本发明专利技术公开了一种自适应声场调控的方法和装置，属于声场调控领域。方法利用神经网络建立起输出声场与输入声场之间的复杂对应关系，利用输入声源自适应调控输入声场训练神经网络并获得经过复杂过程后的特定目标输出声场。装置包括输入声源、传输介质、声场检测模块、神经网络模块，针对高斯声源，进一步利用可重构的声学元件替换阵列声源实现从输入普通高斯声场到特定目标输出声场的自适应调控。本发明专利技术突破了传统声场调控技术的性能局限，通过阵列声源、可重构声学元件和神经网络的结合为自适应灵活调控声场提供了全新的思路，在基于复杂声场调控技术的通信、传感、测量、成像等领域有着广泛的潜在应用前景，填补了声场调控相关技术领域的空白。关技术领域的空白。关技术领域的空白。
【技术实现步骤摘要】
一种自适应声场调控的方法和装置
[0001]本专利技术属于声场调控领域，更具体地，涉及一种自适应声场调控的方法和装置。
技术介绍
[0002]海洋覆盖着地球三分之二的表面积，它是人类探索和研究的最前沿的领域之一。海洋不仅在国际商业和渔业中扮演重要的角色，而且还包含了气候的信息，以及丰富的急待开采发的资源。随着全球海洋活动的日趋频繁和迅猛发展，发展现代海洋通信网络与技术已成为我国学术界以及工业界的焦点问题。水下无线通信是海洋通信的关键技术，一般可以分为水下电磁波通信和水声通信。海洋环境多变，电磁波(光波、射频)信号因其高频率在水下传输时由于衰减、散射和吸收等各种因素影响，其传输距离一般限制在较短距离(不超过200m)。目前，声波成为水下长距离传输信息的最优方式。由于海洋环境复杂多变，声场在传输过程中会由于经历各种复杂的扰动而发生不同程度的扭曲和畸变，比如水中的悬浮物颗粒会散射声场，水中的气泡会扰动声场，水下湍流和不均匀的梯度分布同样会干扰声场的传输，等等这些都会使得输出声场相比于输入声场产生较大的改变。输入声场是普通的高斯声场，经过复杂过程后的输出声场其幅度和相位分布可能会变得杂乱无章，这些会对基于声场的通信产生不利影响。除此之外，声场还可以广泛应用于传感、测量和成像等多种应用中，复杂的海洋环境引起的声场的扰动对这些应用都可能产生不利的影响。鉴于此，如何对声场进行灵活的调控是声场应用中亟需解决的关键技术。
[0003]值得注意的是，在基于声场的通信、传感、测量和成像应用中，传统技术所使用的普遍都是高斯声场，更多的是关注高斯声场的频率和幅度等参数维度，对于声场的空间分布很少涉及。近年来，随着光波空间维度资源的开发，特别是受启发于具有空间螺旋相位结构分布且携带轨道角动量的涡旋光场，涡旋声场也受到了人们广泛的关注。更加一般地，随着光场调控技术的快速发展，声场调控技术也应运而生。这里的声场调控技术旨在对声场的空间幅度和相位分布进行剪裁，比如调控产生具有螺旋相位结构的涡旋声场以及具有一般空间幅度和相位分布的结构声场。在很多应用场合，已知的输入声场经过复杂过程之后其输出声场会变得杂乱无章，其中的复杂过程也不得而知，就像一个黑盒子，然而希望输出的声场是满足某些应用需求的特定声场，比如一个汇聚的高斯声场或者涡旋声场等具有特定空间幅度和相位分布的声场，这就需要对声场进行灵活调控。特别地，为了应对复杂多变的海洋环境，需要一种自适应的声场调控技术，其对于灵活调控声场并实际应用于先进的通信、传感、测量和成像技术中具有重要研究意义和实用价值。
技术实现思路
[0004]本专利技术提供了一种自适应声场调控的方法和装置，旨在利用神经网络建立起输出声场与输入声场之间的复杂对应关系，利用阵列声源自适应调控输入声场训练神经网络并获得经过复杂过程后的特定目标输出声场，构建自适应声场调控的装置，进一步利用可重构的声学元件替换阵列声源实现从输入普通高斯声场到特定目标输出声场的自适应调控，
从而突破传统声场调控技术的性能局限，填补相关技术的空白。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提供了一种自适应声场调控的方法，若干输入声场经过传输或变换得到对应的输出声场后，将这若干对已知的输入声场和输出声场作为训练样本集训练神经网络，其中输出声场为神经网络的输入，输入声场为神经网络的输出；
[0006]待神经网络训练好之后，将目标输出声场作为训练好的神经网络的输入，此时神经网络的输出对应为获得目标输出声场所需的输入声场，通过调控所需的输入声场，从而实现自适应声场调控，得到目标输出声场。
[0007]优选地，神经网络的训练样本集为阵列声源产生的若干个输入声场及其经过传输或变换后相对应的若干个输出声场，神经网络经过训练样本集训练后，将目标输出声场作为神经网络输入，经神经网络学习后输出所需的输入声场，然后利用阵列声源调控产生所需的输入声场，该输入声场经过传输或变换后得到相对应的输出声场，将此输出声场与目标输出声场进行对比，如果不一致或者一致程度低于设定值，则将该输出声场及其对应的输入声场作为在训练样本集基础上新增的补充样本，重新训练神经网络并调整神经网络参数，然后再将目标输出声场作为重新训练后的神经网络的输入，如此反复迭代，直至神经网络学习得到的实际输出声场和目标输出声场吻合。
[0008]优选地，输入声场由阵列声源产生，阵列声源可以是环形阵列，可以是方形阵列，也可以是其他几何排布阵列，通过控制阵列声源每个阵列单元产生声场的幅度和相位，可以根据需要产生具有特定空间变化幅度和相位分布的已知若干个输入声场。
[0009]优选地，传输或变换过程可以是复杂的传输过程，也可以是输入到输出复杂的变换过程；目标输出声场可以是一个汇聚的高斯声场，可以是一个涡旋声场，也可以是其他任意具有特定空间幅度和相位分布的结构声场。
[0010]优选地，输出声场由输入声场经过传输或变换对应得到，每个输出声场通过单个声场接收器空间逐点扫描探测其声场空间幅度和相位分布，或者通过阵列声场接收器一次性探测其声场空间幅度和相位分布。
[0011]优选地，输入声源是传统的单个普通高斯声源，其位于阵列声源之前一定距离，仍然利用神经网络学习获得自适应调控输入声场A，其经过复杂过程后得到目标输出声场A
’
，此时用一个声学元件替代阵列声源，该声学元件的传输矩阵为H，输入普通高斯声源A0传输特定距离到达声学元件所在位置处时的声场分布A0’
可以通过声传输理论得到，这样，为了得到最终的目标输出声场，替代阵列声源的声学元件的传输矩阵H满足A0’
H＝A，因而，可以得到当输入声源为单个普通高斯声源时为了获得目标输出声场所需要的用于替代阵列声源的声学元件。
[0012]按照本专利技术的另一方面，提供了一种自适应声场调控的装置，装置包括输入声源、传输介质、声场检测模块、神经网络模块；输入声源用于产生任意具有空间幅度和相位分布的输入声场；传输介质用于实现输入声场到输出声场的转换；声场检测模块用于检测输出声场的幅度和相位分布神经网络模块用于将输入声场和输出声场作为训练样本集训练经网络，其中输出声场为神经网络的输入，输入声场为神经网络的输出；待神经网络训练好之后，将目标输出声场作为训练好的神经网络的输入，此时神经网络得输出为获得目标输出声场所需的输入声场，通过调控所需的输入声场，从而实现自适应声场调控。
[0013]优选地，神经网络的训练样本集为阵列声源产生的若干个输入声场及其经过传输或变换后相对应的若干个输出声场，神经网络经过训练样本集训练后，将目标输出声场作为神经网络输入，经神经网络学习后输出所需的输入声场，然后利用阵列声源调控产生所需的输入声场，该输入声场经过传输或变换后得到相对应的输出声场，将此输出声场与目标输出声场进行对比，如果不一致或者一致程度低于设定值，则将该输出声场及其对应的输入声场作为在训练样本集基础上新增的补充样本，重新训练神经网络并调整神经网络参数，然后再将目标输出声场作为重新训练后的神经网络的输入，如此反复迭代，直到神本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种自适应声场调控的方法，其特征在于，该方法包括：若干输入声场经过传输或变换得到对应的输出声场后，将这若干对已知的输入声场和输出声场作为训练样本集训练神经网络，其中输出声场为神经网络的输入，输入声场为神经网络的输出；待神经网络训练好之后，将目标输出声场作为训练好的神经网络的输入，此时神经网络的输出对应为获得目标输出声场所需的输入声场，通过调控所需的输入声场，从而实现自适应声场调控，得到目标输出声场。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述神经网络的训练样本集为若干个输入声场及其经过传输或变换后相对应的若干个输出声场，神经网络经过训练样本集训练后，将目标输出声场作为神经网络输入，经神经网络学习后输出所需的输入声场，然后通过自适应调控产生所需的输入声场，该输入声场经过传输或变换后得到相对应的输出声场，将此输出声场与目标输出声场进行对比，如果不一致或者一致程度低于设定值，则将该输出声场及其对应的输入声场作为在训练样本集基础上新增的补充样本，重新训练神经网络并调整神经网络参数，然后再将目标输出声场作为重新训练后的神经网络的输入，如此反复迭代，直至神经网络学习得到的实际输出声场和目标输出声场吻合。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，输入声场由阵列声源产生，阵列声源的每个阵列单元可以任意独立调控其产生声场的幅度和相位，产生具有空间变化的幅度和相位分布的结构声场。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，输出声场由输入声场经过传输或变换对应得到，每个输出声场通过单个声场接收器空间逐点扫描探测其声场空间幅度和相位分布，或者通过阵列声场接收器一次性探测其声场空间幅度和相位分布。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，输入声场由单个高斯声源产生，单个高斯声源后预设一个声学元件，输出声场由输入声场经过自由空间传输到达预设的声学元件，再经过传输或变换得到，通过调控声学元件实现目标自适应调控，得到目标输出声场A
’
；声学元件的传输矩阵H满足：A0’
H＝A其中，A0’
为高斯声源A0到达声学元件所在位置处时的声场分布，A为输入声场。6.一种自适应声场调控的装置，其特征在于，装置包括输入声源、传输介质、声场检测模块、神经网络模块；所述输入声源用于产生...
【专利技术属性】
技术研发人员：王健，冯萌馨，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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