本發(fā)明屬于水下檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于水面船和水下目標(biāo)的區(qū)分的被動垂直雙矢量水聽器的水下目標(biāo)深度測定方法。

背景技術(shù)：
中國海洋國土面積大，海岸線長，常規(guī)手段難以區(qū)分水面船和水下目標(biāo).由于水下目標(biāo)一般在甚低頻段(10～100Hz)其主要聲學(xué)特征仍較為明顯，因此本發(fā)明采用甚低頻垂直雙矢量水聽器技術(shù)，進(jìn)行低噪聲目標(biāo)的遠(yuǎn)程深度測定.當(dāng)前研究水下目標(biāo)深度測定的方法非常多.文獻(xiàn)《Pekeris波導(dǎo)中簡正波聲強(qiáng)流及其互譜信號處理》(聲學(xué)學(xué)報[J].Vol.33,No4,Jul,2008.pp.300-304)基于單矢量水聽器，采用經(jīng)典簡正波法進(jìn)行了水下聲源的深度劃分，但該方法不能很好區(qū)分水面艦船和水下目標(biāo)，因此文獻(xiàn)《Pekeris波導(dǎo)中簡正波的復(fù)聲強(qiáng)及其應(yīng)用》(物理學(xué)報[J].Vol.57,No.9,September,2008.pp.5742-5748)及文獻(xiàn)《淺海低頻聲場中目標(biāo)深度測定方法研究》(物理學(xué)報[J].Vol.58,No.9,September,2009.pp.6335-6343)及專利《用淺海低頻相干矢量聲場干涉結(jié)構(gòu)探測并判別目標(biāo)的方法》提出了基于標(biāo)量雙聲壓傳感器的水下目標(biāo)深度測定，采用快速場程序進(jìn)行了仿真，并做了有效深度的研究.專利公開號：CN101271155A的專利，《用淺海低頻相干矢量聲場干涉結(jié)構(gòu)探測并判別目標(biāo)的方法》首先，采用單矢量水聽器進(jìn)行水下目標(biāo)的深度分類，在水深低于100m的情況下，只能以40m左右為臨界分界面進(jìn)行水下目標(biāo)的深度區(qū)分。其次，提出雙矢量水聽器聲壓分別與水平振速和垂直振速互譜進(jìn)行水下目標(biāo)的深度分類?？傮w處理流程為：第一步是分別將聲壓以及振速信號進(jìn)行傅里葉變換；第二步是對矢量信號的傅里葉變換取共軛；第三步是聲壓信號的傅里葉變換與矢量信號的傅里葉變換的共軛相乘；第四步是取實(shí)部或者虛部；第五步是進(jìn)行正負(fù)號判決；第六步是根據(jù)第五步的正負(fù)號判決給出目標(biāo)的深度分類。但是該專利只是說置于一適當(dāng)位置，而沒有給出具體的布放位置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種具有水聽器預(yù)報布放功能的被動垂直雙矢量水聽器的水下目標(biāo)深度測定方法。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：被動垂直雙矢量水聽器的水下目標(biāo)深度測定方法，兩個垂直布放在水中的矢量水聽器分別接收聲壓信號與水平振速信號，將接收到的聲壓信號和水平振速信號進(jìn)行互譜計算，由互譜計算得到的有功分量PHVCA的符號進(jìn)行深度測定，符號為負(fù)是水面船，符號為正是水下目標(biāo)，兩個垂直布放在水中的矢量水聽器的布放深度為：其中h1為設(shè)定的水面船和水下目標(biāo)的分界面、且h1＜He-H，H為海深，He代表有效深度。本發(fā)明被動垂直雙矢量水聽器的水下目標(biāo)深度測定方法還可以包括：1、有效深度He為：其中，b為海水與海底密度之比，k1為海水中的波數(shù)，αc＝cos-1(c1/c2)為臨界掠設(shè)角。2、聲壓信號和水平振速信號的互譜為：振速與聲壓的關(guān)系為：其中，聲壓公式為：其中：且有n為簡正波的序號，r為布放點(diǎn)與目標(biāo)的水平距離，εn為第n階本征值，即是的根，x＝β1H，σ2＝(k12-k22)H2。3、有功分量PHVCA為：本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明可以根據(jù)現(xiàn)場的海洋環(huán)境進(jìn)行計算，計算出兩個矢量水聽器具體的布放位置，實(shí)現(xiàn)設(shè)定臨街面的水下目標(biāo)深度分類。采用被動垂直雙矢量水聽器，基于Pekeris波導(dǎo)模型和有效深度，預(yù)報被動垂直雙矢量水聽器的布放深度，利用PHVCA解決了水下目標(biāo)的深度測定問題.因?yàn)榈皖l在海洋中傳播距離遠(yuǎn)，所以該方法可以進(jìn)行低噪聲目標(biāo)的遠(yuǎn)程深度測定。附圖說明圖1波導(dǎo)示意；圖2為p和vr互譜處理器；圖3a～圖3f為前二階簡正波聲壓、水平振速幅度分布。圖3a40Hz第一階簡正波聲壓與水平振速幅度趨勢；圖3(b)40Hz第二階簡正波聲壓與水平振速幅度趨勢；圖3c50Hz第一階簡正波聲壓與水平振速幅度趨勢；圖3d50Hz第二階簡正波聲壓與水平振速幅度趨勢；圖3e60Hz第一階簡正波聲壓與水平振速幅度趨勢；圖3f60Hz第二階簡正波聲壓與水平振速幅度趨勢；圖4a～圖4f為PHVCA正負(fù)號隨深度變化。圖4a聲源頻率40Hz，被動雙矢量水聽器布放在z1＝51.2m、z2＝78.7m的PHVCA正負(fù)號結(jié)果圖；圖4b聲源頻率40Hz，被動雙矢量水聽器布放在z1＝43m、z2＝88m的PHVCA正負(fù)號結(jié)果圖；圖4c)聲源頻率50Hz，z1＝50.5m，z2＝73m的PHVCA正負(fù)號結(jié)果圖；圖4d聲源頻率50Hz，z1＝44m，z2＝80m的PHVCA正負(fù)號結(jié)果圖；圖4e聲源頻率60Hz，z1＝49m，z2＝71m的PHVCA正負(fù)號結(jié)果圖；圖4fz1＝30m，z2＝90m的PHVCA正負(fù)號結(jié)果圖。圖5為淺海頭5階簡正波的截止頻率表；圖6為40-60Hz的有效深度表。具體實(shí)施方式下面根據(jù)附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明適用于水面船和水下目標(biāo)的區(qū)分，比如水面船和魚群的區(qū)分。該發(fā)明基于Pekeris波導(dǎo)模型和有效深度，預(yù)報被動垂直雙矢量水聽器的布放深度，利用PHVCA實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的深度測定，包括以下幾個步驟：(1)根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定水面船和水下目標(biāo)的分界面h1；(2)根據(jù)預(yù)報公式，He代表有效深度，將被動雙矢量水聽器垂直布放在計算出來的深度，布放深度和等于有效深度；(3)被動垂直雙矢量水聽器，一個用于接收聲壓信號，另一個用于接收水平振速信號。將這兩個接收到的信號進(jìn)行互譜計算，即聲壓信號的傅里葉變換與水平振速信號傅里葉變換的共軛相乘；(4)取互譜計算結(jié)果的有功分量(實(shí)部)PHVCA；(5)根據(jù)互譜計算結(jié)果有功分量PHVCA的符號進(jìn)行深度測定，符號為負(fù)是水面船，符號為正是水下目標(biāo)。下面結(jié)合圖2對本發(fā)明方法的處理流程進(jìn)行詳細(xì)說明：1、根據(jù)實(shí)際需求和海洋環(huán)境進(jìn)行預(yù)報布放采用Pekeris模型，利用波動理論分析其聲場，波導(dǎo)示意如圖1。設(shè)定水面船和水下目標(biāo)的臨界面h1，He代表有效深度，可得兩水聽器布放深度的近似理論預(yù)報公式：Pekeris可以等效成有效深度絕對軟的環(huán)境，其有效深度的表達(dá)式為：這里，He有效深度；H海深；b海水與海底密度之比；k1海水中的波數(shù)；αc＝cos-1(c1/c2)臨界掠設(shè)角.2、被動垂直雙矢量水聽器的PHVCA采用Pekeris模型，利用波動理論分析其聲場，平面邊界均勻水層的阻抗為ρ1c1，海底流體阻抗為ρ2c2，點(diǎn)聲源位于柱坐標(biāo)(0,z0)，接收點(diǎn)為(r,z)，海面z＝0為絕對軟界面，接收點(diǎn)的聲壓公式：其中：且有n為簡正波的序號，r為布放點(diǎn)與目標(biāo)的水平距離，εn為第n階本征值，它是下面本征方程的根其中：x＝β1H，σ2＝(k12-k22)H2.每一階簡正波都對應(yīng)于一個截止頻率fn，即當(dāng)聲源頻率f＜fn時，第n階波導(dǎo)簡正波不能被聲源激發(fā).因此得到振速與聲壓的關(guān)系為因v含有時間因子，所以上式可寫為將公式(4)代入公式(8)，可得振速水平分量振速垂直分量根據(jù)公式(4)和(5)，可得雙矢量水聽器的聲壓水平振速的互譜取其有功分量部分，可得PHVCA3、水下目標(biāo)深度判別根據(jù)聲壓水平振速互譜有功分量(PHVCA)的符號進(jìn)行深度判別，符號為負(fù)是水面船，符號為正是水下目標(biāo).4、仿真驗(yàn)證點(diǎn)聲源輻射單頻諧和聲波，均勻水層深度為H＝100m，聲速c1＝1480m/s，密度ρ1＝1.026g/cm3，海底介質(zhì)聲速c2＝1550m/s，密度ρ2＝1.769g/cm3.該方法可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行h1的設(shè)定，為了仿真分析，這里設(shè)定h1＝21m.方法處理流程如圖2所示，根據(jù)公式(6)，得出頭5階簡正波的截止頻率，如圖6所示.當(dāng)聲源輻射聲波頻率37.36Hz<f<62.26Hz時，只需考慮前兩階簡正波，下面將以40Hz-60Hz為例進(jìn)行分析，無陰影區(qū)域?yàn)檎?，陰影區(qū)域?yàn)樨?fù)值.根據(jù)公式(3)，得He如圖6所示。基于上述仿真條件，為便于分析，假定布放水聽器在36m，分別作出f＝40Hz，f＝50Hz，f＝60Hz的前二階簡正波的聲壓，水平振速幅度分布.從圖3a～圖3f可以看出，當(dāng)f＝40Hz，f＝50Hz，f＝60Hz時，其第一階，第二階的聲壓和水平振速幅度分布趨勢幾乎相同，只是幅值大小有所不同，因此，根據(jù)這三個聲源頻率的物理特性，我們得出：這三個聲源頻率具有相同的水下目標(biāo)深度測定的特性.Eg1.假定目標(biāo)頻率40Hz，設(shè)定h1＝21m為第一臨界分界面，根據(jù)公式(1-2)，進(jìn)行預(yù)報可得：z1＝54.8052m，z2＝79.3663m.我們將雙水聽器布放在z1＝51.2m，z2＝78.7m，此時布放深度之和為129.9m，與計算的理論有效深度134m接近，根據(jù)公式(12)可得圖4a.將雙水聽器布放在z1＝43m，z2＝88m，布放之和為131m，可得圖4b.臨界分界面分別為h1＝40m，h2＝90m，實(shí)際的臨界分界面之和為130m，這兩個求和數(shù)都接近134m的理論有效深度.Eg2.假定目標(biāo)頻率為50Hz，設(shè)定h1＝21m為第一臨界分界面，根據(jù)公式(1-2)，進(jìn)行預(yù)報可得，z1＝51.8374m，z2＝75.4998m.我們將雙水聽器布放在z1＝50.5m，z2＝73m，布放深度之和為123.5m.與計算的理論有效深度127m接近，根據(jù)公式(12)可得圖4c.將雙水聽器布放在z1＝44m，z2＝80m，布放之和為124m，可得圖4d.臨界分界面分別為h1＝38m，h2＝86m，實(shí)際的臨界面之和為124m，這兩個求和數(shù)都接近127m的理論有效深度.Eg3.假定目標(biāo)頻率60Hz，設(shè)定h1＝21m為第一臨界分界面，根據(jù)公式(1-2)，進(jìn)行預(yù)報可得：z1＝49.8502，z2＝72.9308.我們將雙水聽器布放在z1＝49m，z2＝71m，此時布放深度之和為120m，與理論有效深度123m接近，根據(jù)公式(12)可得圖4e.將雙水聽器布放在z1＝30m，z2＝90m，布放之和為120m，可得圖4f.臨界分界面分別為h1＝46m，h2＝74m，實(shí)際的臨界面之和為120m，這兩個求和數(shù)都接近123m的理論計算的有效深度.我們得出了：一是根據(jù)自己的要求進(jìn)行分界面的設(shè)定后，預(yù)報與實(shí)際布放的位置有一定的誤差，但是隨著目標(biāo)頻率的增大，誤差越來越小，并驗(yàn)證了公式(1-2)的正確性；二是兩水聽器布放的深度之和近似等于有效深度；三是雙水聽器的PHVCA將海體劃分為三個水平部分，并且兩個臨界分界面之和為有效深度，當(dāng)?shù)谝粋€臨界分界面的設(shè)定值小于有效深度與實(shí)際水深之差時，第二個臨界分界面大于實(shí)際水深，此時海體劃分等效為兩水平區(qū)域，以此實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的深度測定.綜上可得，該方法可以根據(jù)實(shí)際的海洋環(huán)境和需求進(jìn)行預(yù)報布放，并利用被動垂直雙矢量水聽器的PHVCA實(shí)現(xiàn)了水下目標(biāo)的深度測定。