基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法，利用了浅海接收信号通过消频散变换后在距离‑频散参数二维平面上出现声压聚焦的现象，只有当接收信号的传播距离参数等于目标声源距离时，各号简正波的声压幅度均达到最大值，由此可以估计出目标声源的距离参数。并且接收信号通过消频散变换后，前几阶模态在时域上明显地分离开来，可以准确地估计出各阶模态的能量，采用多模态能量匹配的方式，可以确定目标声源的深度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种浅海声源深度距离估计方法，特别是涉及一种利用简正波消频散变换的声源距离深度估计方法，适用于水平变化比较平稳的浅海海域，属于水声学和水声信号处理领域。
技术介绍
本专利技术主要用于浅海声源深度距离估计。浅海环境中，由于水声环境非常复杂，声源定位一直是水声领域中的一个关键问题。针对浅海中传播的低频宽带信号而言，受海洋媒质的影响，会产生简正波的叠加与频散。水声信道的频散主要由波导特性决定，表现为简正波本征波数随频率的变化。虽然浅海信道的频散特性对信号的分析和处理增加了难度，但是信道的频散特性蕴含了关于海洋环境和信号的相关信息，通过分析频散波导中所接收到的水声信号，可以获得目标的距离深度等位置信息。目前主要的定位方法有匹配场处理、基于波导不变量处理等方法。匹配场处理方法可以参见《An overview of matched field methods in ocean acoustics》，该文1993年发表于《IEEE Journal of Oceanic Engineering》第18期，起始页码为401。匹配场处理通过将声场传播模型计算的拷贝声场与实际接收的声场进行相关处理来实现水声目标的定位问题，它比较依赖于海洋环境参数和声场计算模型，计算量很大，且实际应用中往往会存在各种环境失配所带来的性能下降甚至是失效问题。波导不变量方法可以参见《水下目标被动测距的一种新方法:利用波导不变量提取目标距离信息》，该文2015年发表于《声学学报》第40期，起始页码为138。波导不变量方法利用的是浅海波导中声场在距离和频率二维平面上具有稳健性的干涉结构特征来进行处理，虽然波导不变量对于目标的测距有一定的效果，但是波导不变量对声源深度参数不敏感，不能有效地估计出声源的深度。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法。技术方案一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法，其特征在于步骤如下：步骤1：估计浅海海区消频散变换参数和波导不变量：步骤1a：在浅海理想波导中，一个深度为zs的声源发射一个宽带脉冲信号，经过海洋波导传播后，在距离为r、深度为zr的接收点处的声压场表达为：式中ω是声波频率，M是总的传播模态数，ψm是第m阶模态的模态函数，krm(ω)是第m阶模态的水平波数；系数是一个常量，ρ(zs)表示在声源深度处的海水密度值，S(ω)为发射信号的谱；由公式(1)可知，接收点处的声场是由各阶简正波模态的叠加所组成的，对于每一阶模态，定义如下的相速度为： v m ( ω ) = ω k r m ( ω ) - - - ( 2 ) ]]>步骤1b：用波导不变量统一各号简正波水平波数差的表达式为： k m n ( ω ) = k r m ( ω ) - k r n ( ω ) = ( - γ m + γ n ) ω - 1 β = γ n m ω - 1 β - - - ( 3 ) ]]>式中krm(ω)和krn(ω)分别是第m阶和第n阶的水平波数，kmn(ω)是第m阶和第n阶模态的水平波数差，γm和γn为第m阶和第n阶频散参数，γnm为第m阶和第n阶频散参数差，是一个与简正波号数有关的常量，对于一个已知的浅海波导环境，在高频情况下，近似满足ω→∞,c0为水中平均声速，结合上式，由分析可得 k r m ( ω ) = ω - γ m ω - 1 β c 0 - - - ( 4 ) ]]>步骤1c：将公式(4)代入公式(2)可得： v m ( ω ) = ωc 0 ω - γ m ω - 1 β - - - ( 5 ) ]]>步骤1d：通过比较模型计算出来的相速度曲线与由公式(5)计算出来的相速度曲线，并且利用下式寻优，估计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法，其特征在于步骤如下：步骤1：估计浅海海区消频散变换参数和波导不变量：步骤1a：在浅海理想波导中，一个深度为zs的声源发射一个宽带脉冲信号，经过海洋波导传播后，在距离为r、深度为zr的接收点处的声压场表达为：式中ω是声波频率，M是总的传播模态数，ψm是第m阶模态的模态函数，krm(ω)是第m阶模态的水平波数；系数是一个常量，ρ(zs)表示在声源深度处的海水密度值，S(ω)为发射信号的谱；由公式(1)可知，接收点处的声场是由各阶简正波模态的叠加所组成的，对于每一阶模态，定义如下的相速度为：vm(ω)=ωkrm(ω)---(2)]]>步骤1b：用波导不变量统一各号简正波水平波数差的表达式为：kmn(ω)=krm(ω)-km(ω)=(-γm+γn)ω-1β=γnmω-1β---(3)]]>式中krm(ω)和krn(ω)分别是第m阶和第n阶的水平波数，kmn(ω)是第m阶和第n阶模态的水平波数差，γm和γn为第m阶和第n阶频散参数，γnm为第m阶和第n阶频散参数差，是一个与简正波号数有关的常量，对于一个已知的浅海波导环境，在高频情况下，近似满足ω→∞,c0为水中平均声速，结合上式，由分析可得krm(ω)=ω-γmω-1βc0---(4)]]>步骤1c：将公式(4)代入公式(2)可得：vm(ω)=ωc0ω-γmω-1β---(5)]]>步骤1d：通过比较模型计算出来的相速度曲线与由公式(5)计算出来的相速度曲线，并且利用下式寻优，估计出浅海海区频散参数和波导不变量；寻优代价函数为：(γ^m,β^)=min(Σω=ωminmω=ωmaxm(vmc(ω)-vme(ω,γm,β)2),1≤β≤2,---(6)]]>式中1≤β≤2表示浅海波导不变量的变化范围，为由Kraken模型计算相应频点的第m阶模态的相速度，为利用公式(6)计算出的第m阶模态的相速度，和分别表示计算时第m阶模态相速度的最小频率和最大频率；为代价函数最小的估计值；步骤2：由估计出的频散参数和波导不变量定义消频散变换：P(r,zr,r′,γ′)=12π∫-∞+∞P(ω,r,zr)e-i(ωc0)r′+iω-1β^(γ′c0)dω---(7)]]>式中{r′,γ′}为消频散变换的两个变换参数；将公式(1)中的P(ω,r,zr)代入公式(7)并展开得：P(r,zr,r′,γ′)=QrΣm=1Mψm(zs)ψm(zr)×12π∫-∞+∞S(ω)krm(ω)ei(ω/c0)(r-r′)+i(ω-1/β^/c0)(γ′-rγ^m)dω---(8)]]>步骤3：利用消频散变换对声源进行测距与定深：步骤3a：对于声源的距离估计，由公式(8)可知，对于第m阶频散模态，只有当满足r′＝r、γ′＝rγm时，公式(8)的指数项部分被完全抵消，即变换后的接收信号在距离‑频散参数二维平面上会出现声压聚焦的现象，模态的频散项被完全抵消时对应的距离即为声源的距离，由此确定出声源的距离参数；当准确地定出声源距离后，消频散变换时的频散参数域γ′与消频散变换的时域t的转换关系为：t=r′(1c0+(1β^)γ′ω0-1β^-1c0)---(9)]]>式中r′为估计出的声源距离，ω0为发射信号的中心频率；步骤3b：通过对分离开来的各阶模态的能量进行匹配的方法进行声源的深度估计：第m阶模态的能量按如下的公式进行计算：Em=∫tm1tm2y2(t)dt---(10)]]>式中y(t)表示接收信号经过消频散变换后的时域波形，和分别表示接收信号经过消频散变换后在时域上第m阶模态的起始时刻与结束时刻；由此构造如下的代价函数：J(z)=-10log10(1-&...

【技术特征摘要】
1.一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法，其特征在于步骤如下：步骤1：估计浅海海区消频散变换参数和波导不变量：步骤1a：在浅海理想波导中，一个深度为zs的声源发射一个宽带脉冲信号，经过海洋波导传播后，在距离为r、深度为zr的接收点处的声压场表达为：式中ω是声波频率，M是总的传播模态数，ψm是第m阶模态的模态函数，krm(ω)是第m阶模态的水平波数；系数是一个常量，ρ(zs)表示在声源深度处的海水密度值，S(ω)为发射信号的谱；由公式(1)可知，接收点处的声场是由各阶简正波模态的叠加所组成的，对于每一阶模态，定义如下的相速度为： v m ( ω ) = ω k r m ( ω ) - - - ( 2 ) ]]>步骤1b：用波导不变量统一各号简正波水平波数差的表达式为： k m n ( ω ) = k r m ( ω ) - k m ( ω ) = ( - γ m + γ n ) ω - 1 β = γ n m ω - 1 β - - - ( 3 ) ]]>式中krm(ω)和krn(ω)分别是第m阶和第n阶的水平波数，kmn(ω)是第m阶和第n阶模态的水平波数差，γm和γn为第m阶和第n阶频散参数，γnm为第m阶和第n阶频散参数差，是一个与简正波号数有关的常量，对于一个已知的浅海波导环境，在高频情况下，近似满足ω→∞,c0为水中平均声速，结合上式，由分析可得 k r m ( ω ) = ω - γ m ω - 1 β c 0 - - - ( 4 ) ]]>步骤1c：将公式(4)代入公式(2)可得： v m ( ω ) = ωc 0 ω - γ m ω - 1 &beta...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨坤德，郭晓乐，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61