频散特性提取方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供了一种频散特性提取方法、装置及系统，所述方法包括：接收设置于水下的至少一个接收水听器采集的多个水声信号；构建包含多个水声信号的信号矩阵；对信号矩阵中不同时刻、相同位置点的水声信号从时间域变换至频率域；并且，对信号矩阵中相同时刻、不同位置点的水声信号从空间域变换至波数域；建立关于频率域和波数域的频率‑波数坐标系，提取变换后的信号矩阵在坐标系中的极大值点；根据极大值点在频率‑波数坐标系上的坐标位置计算水声信号的各个频率分量在水下的传播速度，进而得到水声信号在水下传播过程中的频散特征。本发明专利技术可在近场测量距离内实现对多阶简正波的分离、提取，更易于对浅海海洋环境中频散特性的利用。

【技术实现步骤摘要】
频散特性提取方法、装置及系统
本专利技术涉及海洋声场建模
，尤其涉及一种频散特性提取方法、装置及系统。
技术介绍
随着人类海洋意识的提高，探索、研究海洋已经成为时下最热门的话题之一。由于声波是目前唯一已知能够在海洋中远距离传播的能量辐射形式，因此研究声波信号在海洋中的传播规律，进而将其应用于水下目标探测、水下目标识别、水下通讯、海洋环境监测等实际工程领域就称为了近代水声技术的基本研究内容。由于浅海波导效应，声信号尤其是低频声信号在水下传播时会产生明显的频散现象，主要表现为简正波本征波数随频率变化和脉冲信号的展宽、重叠，这些特性在一定程度上制约了水声技术的发展和应用。近十几年来研究人员开始尝试正面利用频散特性，并已将其成功应用于对浅海环境参数的获取和对水下目标的被动估计中。在应用浅海频散特性的研究中，如何准确提取不同号简正波的频散曲线是分析这一问题的关键。传统对浅海简正波频散曲线的提取多利用时-频分析方法，如短时傅里叶变换(STFT)、Wigner-Ville分布、自适应最优核时频分布等，通过讨论信号在不同时间、不同频率处的能量强弱分析其传播过程中的频散特征。但上述时-频分析方法均要求远场测量条件，当声源与接收点间距较近时，上述时-频分析方法很难准确分辨多阶简正波的频散特征。
技术实现思路
为克服相关技术中存在的问题，本专利技术提供一种频散特性提取方法、装置及系统，以解决声源与接收点间距较近时，多阶简正波频散特性分辨不准确的问题。根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种频散特性提取方法，包括：接收设置于水下的至少一个接收水听器采集的多个水声信号，当所述接收水听器为至少两个时，至少两个接收水听器水平、等间隔按阵列方式布放；当所述接收水听器为一个时，多个所述水声信号为该接收水听器在不同的位置点上接收得到，任意相邻的两个所述位置点是由所述接收水听器与所述发射换能器之间的距离为在不同时刻沿直线等间隔变化得到的；构建包含多个所述水声信号的信号矩阵；对所述信号矩阵中不同时刻、相同位置点的水声信号从时间域变换至频率域；并且，对所述信号矩阵中相同时刻、不同位置点的所述水声信号从空间域变换至波数域；建立关于所述频率域和所述波数域的频率-波数坐标系，提取变换后的所述信号矩阵在所述坐标系中的极大值点；根据所述极大值点在频率-波数坐标系上的坐标位置计算水声信号的各个频率分量在水下的传播速度，进而得到所述水声信号在水下传播过程中的频散特征。可选地，所述对所述信号矩阵中不同时刻、相同位置点的水声信号从时间域变换至频率域，包括：对所述信号矩阵中不同时刻、相同位置点的水声信号分别利用傅立叶变换算法从时间域变换至频率域，得到所述信号矩阵中水声信号的频谱。可选地，所述对所述信号矩阵中相同时刻、不同位置点的所述水声信号从空间域变换至波数域，包括：对所述信号矩阵中相同时刻、不同位置点的所述水声信号对应的频谱分别利用傅立叶变换算法从空间域变换至波数域，得到信号矩阵中水声信号的波数谱。可选地，相邻两个所述位置点之间的水平距离小于等于预设波长，所述预设波长为所述水声信号的发射带宽对应的最小波长的一半。根据本公开实施例的第二方面，提供一种可在水池条件下应用本提取方法的提取装置，包括：接收模块，用于接收设置于水下的至少一个接收水听器采集的多个水声信号，当所述接收水听器为至少两个时，至少两个接收水听器水平、等间隔按阵列方式布放；当所述接收水听器为一个时，多个所述水声信号为该接收水听器在不同的位置点上接收得到，任意相邻的两个所述位置点是由所述接收水听器与所述发射换能器之间的距离为在不同时刻沿直线等间隔变化得到的；构建模块，用于构建包含多个所述水声信号的信号矩阵；变换模块，用于对所述信号矩阵中不同时刻、相同位置点的水声信号从时间域变换至频率域；并且，对所述信号矩阵中相同时刻、不同位置点的所述水声信号从空间域变换至波数域；建立提取模块，用于建立关于所述频率域和所述波数域的频率-波数坐标系，提取变换后的所述信号矩阵在所述坐标系中的极大值点；计算模块，根据所述极大值点在频率-波数坐标系上的坐标位置计算水声信号的各个频率分量在水下的传播速度，进而得到所述水声信号在水下传播过程中的频散特征。可选地，所述变换模块，还用于：对所述信号矩阵中不同时刻、相同位置点的水声信号分别利用傅立叶变换算法从时间域变换至频率域，得到所述信号矩阵中水声信号的频谱。可选地，所述变换模块，还用于：对所述信号矩阵中相同时刻、不同位置点的所述水声信号对应的频谱分别利用傅立叶变换算法从空间域变换至波数域，得到信号矩阵中水声信号的波数谱。可选地，相邻两个所述位置点之间的水平距离小于等于预设波长，所述预设波长为所述水声信号的发射带宽对应的最小波长的一半。根据本公开实施例的第三方面，提供一种可使本提取方法在水池条件下应用的系统，包括：用于执行如本公开实施例的第一方面提供的频散特性提取方法的处理机和移动平台，以及，设置于水池内部的发射换能器、接收水听器、海底模拟板和固定支架；所述移动平台设置于所述水池上方，所述发射换能器固定于所述移动平台上，所述接收水听器与所述移动平台滑动连接，所述接收水听器用于在不同的位置点上接收水声信号，任意相邻的两个所述位置点是由所述接收水听器与所述发射换能器之间的距离在不同时刻等间隔、水平变化得到的；所述海底模拟板设置于所述固定支架顶部，所述固定支架与所述水池的底部固定；所述处理机用于接收设置于水下的至少一个接收水听器采集的多个水声信号，当所述接收水听器为至少两个时，至少两个接收水听器水平、等间隔按阵列方式布放；当所述接收水听器为一个时，多个所述水声信号为该接收水听器在不同的位置点上接收得到，任意相邻的两个所述位置点是由所述接收水听器与所述发射换能器之间的距离为在不同时刻沿直线等间隔变化得到的；构建包含多个所述水声信号的信号矩阵；对所述信号矩阵中不同时刻、相同位置点的水声信号从时间域变换至频率域；并且，对所述信号矩阵中相同时刻、不同位置点的所述水声信号从空间域变换至波数域；建立关于所述频率域和所述波数域的频率-波数坐标系，提取变换后的所述信号矩阵在所述坐标系中的极大值点；根据所述极大值点在频率-波数坐标系上的坐标位置计算水声信号的各个频率分量在水下的传播速度，进而得到所述水声信号在水下传播过程中的频散特征。本专利技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本专利技术通过水平阵(或模拟水平阵)接收等间隔水平传播距离上的多道水中声传播信号，利用二维傅里叶变换将接收的包含多个水声信号的信号矩阵从时间-空间域坐标系，变换成频率-波数域为坐标系，通过在频率-波数域上寻找极大值点，可实现对接收信号中所包含的波导频散特性的提取。克服了其在近场无法分离多阶简正波频散曲线的缺点，可在近场测量距离内实现对多阶简正波的分离、提取。更易于对浅海海洋环境中频散特性的利用。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，并不能限制本专利技术。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1是根据一示例性实施例示出的一种频散特性提取方法的流程图；图2是本专利技术实施例中浅海海洋环境水中声压场的示意图；图3是根据一示例性实施例示出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种频散特性提取方法，其特征在于，包括：接收设置于水下的至少一个接收水听器采集的多个水声信号，当所述接收水听器为至少两个时，至少两个接收水听器水平、等间隔按阵列方式布放；当所述接收水听器为一个时，多个所述水声信号为该接收水听器在不同的位置点上接收得到，任意相邻的两个所述位置点是由所述接收水听器与所述发射换能器之间的距离为在不同时刻沿直线等间隔变化得到的；构建包含多个所述水声信号的信号矩阵；对所述信号矩阵中不同时刻、相同位置点的水声信号从时间域变换至频率域；并且，对所述信号矩阵中相同时刻、不同位置点的所述水声信号从空间域变换至波数域；建立关于所述频率域和所述波数域的频率‑波数坐标系，提取变换后的所述信号矩阵在所述坐标系中的极大值点；根据所述极大值点在频率‑波数坐标系上的坐标位置计算水声信号的各个频率分量在水下的传播速度，进而得到所述水声信号在水下传播过程中的频散特征。

【技术特征摘要】
1.一种频散特性提取方法，其特征在于，包括：接收设置于水下的至少一个接收水听器采集的多个水声信号，当所述接收水听器为至少两个时，至少两个接收水听器水平、等间隔按阵列方式布放；当所述接收水听器为一个时，多个所述水声信号为该接收水听器在不同的位置点上接收得到，任意相邻的两个所述位置点是由所述接收水听器与所述发射换能器之间的距离为在不同时刻沿直线等间隔变化得到的；构建包含多个所述水声信号的信号矩阵；对所述信号矩阵中不同时刻、相同位置点的水声信号从时间域变换至频率域；并且，对所述信号矩阵中相同时刻、不同位置点的所述水声信号从空间域变换至波数域；建立关于所述频率域和所述波数域的频率-波数坐标系，提取变换后的所述信号矩阵在所述坐标系中的极大值点；根据所述极大值点在频率-波数坐标系上的坐标位置计算水声信号的各个频率分量在水下的传播速度，进而得到所述水声信号在水下传播过程中的频散特征。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述信号矩阵中不同时刻、相同位置点的水声信号从时间域变换至频率域，包括：对所述信号矩阵中不同时刻、相同位置点的水声信号分别利用傅立叶变换算法从时间域变换至频率域，得到所述信号矩阵中水声信号的频谱。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述信号矩阵中相同时刻、不同位置点的所述水声信号从空间域变换至波数域，包括：对所述信号矩阵中相同时刻、不同位置点的所述水声信号对应的频谱分别利用傅立叶变换算法从空间域变换至波数域，得到信号矩阵中水声信号的波数谱。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相邻两个所述位置点之间的水平距离小于等于预设波长，所述预设波长为所述水声信号的发射带宽对应的最小波长的一半。5.一种频散特性提取装置，其特征在于，包括：接收模块，用于接收设置于水下的至少一个接收水听器采集的多个水声信号，当所述接收水听器为至少两个时，至少两个接收水听器水平、等间隔按阵列方式布放；当所述接收水听器为一个时，多个所述水声信号为该接收水听器在不同的位置点上接收得到，任意相邻的两个所述位置点是由所述接收水听器与所述发射换能器之间的距离为在不同时刻沿直线等间隔变化得到的；构建模块，用于构建包含多个所述水声信号的信号矩阵；变换模块，用于对所述信号矩阵中不同时刻、相同位置点的水声信号从时间域变换至频率域；并且，对所述信号矩阵中相同时刻、不同位置点的所述水声信号从空间域变换至波数域；建立提取模块，用于建立关于所述频...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝捍皓，郑广学，郑红，汤云峰，林建民，
申请(专利权)人：浙江海洋大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33