一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法，利用i个加速度计分别采集冰层中声源发出的A0模态冲击信号；对每个加速度计采集的A0模态冲击信号采用图像去模糊时频分析提取A0模态频散曲线；对每个加速度计对应A0模态频散曲线均执行如下操作，得到声源到每个加速度计的距离：在A0模态频散曲线的频率点内选取两个不同频率点构成频点组合，所述频点组合为全部可能的组合，计算每个频点组合的到达时间差；计算每个频点组合的群慢度差；根据群慢度差和到达时间差求解得到声源到加速度计的距离；最后根据声源到每个加速度计的距离求解得到声源坐标。本发明专利技术具有更高的接收频带，避免低频噪声干扰，更具有实用性和更好的定位精度。的定位精度。的定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法


[0001]本专利技术属于声学探测领域，涉及一种冰声定位方法，特别是一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法。

技术介绍

[0002]冰声定位方法立足于北极科学考察活动安全、北极航道安全保障以及潜在目标的定位需求。比如对水下航行目标撞击冰层事件、冰层之间相互运动挤压碰撞事件等定位需求。声波是海水中能够远距离传播的唯一媒介，其他诸如无线电、光波因海水吸收而迅速衰减，无法进行远距离应用。现有的水声学定位手段是基于海水纵波的传播理论，并采用长基线、短基线以及超短基线等声呐设备实现。由于北极海域常年被数米厚的冰层阻隔，导致现有的声学定位方法和设备无法直接应用于极地场景，存在冰下实施布放和坐标校准，冰层声发射及同步等方面的困难。
[0003]研究发现，由于极地冰层的板状构型，在冰层中存在较为明显的导波模态。在最新同类技术专利技术专利中，《一种针对极地冰层的震源定位方法》提出了一种基于单个三分量检波器的冰层声源定位方法，利用冰层中S0模态和SH模态之间的时延关系确定声源位置。《一种基于弯曲波的冰上震源定位方法》提出了利用希尔伯特黄变换(HHT)提取基于200Hz带宽内A0模态不同频率间到达时间差确定声源位置的方法，通过仿真数据进行验证。
[0004]由于冰层和海水之间的相互运动及人类作业活动，实际环境中存在较高的背景噪声和脉冲干扰，采集设备在极地恶劣环境下也会受到自噪声影响，采集的信号信噪比较低，导致S0模态、SH模态和A0模态被淹没在噪声中而无法被有效检测到。/>
技术实现思路

[0005]针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种适合极地冰区海域的、基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法，避免低频噪声干扰，提高冰声定位方法的实用性。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的一种冰声定位方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：利用设置在冰层上的i个加速度计分别采集冰层中声源发出的A0模态冲击信号，所述加速度计坐标分别为坐标包括加速度计的x
‑
y坐标；
[0008]步骤2：分别针对每个加速度计采集的A0模态冲击信号采用图像去模糊时频分析提取A0模态频散曲线；
[0009]步骤3：对每个加速度计对应的A0模态频散曲线均执行步骤3.1至步骤3.3，得到声源到每个加速度计的距离；
[0010]步骤3.1：在A0模态频散曲线的频率点内选取两个不同频率点构成频点组合，所述频点组合为全部可能的组合，计算每个频点组合的到达时间差；
[0011]步骤3.2：计算每个频点组合的群慢度差；
[0012]步骤3.3：根据群慢度差和到达时间差求解得到声源到加速度计的距离；
[0013]步骤4：根据声源到每个加速度计的距离求解得到声源坐标。
[0014]进一步的，采用图像去模糊时频分析提取A0模态频散曲线包括：
[0015]对A0模态冲击信号采用短时傅里叶变换进行时频分析，获得时频谱图B(n,k)，n和k分别为谱图的时间域第n个采样点和频率域第k个采样点；
[0016]通过图像去模糊方法获得时频谱图：
[0017][0018]式中表示二维卷积，D
(i+1)
(n,k)为优化后的时频谱图，i为迭代次数，当m＝1时，D
(1)
(n,k)＝B(n,k)；F(n,k)对应了短时傅里叶变换中长度为P点的矩形窗函数产生的点散射函数，定义为：
[0019][0020]式中，P为矩形窗函数点数，N为离散傅里叶变换点数；
[0021]对D
(i+1)
(n,k)进行常规阈值化操作：若D
(i+1)
(n,k)大于设定阈值，则点X＝(n,k)为A0模态频散的一个离散点，即对应角频率ω
k
＝2πkf
s
/N的A0模态的到达时间t(ω
k
)＝n/f
s
，f
s
为加速度计采样频率。
[0022]进一步的，计算群慢度差包括：
[0023]在已知极地冰声波导参数的情况下，所述参数包括冰层厚度、冰层中声速、冰层密度、海水的声速梯度，求解频点组合中两个频率点ω
i
和ω
j
的群慢度：
[0024][0025][0026]式中，i,j＝1,2,...,K，i≠j，K为A0模态频散曲线的离散点数量，c
p
(ω
i
)和c
p
(ω
j
)分别为基于波动方程求解的A0模态相速度；
[0027]则群慢度差ΔS
ij
为：
[0028]ΔS
ij
＝S(ω
i
)
‑
S(ω
j
)。
[0029]进一步的，计算群慢度差包括：
[0030]在极地冰声波导参数存在未知参数的情况下，所述参数包括冰层厚度、冰层中声速、冰层密度和海水的声速梯度，选取一个已知距离R
ref
的引导声源，采集引导声源的A0模态冲击信号，对A0模态冲击信号采用图像去模糊时频分析提取A0模态频散曲线，选取引导声源A0模态频散曲线和步骤2得到的A0模态频散曲线频点的交集，在交集的频率点范围内选取两个不同频率点构成全部可能的频点组合，计算每个频点组合的到达时间差，继而获得实际环境每个频点组合的群慢度差：
[0031][0032]式中，i,j＝1,2,...,L，i≠j，L为交集的离散点数量，τ
ij,ref
为频点的交集中构成的频点组合中频率ω
i
和频率ω
j
在引导声源A0模态频散曲线中到达时间差。
[0033]进一步的，根据群慢度差和到达时间差求解得到声源到加速度计的距离包括：
[0034]声源到加速度计的距离具体为：
[0035][0036]其中，τ
ij
为A0模态频点组合中频率ω
i
和频率ω
j
的到达时间差，i,j＝1,2,...,K，i≠j，K为A0模态频散曲线的离散点数量，E表示取平均值。
[0037]进一步的，根据群慢度差和到达时间差求解得到声源到加速度计的距离包括：
[0038]声源到加速度计的距离具体为：
[0039][0040]其中，τ
ij
为频点的交集中构成的频点组合中频率ω
i
和频率ω
j
在步骤2得到的A0模态频散曲线中到达时间差。
[0041]进一步的，根据声源到每个加速度计的距离求解得到声源坐标包括：
[0042]声源到每个加速度计的距离为R1，R2，
…
，R
i
，联立方程组得：
[0043][0044]采用最小二乘法求解出声源的唯一坐标
[0045]本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用设置在冰层上的i个加速度计分别采集冰层中声源发出的A0模态冲击信号，所述加速度计坐标分别为坐标包括加速度计的x
‑
y坐标；步骤2：分别针对每个加速度计采集的A0模态冲击信号采用图像去模糊时频分析提取A0模态频散曲线；步骤3：对每个加速度计对应的A0模态频散曲线均执行步骤3.1至步骤3.3，得到声源到每个加速度计的距离；步骤3.1：在A0模态频散曲线的频率点内选取两个不同频率点构成频点组合，所述频点组合为全部可能的组合，计算每个频点组合的到达时间差；步骤3.2：计算每个频点组合的群慢度差；步骤3.3：根据群慢度差和到达时间差求解得到声源到加速度计的距离；步骤4：根据声源到每个加速度计的距离求解得到声源坐标。2.根据权利要求1所述的一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法，其特征在于：所述采用图像去模糊时频分析提取A0模态频散曲线包括：对A0模态冲击信号采用短时傅里叶变换进行时频分析，获得时频谱图B(n,k)，n和k分别为谱图的时间域第n个采样点和频率域第k个采样点；通过图像去模糊方法获得时频谱图：式中表示二维卷积，D
(i+1)
(n,k)为优化后的时频谱图，i为迭代次数，当m＝1时，D
(1)
(n,k)＝B(n,k)；F(n,k)对应了短时傅里叶变换中长度为P点的矩形窗函数产生的点散射函数，定义为：式中，P为矩形窗函数点数，N为离散傅里叶变换点数；对D
(i+1)
(n,k)进行常规阈值化操作：若D
(i+1)
(n,k)大于设定阈值，则点X＝(n,k)为A0模态频散的一个离散点，即对应角频率ω
k
＝2πkf
s
/N的A0模态的到达时间t(ω
k
)＝n/f
s
，f
s
为加速度计采样频率。3.根据权利要求1所述的一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法，其特征在于：所述计算群慢度差包括：在已知极地冰声波导参数的情况下，所述参数包括冰层厚度、冰层中声速、冰层密度、海水的声速梯度，求解频点组合中两个频率点ω
i
和ω
j
的群慢度：
式中，i,j＝1,2,...,K，i≠j，K为A0模态频散曲线的离散点数量，c
p
(ω
i

【专利技术属性】
技术研发人员：殷敬伟，刘建设，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：