一种基于网络节点间水声通信信号的声速剖面反演方法技术

本发明专利技术提供了一种基于网络节点间水声通信信号的声速剖面反演方法，该方法包括：步骤1)选择需要进行声速剖面反演的水域，利用该水域的声速剖面历史数据获取声速剖面经验正交函数，并利用经验正交函数重构一组声速剖面；步骤2)通过声场计算模型模拟生成步骤1)中各声速剖面对应的接收信号；和步骤3)将步骤2)中模拟生成的所有接收信号分别与该水域内网络节点间传输的水声通信信号做相关运算，选择最高相关系数对应的声速剖面作为该水域的最优声速剖面。上述方法利用声速剖面历史数据得到的EOF基函数，并以EOF基函数重构声速剖面值是较为有效的声速剖面样本，可保证反演结果的有效性和精确度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于网络节点间水声通信信号的声速剖面反演方法
本专利技术涉及水声通信
，具体涉及一种基于网络节点间水声通信信号的声速剖面反演方法。
技术介绍
声速剖面在目标定位、环境监测等方面都是极为重要的水声参数，但是现场直接测量的方法难以满足实际应用中快速获取较大范围海域内声速剖面的需求，因此，利用声学反演方法来快速获取声速剖面的研究得到了国内外学者的广泛关注。目前常用的声速剖面反演方法是匹配场反演方法和声线传播时间反演方法，其中匹配场反演方法由于要获得足够的空间增益，对阵型及阵列的要求较高，实际试验实施难度较大；而声线传播时间反演方法中的声线传播时间的测量误差常会导致反演精度较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为解决现有的声速剖面反演方法存在着实施难度高或反演精度低的技术问题，本专利技术提出一种基于网络节点间水声通信信号的声速剖面反演方法，该方法利用声速剖面历史数据获取声速剖面经验正交函数(EOF，EmpiricalOrthogonalFunction，也称为EOF基函数)，并利用EOF基函数进一步重构一组声速剖面值，进而通过声场计算模型计算重构声速剖面下的接收信号，最后利用重构声速剖面下的接收信号与实际接收信号的相关度来反推得到最优声速剖面。为实现上述目的，本专利技术提供的一种基于网络节点间水声通信信号的声速剖面反演方法，包括：步骤1)选择需要进行声速剖面反演的水域，利用该水域的声速剖面历史数据获取声速剖面经验正交函数，并利用经验正交函数重构一组声速剖面；步骤2)通过声场计算模型模拟生成步骤1)中各声速剖面对应的接收信号；步骤3)将步骤2)中模拟生成的所有接收信号分别与该水域内网络节点间传输的水声通信信号做相关运算，选择最高相关系数对应的声速剖面作为该水域的最优声速剖面。作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤1)包括：步骤101)以测量获得的水域的声速剖面历史数据求平均，获得平均声速剖面，所述的平均声速剖面表示为：其中，表示平均声速剖面，N表示测量获得的声速剖面总数，表示测量获得的第n个声速剖面，cm,0表示中第m个平均值，cm,n表示中第m个测量值，m的取值范围为1～M；步骤102)利用步骤101)中的若干个声速剖面与平均声速剖面，构建测量声速剖面的协方差矩阵，所述的协方差矩阵表示为：其中，rij表示协方差矩阵中第i行第j列位置的元素，ci,n和cj,n分别表示中第i个测量值和第j个测量值，ci,0)和cj,0分别表示中第i个平均值和第j个平均值；步骤103)对协方差矩阵进行特征值分解，得到特征值由大到小排列的M个特征矢量作为经验正交函数，所述的M个特征矢量表示为：步骤104)利用步骤101)中获得的平均声速剖面和步骤103)中获得的经验正交函数重构声速剖面，重构的声速剖面表示为：其中，表示重构的声速剖面，αi表示第i阶声速剖面展开系数，Hi表示第i阶经验正交函数。作为上述技术方案的进一步改进，所述的声速剖面展开系数的计算公式表示为：其中，cm,0)表示平均声速剖面中第m个平均值，cm表示声速剖面中第m个元素，Hm,i表示第i阶经验正交函数中第m个元素。本专利技术的一种基于网络节点间水声通信信号的声速剖面反演方法优点在于：(1)利用声速剖面历史数据得到的EOF基函数，并以EOF基函数重构声速剖面值是较为有效的声速剖面样本，可保证反演结果的有效性和精确度；(2)本方法中最后做匹配的声场信号是时间序列，而匹配场反演方法中最后做匹配的声场信号是空间序列，相当于本方法利用合适的时间增益代替了匹配场反演方法中的空间增益，从而减少了实际实验中的设备布放的困难度。附图说明图1为利用本专利技术提供的声速剖面反演方法获取最优声速剖面的反演操作流程图；图2为本专利技术中的发射数据帧结构，发射信号中的同步信号均采用m序列psk调制方式；图3为利用某海域的声速剖面历史数据计算得到的EOF基函数；图4为利用某海域的声速剖面历史数据计算得到的平均声速剖面；图5为发射信号中的第一个同步信号时域图；图6为发射信号中的第一个同步信号的局部时域图；图7为发射信号中的第二个同步信号时域图；图8为发射信号中的第二个同步信号局部时域图；图9为声场模型计算得到的接收信号时域示例；图10为实验中阵元的接收信号时域图；图11为第一个同步信号声速剖面反演结果与实测声速剖面的比较图；图12为第二个同步信号声速剖面反演结果与实测声速剖面的比较图；图13为第一个同步信号反演结果与第二个同步信号反演结果的比较图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术所述的一种基于网络节点间水声通信信号的声速剖面反演方法进行详细说明。如图1所示，本专利技术提供的一种基于网络节点间水声通信信号的声速剖面反演方法，该方法包括：步骤1)选择需要进行声速剖面反演的水域，利用该水域的声速剖面历史数据获取声速剖面经验正交函数，并利用经验正交函数重构一组声速剖面；步骤2)通过声场计算模型模拟生成步骤1)中各声速剖面对应的接收信号；步骤3)将步骤2)中模拟生成的所有接收信号分别与该水域内网络节点间传输的水声通信信号做相关运算，选择最高相关系数对应的声速剖面作为该水域的最优声速剖面。基于上述的声速剖面反演方法，该方法具体由实验接收信号获取、重构声速剖面下的接收信号和最优声速剖面反演三部分组成。(1)实验中的接收信号获取：信号发射形式：在本实施例中，采用网络节点间传输的水声网络通信宽带信号完成信号的发射，发射信号经过实际的声场后通过网络中的节点接收，对接收到的信号进行带通滤波，用于执行后续的相关运算。(2)重构声速剖面下的接收信号获取：首先，采用EOF方法重构声速剖面，利用声速剖面历史数据获取试验海域的声速剖面EOF基函数，再利用声速剖面EOF基函数重构出一组声速剖面SSP(假设有N个重构的声速剖面)。重构时声速剖面经验正交函数的阶数均取前三阶，各重构声速剖面之间的不同之处是各阶EOF基函数的系数不同。由于重构声速剖面时选取的经验正交函数的系数是参考历史声速剖面EOF基函数的系数范围设定，因此这组声速剖面是该海域在一定时间周期内可能存在的声速剖面，即这组重构声速剖面值是较为有效的声速剖面样本。下面介绍利用声速剖面历史数据获取EOF基函数，以及利用EOF基函数重构声速剖面的具体方法：a.水层声速剖面建模：首先对水层声速剖面进行建模，将水层声速剖面分布用一组正交基函数以及对应的系数来表示，其目的是简化需要重构和反演参数的数目。将测量海区的全海深声速剖面表示成：其中，Hi(z)是展开的第i阶基函数，c0(z)是平均声速剖面，αi是第i阶基函数系数，只要基函数选取合适，一般取前几阶即可满足声剖面重构的需求。在有声速剖面历史数据的情形下，水层声速剖面展开基函数比较适合选择经验正交函数。b.经验正交函数展开：以近期CTD剖面仪获取的声速剖面作为声速剖面历史数据。在声速剖面测量的历史数据基础上，可以从中提取得到对应的经验正交函数，用于声速剖面数据的压缩存储以及对未知声速剖面的参数表示和反演。声速剖面经验正交函数的提取过程如下：声速剖面历史数据包括N个声速剖面数据，可表示为：其中是历史声速剖面中的第n个声速剖面，cm,n＝cn(zm)，cm,n表示中第m个元素，zm是与声速值cn对应的测量深度。总共N个历史声速剖面数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于网络节点间水声通信信号的声速剖面反演方法，其特征在于，该方法包括：步骤1)选择需要进行声速剖面反演的水域，利用该水域的声速剖面历史数据获取声速剖面经验正交函数，并利用经验正交函数重构一组声速剖面；步骤2)通过声场计算模型模拟生成步骤1)中各声速剖面对应的接收信号；和步骤3)将步骤2)中模拟生成的所有接收信号分别与该水域内网络节点间传输的水声通信信号做相关运算，选择最高相关系数对应的声速剖面作为该水域的最优声速剖面。

【技术特征摘要】
1.一种基于网络节点间水声通信信号的声速剖面反演方法，其特征在于，该方法包括：步骤1)选择需要进行声速剖面反演的水域，利用该水域的声速剖面历史数据获取声速剖面经验正交函数，并利用经验正交函数重构一组声速剖面；步骤2)通过声场计算模型模拟生成步骤1)中各声速剖面对应的接收信号；和步骤3)将步骤2)中模拟生成的所有接收信号分别与该水域内网络节点间传输的水声通信信号做相关运算，选择最高相关系数对应的声速剖面作为该水域的最优声速剖面。2.根据权利要求1所述的基于网络节点间水声通信信号的声速剖面反演方法，其特征在于，所述的步骤1)包括：步骤101)以测量获得的水域的声速剖面历史数据求平均，获得平均声速剖面，所述的平均声速剖面表示为：其中，表示平均声速剖面，N表示测量获得的声速剖面总数，表示测量获得的第n个声速剖面，cm,0表示中第m个平均值，cm,n表示中第m个测量值，m的取值范围为1～M；步骤102)利用步骤101)...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚美娟，郭圣明，贾宁，鹿力成，孙炳文，马力，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11