基于分布式声波传感技术的水下声源定位及信号获取方法技术

本发明专利技术公开基于分布式声波传感技术的水下声源定位及信号获取方法，属于水下声源检测领域。包括：将布放在待测水域的传感光缆上定义多个传感阵列；对采集到的传感光缆的后向散射光信号进行解调，获得各传感阵列的差分相位信号及其自相关矩阵；对每个传感阵列的若干传感通道做前后双向空间平滑处理，构建前后双向空间平滑传感子阵列，获得前后双向空间平滑传感子阵列的差分相位信号及其自相关矩阵；计算空间平滑矩阵，对空间平滑矩阵做特征值分解确定声源方向；根据每个传感阵列的空间位置和获得的声源方向确定声源的空间位置；对各传感通道信号进行延迟补偿，确定声源信号。本发明专利技术通过对分布式声波传感信号做处理，实现了声源准确定位和信号获取。确定位和信号获取。确定位和信号获取。

【技术实现步骤摘要】
基于分布式声波传感技术的水下声源定位及信号获取方法


[0001]本专利技术涉及水下声源检测领域，更具体地，涉及基于分布式声波传感技术的水下声源定位及信号获取方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着人们对海洋的关注，海洋探测的重要性越发突显出来，并成为研究的焦点。声音信号是目前已知的唯一能在海水中进行远距离传播的能量形式，利用声波作为信息载体对水下目标声学特性的监测，是水下资源勘探、海洋地震监测以及军事防潜等方面的先进手段。光纤水听器作为先进光纤光电子技术与水声工程技术结合的新产物，具有质量轻、体积小、抗电磁干扰能力强、水下无电、灵敏度高、耐恶劣环境和易于组成大规模阵列等独特的优点，成为目前主流的水下声波探测器。近些年来，分布式声波传感技术因其拥有对环境信息进行大区域连续实时高保真定量感知的能力，在水下大范围分布式声波探测方面具有无可替代的地位。
[0003]然而，现有分布式光纤水下声波传感技术仅能对声源在光纤的轴向上进行初步一维定位，无法获取声源的具体方向和空间位置，当存在多个声源时，更无法分离获取出各个声源的信号。实际上，基于分布式声波传感技术的水下声波传感光缆可以等效为由大量传感单元构成的一维连续阵列，其感知数据包含大量空间相关的冗余信息目前都尚未被充分挖掘和利用。
[0004]现有技术(Nina Shpalensky,Lihi Shiloh,Haniel Gabai,and Avishay Eyal,"Use of distributed acoustic sensing for Doppler tracking of moving sources,"Opt.Express 26,17690
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17696(2018))描述了一个分布式声波传感系统，该系统利用运动物体产生或反射的声波及其多普勒频移，利用三个空间坐标来检测和定位运动物体，但是该方法不适用用于静态声源和多声源的定位。
[0005]现有技术(Zhichao Liu,Liang Zhang,Heming Wei,Zhelan Xiao,Zenghuan Qiu,Ruoqi Sun,Fufei Pang,and Tingyun Wang,"Underwater acoustic source localization based on phase
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sensitive optical time domain reflectometry,"Opt.Express 29,12880
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12892(2021))介绍了一种基于改进的相敏光时域反射仪的水下定位系统，基于到达时间差算法，利用多个传感元件检测信号的时延来定位水下声源，但是该方法不适用于多声源定位，且系统的定位性能受到信号信噪比的影响。
[0006]因此，对分布式水下光缆获得的水下声波信号做进一步处理，有望实现水下目标的精确快速定位与跟踪以及高信噪比声源信号的获取。这对分布式声波传感技术在水下资源勘探、海洋地震监测以及军事防潜等方面的应用都具有重要意义。

技术实现思路

[0007]针对现有基于分布式声波传感技术的分布式水下声波传感技术无法获取水下声源的具体方向和空间位置，并且其感知数据包含大量空间相关的冗余信息目前都尚未被充
分挖掘和利用的问题，本专利技术设计了一种基于分布式声波传感技术的水下声源定位及信号获取方法，旨在实现大范围的水下目标的快速精确定位与类型判断，进行位置跟踪，并实现各声源高信噪比信号的恢复与获取。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于分布式声波传感技术的水下声源定位及信号获取方法，包括：
[0009](1)将传感光缆布放在待测水域，在传感光缆上定义多个传感阵列，每个传感阵列均含有若干满足声源远场条件的连续传感通道，每个传感阵列之间不满足声源远场条件；
[0010](2)对采集到的传感光缆的后向散射光信号进行解调，获得各传感阵列的差分相位信号及其自相关矩阵；
[0011](3)对每个传感阵列的若干传感通道做前后双向空间平滑处理，构建前后双向空间平滑传感子阵列，获得前后双向空间平滑传感子阵列的差分相位信号及其自相关矩阵；
[0012](4)对前后双向空间平滑传感子阵列的差分相位信号的自相关矩阵做互相关后加和平均，获得空间平滑矩阵，对空间平滑矩阵做特征值分解确定声源方向；
[0013](5)根据每个传感阵列的空间位置和获得的声源方向确定声源的空间位置；
[0014](6)对各传感通道信号进行延迟补偿，确定声源信号。
[0015]进一步地，传感光缆由传感光纤紧密缠绕在增敏缆绳上制备而成，传感光纤在增敏缆绳上的缠绕方式包括均匀螺距缠绕方式、非均匀螺距缠绕方式和多光纤缠绕方式中的一种或多种方式。
[0016]进一步地，传感光缆布放方式包括直线布缆方式、U形布缆方式、L形布缆方式、S形阵列布缆方式中的一种或多种。
[0017]进一步地，传感通道为分布式声波传感系统在传感光纤上信号通道，其间隔为Δd；等于传感通道的宽度Δd，且满足其中，λ为声源波长。
[0018]进一步地，每个传感阵列均含有若干道满足声源远场条件的连续传感通道，即其中，L
S
为声源距离传感阵列的距离，λ为水下声源波长，d为传感阵列长度，d＝MΔd，其中，M为传感阵列上传感通道的个数。
[0019]进一步地，差分相位信号包括传感阵列上M个连续传感通道的空间差分相位信号其中，t是采样时间；传感阵列差分相位信号X(t)的自相关矩阵R＝E[X(t)X
H
(t)]，其中，E表示数学期望，X
H
(t)是X(t)的共轭转置矩阵。
[0020]步骤(2)、(3)、(4)具体为：
[0021]将具有M个传感通道的传感阵列以滑动方式分成L个互相重叠的传感子阵列，相邻的传感子阵列在空间上相差1个传感通道，每个传感子阵列有N＝M
‑
L+1个传感通道；
[0022]第J个前向空间滑动传感子阵列差分相位信号包括第J个、第J+1个、
……
、第J+N
‑
1个连续传感通道的空间差分相位信号，其自相关矩阵其中，E表示数学期望，是的共轭转置矩阵，
是差分相位信号X(t)的自相关矩阵R中第J行J列到第J+N行J+N列N
×
N矩阵，J∈[1,2,...,L]；
[0023]第J个后向空间滑动传感子阵列差分相位信号包括第M
‑
J+1个、第M
‑
J个、
……
、第L
‑
J+1个连续传感通道的空间差分相位信号，其自相关矩阵其中，E表示数学期望，是的共轭转置矩阵，J
N
为N
×
N交换矩阵，是的共轭矩阵，J∈[1,2,...,L]；
[0024]对前后双向空间平滑相位信号自相关矩阵分别做互相关后再加和平均可以获得空间平滑矩阵，空间平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于分布式声波传感技术的水下声源定位及信号获取方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在布放在待测水域的传感光缆上定义多个传感阵列，每个传感阵列均含有若干满足声源远场条件的连续传感通道，每个传感阵列之间不满足声源远场条件；(2)对采集到的传感光缆的后向散射光信号进行解调，获得各传感阵列的差分相位信号及其自相关矩阵；(3)对每个传感阵列的若干传感通道做前后双向空间平滑处理，构建前后双向空间平滑传感子阵列，获得前后双向空间平滑传感子阵列的差分相位信号及其自相关矩阵；(4)对前后双向空间平滑传感子阵列的差分相位信号的自相关矩阵做互相关后加和平均，获得空间平滑矩阵，对空间平滑矩阵做特征值分解确定声源方向；(5)根据每个传感阵列的空间位置和获得的声源方向确定声源的空间位置；(6)对各传感通道信号进行延迟补偿，确定声源信号。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)的差分相位信号包括传感阵列上M个连续传感通道的空间差分相位信号其中，t是采样时间；所述的差分相位信号X(t)的自相关矩阵R＝E[X(t)X
H
(t)]，其中，E表示数学期望，X
H
(t)是X(t)的共轭转置矩阵。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将具有M个传感通道的传感阵列以滑动方式分成L个互相重叠的传感子阵列，相邻的传感子阵列在空间上相差1个传感通道，每个传感子阵列有N＝M
‑
L+1个传感通道；第J个前向空间滑动传感子阵列差分相位信号包括第J个、第J+1个、
……
、第J+N
‑
1个连续传感通道的空间差分相位信号，其自相关矩阵其中，是差分相位信号X(t)的自相关矩阵R中第J行J列到第J+N行J+N列N
×
N矩阵，J∈[1,2,...,L]；第J个后向空间滑动传感子阵列差分相位信号包括第M
‑
J+1个、第M
‑
J个、
……
、第L
‑
J+1个连续传感通道的空间差分相位信号，其自相关矩阵其中，J
N
为N
×
N交换矩阵，是的共轭矩阵，J∈[1,2,...,L]；对前后双向空间平滑相位信号自相关矩阵分别做互相关后再加和平均可以获得空间平滑矩阵，空间平滑矩阵4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(4)具体包括：对获得的空间平滑矩阵进行特征值分解其中，Σ＝diag(λ1,λ2,
…
,λ
L
)表示由L个特征值组成的对角矩阵，u
i
表示为特征值λ
i
对应的特征向量；
将特征值从大到小排序λ1≥λ2≥
…
≥λ
k
≥
…
≥λ
L
；根据信息论方法最小描述长度准则变换特征值：其中，k∈[1,2,.L.，S是采样数，是最大似然函数；特征值按先减小后增大排列声源数目的估计值为其中，表示最小λ在序列中的顺序；前K个特征值及其对应的特征向量构建信号子空间U
S
，后M
‑
K个特征值及其对应的特征向量可构建噪声子空间U
N
；构建空间谱函数在方向向量解的空间内进行峰值搜索，获得声源方向估计值，其中，a(θ)为声源相对传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙琪真，陈俊峰，孙翌翔，杨子蕴，闫志君，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：