【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水声信号波达方位估计，水声定位和声纳，具体涉及一种基于时频分析到达时间检测的声源方位估计方法及系统。
技术介绍
1、对于水声信号波达方位估计问题，一般使用基于平面波模型建立的常规波束形成理论，基于相同频率信号的阵元位置相位差异来匹配声源方位信息。然而，由于水声波导的界面和非均匀性影响，实际水声声场的信号传输往往并不符合平面波规律。一般将水声信号建模为多个简正波的叠加，而每一个简正波等效为分别向波导上方和下方传输的两个平面波。这一物理特性使得相同频率各阵元信号相位一致性变差，进而导致常规波束形成的最大值波束输出位置偏离声源方位，带来声源方位估计误差。
2、针对以上问题，一种解决方案是基于环境知识计算拷贝场，然后通过拷贝场与实测声场信号之间的匹配运算来消除波导和环境的影响，从而恢复对声源方位的准确估计能力。但是这种方法需要准确的环境先验知识，这对实际水声技术应用是一种较为严格的要求。特别是在被动声纳
，环境知识非常有限，难以支撑精确的拷贝场计算。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有方法估计声源方位时需要准确的环境先验知识的缺陷。
2、为了实现上述目的，本专利技术提出了一种基于时频分析到达时间检测的声源方位估计方法，包括：
3、利用水平阵列对接收信号进行时域采样；对参考阵元接收信号的到达波形进行时频分析，利用时频谱图检测最低阶简正波的到达时间；对不同阵元的接收信号利用傅里叶变换获得频域数据，并用最低阶简正波的到达时间对频
4、作为上述方法的一种改进，包括：
5、步骤1：利用水平阵列对接收信号进行时域采样，第i阵元获得的时域波形为pi(t)；其中，i＝1,2,…,i，i表示阵元总数；t表示信号采样时间，0＜t≤t，t表示信号总的时间长度；
6、步骤2：选择第x个阵元作为参考阵元，对该阵元记录的时域信号px(t)进行时频分析，得到时频分析谱图数据px(t,f)：
7、
8、其中，δt1和δt2表示选取的时频分析切片数据的左右半边长度，0＜δt1≤t，0＜δt2≤t；f表示信号频率；e表示自然常数；j表示复数单位；
9、步骤3：通过时频分析谱图数据px(t,f)检测最低阶简正波的到达时间tat，构造相位补偿因子χ(f)：
10、
11、步骤4：对各个阵元获得的时域波形进行傅里叶变换，得到阵列的频域数据
12、
13、步骤5：对第i个阵元的频域数据选取幅度一致频移声压数据满足其中，δfi表示与第i个阵元有关的频率偏移量；
14、利用相位补偿因子，对幅度一致频移声压数据进行相位补偿：
15、步骤6：进行波束形成，波束输出指向性函数为：
16、
17、其中，[f1,f2]是研究的频带范围；f表示离散的频点数，f≥1；cref表示参考声速；表示搜寻的角度，
18、步骤7：通过搜寻使取最大值时的声源方位θs作为声源方位估计结果：
19、
20、作为上述方法的一种改进，所述参考阵元的选择方式为选择水平阵列上的任意一个阵元。
21、作为上述方法的一种改进，参考声速cref取波导声速剖面的平均值。
22、作为上述方法的一种改进，当波导声速剖面的平均值未知时，参考声速cref取值1500m/s。
23、作为上述方法的一种改进，信号频率f的取值范围为：10≤f≤5000hz。
24、作为上述方法的一种改进，与第i个阵元有关的频率偏移量δfi取值范围为0≤δfi≤100hz。
25、本申请还提供一种基于时频分析到达时间检测的声源方位估计系统，基于上述方法实现，所述系统包括：
26、时域采样模块，用于利用水平阵列对接收信号进行时域采样；
27、检测最低阶简正波到达时间模块，用于对参考阵元接收信号的到达波形进行时频分析，利用时频谱图检测最低阶简正波的到达时间；
28、获得频域数据及相位补偿模块，用于对不同阵元的接收信号利用傅里叶变换获得频域数据，并用最低阶简正波的到达时间对频域数据进行相位补偿；和
29、估计声源方位模块，用于选取频域的幅度一致频移声压数据，进行波束形成并对声源方位进行估计。
30、与现有技术相比，本专利技术的优势在于：
31、本专利技术通过时频分析技术获取最低号简正波的到达时间，然后对阵列接收信号进行相位补偿，再利用幅度一致频移声压数据进行波束形成，实现对阵列信号之间相位差异的有效补偿，恢复阵列信号的相位一致性，进而实现对声源方位的准确估计。与常规波束形成方法相比，本专利技术可以获得的声源方位估计结果精度更高。与传统的匹配场方法相比，本专利技术无需已知准确的环境先验信息。
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1.一种基于时频分析到达时间检测的声源方位估计方法，包括：
2.根据权利要求1所述的基于时频分析到达时间检测的声源方位估计方法，其特征在于，包括：
3.根据权利要求2所述的基于时频分析到达时间检测的声源方位估计方法，其特征在于，所述参考阵元的选择方式为选择水平阵列上的任意一个阵元。
4.根据权利要求2所述的基于时频分析到达时间检测的声源方位估计方法，其特征在于，参考声速cref取波导声速剖面的平均值。
5.根据权利要求3所述的基于时频分析到达时间检测的声源方位估计方法，其特征在于，当波导声速剖面的平均值未知时，参考声速cref取值1500m/s。
6.根据权利要求2所述的基于时频分析到达时间检测的声源方位估计方法，其特征在于，信号频率f的取值范围为：10≤f≤5000Hz。
7.根据权利要求2所述的基于时频分析到达时间检测的声源方位估计方法，其特征在于，与第i个阵元有关的频率偏移量Δfi取值范围为0≤Δfi≤100Hz。
8.一种基于时频分析到达时间检测的声源方位估计系统，基于权利要求1-7任一所
...【技术特征摘要】
1.一种基于时频分析到达时间检测的声源方位估计方法，包括：
2.根据权利要求1所述的基于时频分析到达时间检测的声源方位估计方法，其特征在于，包括：
3.根据权利要求2所述的基于时频分析到达时间检测的声源方位估计方法，其特征在于，所述参考阵元的选择方式为选择水平阵列上的任意一个阵元。
4.根据权利要求2所述的基于时频分析到达时间检测的声源方位估计方法，其特征在于，参考声速cref取波导声速剖面的平均值。
5.根据权利要求3所述的基于时频分析到达时间检测的声源方位估计...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘昌鹏，周士弘，戚聿波，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：
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