基于聲矢量場處理的海洋內(nèi)波預(yù)警監(jiān)測技術(shù)

姜 煜，張 敏，白興宇，華生輝

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,浙江 杭州 310018)

海洋內(nèi)波是發(fā)生在密度穩(wěn)定層化的海水內(nèi)部的一種波動，在海洋內(nèi)部其振幅范圍一般為幾米到幾十米，波長為幾百米至幾千米，周期為幾分鐘至幾十小時[1]。作為一種極其普遍的海洋自然現(xiàn)象，海洋內(nèi)波對海洋軍事活動和海洋資源利用開發(fā)具有較強(qiáng)的威脅性和破壞性，是目前國內(nèi)外海洋領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2-4]。

目前國內(nèi)外海洋內(nèi)波檢測方法主要有兩種：一是采用錨系儀器陣列、走航拖曳儀器、中性浮子探測和聲學(xué)儀器等，通過檢測海水流變引起的物理變化來獲取和檢測內(nèi)波信息[5-7]；另一種是通過衛(wèi)星遙感觀測，通過獲取內(nèi)波在波峰后和波谷后處產(chǎn)生的輻聚和輻散現(xiàn)象來實現(xiàn)內(nèi)波發(fā)現(xiàn)與跟蹤[8-10]。然而，利用海水流變檢測內(nèi)波的技術(shù)存在諸多問題：錨系儀器陣列在細(xì)結(jié)構(gòu)方面存在嚴(yán)重缺陷，其安裝儀器有限，不可能獲得足夠長的物理垂向和水平空間序列，且錨系鏈容易受海流拖拽力影響發(fā)生搖晃，多普勒影響顯著[11-13]。走航拖曳儀器測量的缺點(diǎn)在于成本高，隨機(jī)性強(qiáng)，檢測海域范圍小，同樣無法做到全自主實時檢測。衛(wèi)星遙感觀測主要通過合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)來進(jìn)行內(nèi)波檢測，最大優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行大面積實時觀測。但該方法僅能檢測海水表層的特定內(nèi)波，不能直接對隱藏于海底的內(nèi)波進(jìn)行連續(xù)的觀測。此外，SAR觀測的精度也受到海面狀況的制約[14-16]。

本文提出了一種基于矢量場處理的海洋內(nèi)波監(jiān)測方法。該方法利用超低頻矢量傳感器對海洋背景噪聲場拾取的三維信息進(jìn)行水平方位估計，確定跟蹤的目標(biāo)信號源。本文從海洋內(nèi)波水動力能流物理特性進(jìn)行切入。內(nèi)波的傳播引起三維聲速剖面的變化，基于目標(biāo)的聲強(qiáng)信息，聲場的起伏導(dǎo)致聲源垂直維掠射角發(fā)生突變，當(dāng)跟蹤的目標(biāo)聲源掠射角在時間限度內(nèi)突變幅度超過正常范圍，即可判斷內(nèi)波的到來。為了驗證該方法的有效性，本文采用數(shù)值仿真分析跟蹤聲源信號在受內(nèi)波影響條件下的垂直維掠射角的變化，并與常規(guī)噪聲場條件下的角度變化進(jìn)行對比。

1 基本原理

1.1 內(nèi)波引起聲場變化

在夏季，內(nèi)波會導(dǎo)致大振幅波動，振幅可達(dá)百米。內(nèi)波活動導(dǎo)致溫躍層劇烈起伏，使海水的聲速分布產(chǎn)生劇烈變化，對水下聲場造成較大的影響。

圖1是內(nèi)波存在時聲速剖面變化圖，則聲傳播路徑上的聲速剖面為

(1)

式中，η(r)代表內(nèi)波隨距離的位移；c1和c2分別表示溫躍層上下聲速；z1和z2分別表示溫躍層上下邊界深度；ε[z-z2-η(r)]為溫躍層聲速梯度。

圖1 內(nèi)波聲速剖面圖Figure 1. Internal wave sound velocity profile

對于水平不變的淺海環(huán)境，遠(yuǎn)場聲壓可由簡正波理論表示為

(2)

式中，ρ(zs)為深度zs處的介質(zhì)密度；m為簡正波號數(shù)；Ψm(z)為聲源處簡正波模態(tài)函數(shù)；Ψm(zs)為水聽器處簡正波模態(tài)函數(shù)；krm為簡正波的本征值。水聽器接收靈敏度取決于接收器處簡正波模態(tài)函數(shù)Ψm(zs)的變化。內(nèi)波引起的聲速剖面的變化會導(dǎo)致Ψm(zs)改變，最終使信號聲能流強(qiáng)度發(fā)生變化。

1.2 基于聲矢量場處理的海洋內(nèi)波監(jiān)測

內(nèi)波可引起聲場起伏。由于聲能流強(qiáng)度的改變，信號垂直維掠射角也隨之變化。在海洋背景噪聲場中搜索非協(xié)作聲源目標(biāo)，并通過監(jiān)測目標(biāo)信號的垂直維掠射角畸變來反演內(nèi)波。

目前基于聲壓振速聯(lián)合信息處理技術(shù)的聲能流檢測器主要為平均聲強(qiáng)器與復(fù)聲強(qiáng)器，其中復(fù)聲強(qiáng)器為平均聲強(qiáng)器在頻域的實現(xiàn)形式。假設(shè)海洋信道中，聲壓與振速是同相位的，利用歐拉公式并經(jīng)過傅里葉變換求解頻域下質(zhì)點(diǎn)振速分布

(3)

式中，?p(r,z,ω)為聲壓梯度；r為水平位置；z為深度；ω為角頻率；ρ0介質(zhì)密度。通過聲能流定義，得到復(fù)聲強(qiáng)如式(4)所示。

I(r,z,ω)=p(r,z,ω)·u*(r,z,ω)

(4)

有限尺度聲源所產(chǎn)生的輻射聲場為相干信號，聲壓與振速是完全相關(guān)的。在海洋背景噪聲中的各向同性噪聲場為非相干信號，而非相干信號信息主要集中在虛部，即無功聲強(qiáng)。經(jīng)過互譜運(yùn)算后相干信號會落在其實部，即有功聲強(qiáng)

(5)

式中，Ii表示x、y、z各分量方向的有功聲強(qiáng)。

利用有功聲強(qiáng)在在x、y、z軸上的正交投影就可以估計出聲源垂直維掠射角α，其表達(dá)式如式(6)所示。

(6)

對于多信號源方位估計，平均聲強(qiáng)器只能得到合成聲強(qiáng)流的方位。當(dāng)存在不同頻段范圍的信號時，信號在頻域上有明顯的不同特征，此時使用復(fù)聲強(qiáng)器法，能夠分辨不同頻率范圍的信號目標(biāo)方位，實現(xiàn)目標(biāo)方位估計，得到目標(biāo)垂直維掠射角。然后，對選定的目標(biāo)信號進(jìn)行跟蹤并監(jiān)測其垂直維掠射角，在內(nèi)波到來時，即可得到跟蹤目標(biāo)的垂直維掠射角度變化情況。

圖2為聲矢量場時空頻三維背景跟蹤的內(nèi)波識別示意圖。如圖2(a)所示，若不存在海洋內(nèi)波，跟蹤的某背景輻射源聲信號將以A路線直達(dá)潛標(biāo)，掠射角為α1。如圖2(b)所示，當(dāng)海洋內(nèi)波來襲時，海水等溫度面、介質(zhì)密度層發(fā)生變化，引起聲速剖面發(fā)生變化，導(dǎo)致海洋信道發(fā)生改變，聲信號將以B路線到達(dá)潛標(biāo)，掠射角為α2，與α1有明顯的不同。潛標(biāo)以此特征變化間接識別內(nèi)波來襲，快速啟動報警模塊，完成報警職能。

(a)

通過繪制時間(t)-頻率(f)-方位(α)圖，可直觀地通過圖上垂直方位角的跳變來判斷內(nèi)波的到來，該方法的算法流程框圖如圖3所示。

圖3 矢量場內(nèi)波監(jiān)測原理圖Figure 3.Schematic diagram of wave monitoring in vector field

2 方法實現(xiàn)

2.1 方位估計搜索非協(xié)作聲源

矢量水聽器接收到的水聲信號為各方向聲源的矢量和。當(dāng)噪聲源呈均勻分布時，接收到的聲能流為零；當(dāng)噪聲源非均勻分布時，其環(huán)境噪聲場呈各向異性。在實際的海洋環(huán)境中，噪聲源的分布是不均勻的，海洋環(huán)境噪聲場在水平方向呈現(xiàn)各向異性。同一接受點(diǎn)處的聲壓與互相正交的振速分量有著顯著的相關(guān)性，通常均不為零，并存在顯著的平均噪聲聲能流以及各個噪聲源的合成聲能流。

因受到干擾噪聲源的影響，目標(biāo)聲源的定位會產(chǎn)生較大的誤差。為提高方位估計精度，根據(jù)文獻(xiàn)[17]提出的聲能流矢量補(bǔ)償方位估計算法和文獻(xiàn)[18]噪聲源定位方法，先粗略地獲取目標(biāo)所在空間扇區(qū)，確定主聲源目標(biāo)，將其他方位的噪聲源均視為干擾噪聲源；然后計算干擾噪聲源的聲能流，并從合成聲能流中剔除干擾噪聲源的聲能流；最后再根據(jù)凈聲能流計算得到高精度的目標(biāo)方位，鎖定非協(xié)作目標(biāo)聲源。

如圖4所示，確定目標(biāo)水平方位角和垂直掠射角分別為(θ,α)，Is為目標(biāo)聲能流，噪聲源方位角和掠射角分別為(θi,αi)，In為噪聲源聲能流，Is′與In′分別為Is、In在X、Y二維平面的正交投影。根據(jù)合成聲能流原理可計算出各方位干擾噪聲聲能流在目標(biāo)方位的分量為I′nx(θi,αi,f)、I′ny(θi,αi,f)、I′nz(θi,αi,f)，獲得目標(biāo)聲能流Is在各維度的分量為Isx、Isy、Isz。將目標(biāo)方位聲能流Is與In’進(jìn)行矢量減，即為去噪的凈聲能流。

圖4 矢量水聽器三維聲源聲能流示意圖Figure 4.Schematic diagram of three-dimensional sound energy flow of vector hydrophone

(7)

式中，N為在方位角為θi的頻點(diǎn)個數(shù)；E[·]為求期望，即θi方位多個頻點(diǎn)的平均聲能流；K為不同方位的獨(dú)立干擾噪聲源個數(shù)。

根據(jù)凈聲強(qiáng)流I′sx(f)、I′sy(f)、I′sz(f)可求得較高精度的水平目標(biāo)方位θ和目標(biāo)掠射角α。

(8)

(9)

2.2 頻點(diǎn)方位統(tǒng)計

根據(jù)式(8)計算出每一頻點(diǎn)對應(yīng)的水平方位θ，通過直方圖統(tǒng)計法對各個頻點(diǎn)所對應(yīng)的方位角進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計強(qiáng)度最大值所對應(yīng)的目標(biāo)即為跟蹤目標(biāo)。

對于寬帶信號，可以對方位進(jìn)行直方圖統(tǒng)計。但是當(dāng)目標(biāo)信號是線譜信號且存在寬帶強(qiáng)干擾時，寬帶強(qiáng)干擾會在頻點(diǎn)方位統(tǒng)計時掩蓋線譜信號的方位，此時直方圖統(tǒng)計不能對線譜信號進(jìn)行準(zhǔn)確方位估計。考慮到線譜在頻域中特征比較明顯，本文利用加權(quán)直方圖估計方法對普通直方圖估計進(jìn)行改進(jìn)。進(jìn)行頻點(diǎn)方位統(tǒng)計時，將頻點(diǎn)的聲能流強(qiáng)弱作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)累計。

記方位角統(tǒng)計間隔為Δθ度，則空間角度所允許的間隔總數(shù)為

(10)

由上式可得到水平方位角的區(qū)間范圍為0～Δθ、Δθ～2Δθ、2Δθ～3Δθ、…、(N-1)Δθ～NΔθ。掃描整個頻帶，得到對應(yīng)的方位角度。假定各個頻點(diǎn)估計方位落入各個統(tǒng)計角度間隔的數(shù)量分別為m1、m2、m3、…、mN，則計算如下統(tǒng)計量S(θ)

(11)

其中，Ss(f)為式(12)。

(12)

為避免寬帶噪聲干擾，本文使用加權(quán)直方圖統(tǒng)計目標(biāo)方位，最終得到角度-強(qiáng)度統(tǒng)計量S(θ)，其角度方位反映了真實目標(biāo)方位值。

根據(jù)統(tǒng)計圖選取最高峰值對應(yīng)的角度θ。為了實現(xiàn)對目標(biāo)信號的鎖定，再次掃描整個頻帶，提取方位角為θ的信號頻帶Δf，則此寬帶信號即為跟蹤的目標(biāo)。然后，再根據(jù)式(9)計算目標(biāo)的垂直掠射角跟蹤監(jiān)測角度變化。在正常的海洋背景噪聲場中，聲速剖面分層穩(wěn)定，矢量水聽器接收到正常傳播的聲源信號，目標(biāo)俯仰角起伏平穩(wěn)；內(nèi)波來襲時，躍層的深度起伏引起聲速剖面發(fā)生明顯變化，直接導(dǎo)致接收到的目標(biāo)信號垂直維掠射角突變。本文基于此來判斷內(nèi)波的到來。

3 數(shù)值仿真

在實際工程中，利用三維同振式矢量水聽器進(jìn)行信號的采集和檢測。共有4路信號輸出，分別是p、Vx、Vy、Vz，其中p為聲壓，不具有指向性；Vx、Vy、Vz分別為x、y、z方向的振速，具有良好的靈敏度和偶極子指向性。在海洋背景噪聲場中，噪聲譜具有寬廣的頻率范圍。測量結(jié)果表明，在低頻范圍內(nèi)，頻繁的船舶航行是全球海洋噪聲的主要來源。在5～500 Hz頻率范圍內(nèi)，自然噪聲譜與船舶的輻射噪聲譜吻合良好。因此，本文選擇跟蹤這一范圍內(nèi)的低頻信號來監(jiān)測內(nèi)波。

海洋背景噪聲隨著頻率的變化由十分復(fù)雜的功率譜密度成分所組成，包括各向同性和各向異性噪聲。在進(jìn)行信號處理的過程中，各向同性分布噪聲由類高斯白噪聲生成，通過高斯白噪聲激勵FIR線性濾波器得到。各向異性成分由添加的各向異性噪聲源的方式進(jìn)行疊加，共同構(gòu)成海洋背景噪聲模型。

為驗證本文所提算法的性能，本文利用 MATLAB 進(jìn)行仿真，在仿真中模擬了3個中心頻率分別為55 Hz、150 Hz、300 Hz，帶寬均為100 Hz的寬帶連續(xù)譜信號作為目標(biāo)聲源信號，其水平方位分布為 50°、100°和150°，對應(yīng)的垂直掠射角為40°、80°、100°。然后疊加海洋背景噪聲，其中各向同性噪聲分成與各向異性噪聲分成在實際處理頻段內(nèi)的比例為1∶1，各噪聲源相互獨(dú)立。

由擬定生成的信號源和噪聲，作為水聽器拾取的輸入信號進(jìn)行處理。通過水平方位目標(biāo)估計方法，先抑制海洋背景干擾噪聲，再計算出海洋中各頻點(diǎn)對應(yīng)的水平方位角，方位頻點(diǎn)圖如圖5所示。

圖5 水平維頻點(diǎn)-方位圖Figure 5. Horizontal frequency point-azimuth map

由圖5可知，在拾取的信號帶寬范圍內(nèi)，每個頻點(diǎn)均對應(yīng)著相應(yīng)的方位角度。由方位的密集區(qū)域可直觀的得到目標(biāo)個數(shù)，但無法得到目標(biāo)的信號強(qiáng)度，因此需要通過直方圖統(tǒng)計法對各個頻點(diǎn)計算得到的對應(yīng)方位角進(jìn)行統(tǒng)計。根據(jù)式(12)可得目標(biāo)波束強(qiáng)度統(tǒng)計圖，如圖6所示。

圖6 目標(biāo)波束強(qiáng)度統(tǒng)計圖Figure 6. Statistics chart of target beam intensity

使用加權(quán)直方圖估計方法來對頻點(diǎn)方位進(jìn)行統(tǒng)計，將頻點(diǎn)的聲能流強(qiáng)弱作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)累計。由圖6所示，存在寬帶目標(biāo)信號時，信號各頻點(diǎn)所對應(yīng)的方位角均在一定的區(qū)間范圍內(nèi)，而噪聲頻段各頻點(diǎn)所對應(yīng)的方位角呈隨機(jī)分布，水平方位角為100°的目標(biāo)信號波束強(qiáng)度最強(qiáng)，便選取此信號作為跟蹤目標(biāo)，跟蹤監(jiān)測其垂直維掠射角。

選定統(tǒng)計圖中波束強(qiáng)度最強(qiáng)的信號作為跟蹤目標(biāo)，計算該目標(biāo)頻帶范圍內(nèi)的垂直維掠射角，如圖7所示。

圖7 所獲目標(biāo)垂直頻率-方位圖Figure 7. Obtained target vertical frequency-azimuth map

由圖7可知，鎖定的目標(biāo)信號垂直維掠射角的方位為80°，與實驗數(shù)據(jù)相吻合。在正常海洋背景環(huán)境中，同一目標(biāo)信號源在其頻帶范圍內(nèi)所得垂直維掠射角基本保持不變，在誤差范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定。

在時限范圍內(nèi)，對垂直維頻率-方位圖進(jìn)行更新，得到垂直維時間-頻率-方位圖，如圖8所示。

圖8 垂直維時間-頻率-方位圖Figure 8. Vertical time-frequency-azimuth map

由圖8可知，在無內(nèi)波來襲時，跟蹤目標(biāo)在時限范圍內(nèi)，其垂直維方位掠射角呈略微起伏態(tài)勢，在監(jiān)測范圍內(nèi)的總體偏轉(zhuǎn)幅度在5%以內(nèi)，最大偏轉(zhuǎn)幅度為10%。

海洋內(nèi)波種類豐富多樣，由于內(nèi)波的多樣性，從不同地點(diǎn)、不同時間、不同特征的內(nèi)波得出統(tǒng)一的模擬結(jié)果較為困難。本文假設(shè)實際的海洋內(nèi)波是由許多不同頻率、不同波數(shù)、具有隨機(jī)振幅和隨機(jī)相位的正弦波線性疊加而成，以正弦函數(shù)來模擬內(nèi)波介入，通過仿真得到了內(nèi)波來襲時跟蹤目標(biāo)的垂直維時間-頻率-方位圖，如圖9所示。

圖9 內(nèi)波來襲垂直維時間-頻率-方位圖Figure 9. Vertical time-frequency-azimuth map when internal waves strike

結(jié)合圖8和圖9可知，沒有內(nèi)波時，跟蹤目標(biāo)的垂直掠射角在其頻帶范圍內(nèi)略微起伏，起伏態(tài)勢總體保持平穩(wěn)；當(dāng)內(nèi)波來襲時，隨著內(nèi)波中心向水聽器接收點(diǎn)的移動，由于內(nèi)波引起海洋背景聲速剖面的改變，聲波向遠(yuǎn)離內(nèi)波的方向偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一定會聚效應(yīng)。根據(jù)勞埃德鏡效應(yīng)，固定接收點(diǎn)的能量呈現(xiàn)強(qiáng)弱交替出現(xiàn)，從圖中可看出垂直掠射角也隨之大范圍的上下起伏。隨著內(nèi)波移動到接收點(diǎn)中心位置，水聽器拾得目標(biāo)信號聲能流急劇改變，造成跟蹤目標(biāo)的垂直維掠射角產(chǎn)生最大的偏轉(zhuǎn)角度，極大值從+80°的角度跳變到-20°，最大偏轉(zhuǎn)幅度達(dá)到125%。當(dāng)內(nèi)波向遠(yuǎn)離聲源的位置移動，偏轉(zhuǎn)角度隨之變小，隨著內(nèi)波超出影響范圍，聲源信號的傳播不再受到影響，跟蹤目標(biāo)的掠射角恢復(fù)到正常角度，偏轉(zhuǎn)幅度在5%以內(nèi)。若在跟蹤時限內(nèi)判斷為同一海洋內(nèi)波，則結(jié)束跟蹤，然后對海洋內(nèi)波來襲數(shù)據(jù)進(jìn)行加密打包處理，啟動數(shù)據(jù)通信模塊，完成報警職能，同時進(jìn)行內(nèi)波數(shù)據(jù)傳輸。

基于以上描述，依據(jù)海洋內(nèi)波聲學(xué)原理跟蹤目標(biāo)垂直維掠射角的變化，結(jié)合圖像跳變特征即可判定內(nèi)波的到來。與傳統(tǒng)內(nèi)波監(jiān)測方法相比，該方法不需測量多種物理量變化，也打破了空間的束縛，可較為快速而精準(zhǔn)地判斷內(nèi)波。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于矢量場處理的海洋內(nèi)波監(jiān)測方法，該方法利用超低頻矢量傳感器對海洋背景噪聲場拾取的三維信息，先進(jìn)行水平協(xié)作目標(biāo)搜索來鎖定跟蹤的目標(biāo)聲源。由于內(nèi)波的傳播引起聲場的起伏，因此通過監(jiān)測目標(biāo)的聲強(qiáng)信息和垂直維掠射角的變化范圍來判斷內(nèi)波到來。仿真分析結(jié)果證明跟蹤目標(biāo)聲源垂直掠射角在正常海洋環(huán)境中變化范圍在5%以內(nèi)，浮動較??；當(dāng)內(nèi)波來襲，目標(biāo)聲源垂直掠射角發(fā)生突變，最大突變可達(dá)125%，突變至負(fù)向角度。海洋內(nèi)波潛標(biāo)監(jiān)測技術(shù)通過背景跟蹤、噪聲抑制、角度監(jiān)測并結(jié)合水下探潛技術(shù)可以實現(xiàn)現(xiàn)有儀器無法做到的海洋內(nèi)波實時全自主識別。另一方面，潛標(biāo)體積小，布放回收便捷，不需要大型吊放設(shè)備，可以使用漁船、小艇等進(jìn)行布放和回收，成本較低，具有較好的實用價值。由于三維海洋背景的復(fù)雜性，本文主要通過簡化后的內(nèi)波模型代入算法演算仿真，未來的研究方向?qū)⒒谡鎸嵉暮Ｑ髢?nèi)波傳播模型來改進(jìn)算法，通過處理實時的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)實現(xiàn)內(nèi)波監(jiān)測工程化。