束设计方法。

47、根据本发明的第四方面，提供一种电子设备，包括：

48、处理器；以及

49、存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；

50、其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令时实现上述第一方面所述的基于均值-能量闪烁指数的宽带发射波束设计方法。

51、本发明的实施例所提供的基于均值-能量闪烁指数的宽带发射波束设计方法，在总发射功率恒定的约束下，通过构建会聚区能量均值与能量闪烁指数联合优化准则，并结合有效覆盖范围，对各子带复权向量进行优化设计，以提高会聚区内声场能量在有效阈值以上的覆盖范围，提升主动声呐的深海远程探测能力。具体表现如下：

52、1、兼顾能量强度与声场均匀性，消除会聚区能量暗区

53、现有窄带波束优化仅提升平均声强，未抑制深海会聚区声场剧烈起伏，易形成声能暗区；本发明创新性引入均值-能量闪烁指数联合优化准则，构建同时约束声场平均能量、能量空间起伏的目标函数，在保证会聚区整体声能量水平的前提下，大幅降低能量闪烁指数，改善声强分布不均匀问题，从发射端抑制局部低能暗区。

54、2、宽带子带功率自适应分配，充分利用频域自由度

55、将工作频带划分为多子带，通过梯度上升法迭代求解各子带复权向量，实现不同频率子带发射功率自适应调配；区别于传统均匀加权、单频窄带优化，充分挖掘宽带多频分集优势，弱化单频干涉带来的声场剧烈波动。

56、3、恒定总发射功率约束，适配硬件功率上限

57、全程限定所有阵元、全部子带的总发射功率恒定，优化后权向量同步缩放满足功率约束，无需额外增加发射系统硬件功率容量，可直接适配现有主动声呐发射阵列硬件架构，工程落地性强。

58、4、以有效覆盖率为最终评判标准，贴合实际探测需求

59、突破传统仅以平均声强、峰值增益为优化目标的局限，将声强超有效阈值的空间覆盖比例作为最优权重参数筛选依据，优化目标与水下目标稳定探测的实际需求完全匹配，真正提升可稳定探测的空间范围。

60、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。