一种未知海洋环境基于双水听器的宽带脉冲声源被动测距方法技术

本发明专利技术是一种未知海洋环境基于双水听器的宽带脉冲声源被动测距方法，包括宽带脉冲声源的接收信号由两个水平放置的水听器接收；分别对两个水听器接收声压信号中包含的简正波信号进行分离和提取；对相邻两阶简正波进行互相关处理，通过对声压信号的简正波信号进行联合处理，同样获得频域相位差；对不同组的相位差进行线性拟合，将得到的斜率值作为声源距离的估计值，多组同时计算后的平均值为最终的测距结果，实现对水下声源的准确被动测距。本发明专利技术所采用的被动测距方法适用于大部分浅海环境，不需要任何海洋环境的先验条件，在未知海洋环境信息的情况下可实现对声源的被动估计，准确度高、误差低，且成本低、可操作性强。可操作性强。

【技术实现步骤摘要】
一种未知海洋环境基于双水听器的宽带脉冲声源被动测距方法


[0001]本专利技术属于水声信号处理分析领域，具体的说是涉及一种基于未知海洋环境下基于双水听器的宽带脉冲声源被动测距方法。

技术介绍

[0002]浅海波导中水下声源被动测距技术受到海洋环境多途、频散等复杂性特性的影响，一直以来是水声学研究领域的重点和难点。传统的匹配场定位(matched field processing：MFP)技术是应用最早、最广泛的水下声源被动测距技术。但是，该技术不仅需要多次计算拷贝声场，计算量很大，而且十分依赖声场模型和海洋环境参数的精度，为实际应用带来了难度；依赖于水声阵列的相关声源目标定位方法虽然具有较高的精确度，但依赖于水听器阵，制作成本高、操作难度大。因此，不需要精确的海洋环境先验知识且不依赖于声场模型精度的水下声源被动测距方法为当前研究热点。浅海波导的频散效应使得接收信号中的各阶简正波信号在传播中包含了大量的海洋环境信息，为提取波导环境参数、实现声源定位带来了更多的可能性。利用warping变换等简正波分离技术可以实现对不同阶简正波信号的分离和提取，为充分利用海洋环境信息，减少测距技术对海洋环境参数的依赖性提供了新思路。在此基础上，国内外学者提出了许多应用于水下声源被动测距的新方法，相较于匹配场处理技术，只是降低了对海洋环境参数的依赖性，但在一定程度上依然需要一定的海洋环境环境先验知识。已知距离的引导声源的应用可以在未知环境中实现较准确的测距，但引导声源的声学特性不可避免与原声源存在差异，在声信号的传播过程中不能完全保证声场条件一致。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，本专利技术提供一种基于未知海洋环境下基于双水听器的宽带脉冲声源被动测距方法，该测距方法不依赖海洋环境的先验条件、仅以采集数据为依据实现未知海洋环境下声源的被动测距方法。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术是一种未知海洋环境下基于双水听器的宽带脉冲声源被动测距方法，其包括以下步骤：
[0006]步骤1，在浅海环境中发射声源信号为低频宽带脉冲信号，其频谱为S(f)，放置的声源为低频宽带脉冲声源，声源可放置于于海水中任意位置；海底为水平分层的高声速海底；
[0007]步骤2，宽带脉冲声源发出的声信号要经过远距离传播后到达接收点，传播距离r≥5km，其接收信号两个水平放置的、间距为d的水听器接收，即接收点有两个，接收深度为水中的任意位置，接收声压为和p1(f,r)p2(f,r+d)；
[0008]步骤3，分别利用信号处理技术warping变换对p1(f,r)和p2(f,r+d)的时域信号进
行处理，实现对p1(f,r)和p2(f,r+d)中包含的各阶简正波信号的分离，两个接收点所接收的声压信号p1(f,r)和p2(f,r+d)中包含两阶及以上可分离的简正波信号；warping变换处理技术在使用过程中可以采用估计距离r
′
代替实际传播距离r实现对接收的声压信号p1(f,r)和p2(f,r+d)中简正波信号的分离；
[0009]步骤4，利用逆warping变换技术对分离后的各阶简正波信号进行处理，得到各阶简正波信号的频域声压和其中n＝1,2,3,
…
，逆warping变换采用的距离为估计值r
′
，从而消除过程量r
′
在获取各阶简正波信号的频域声压和过程中的影响；
[0010]步骤5，不同阶简正波信号的初相位有差异，但相邻两阶的初相位可近似相等，对p1(f,r)中相邻两阶简正波进行互相关处理，利用参考频率f0消除极性后得到与传播距离有关的两阶简正波的频域相位差Δθ
nm
(f,f0,r)，所获得频域相位差Δθ
nm
(f,f0,r)为相邻两阶简正波信号的频域相位差；
[0011]步骤6，通过对p1(f,r)和p2(f,r+d)中同阶简正波信号和进行互相关处理，得到多组同阶简正波声压互相关结果步骤6中，所获得的两阶简正波的频域相位差Δθ
nm
(f,f0,d)对应简正波的阶数与步骤5中所获得的频域相位差Δθ
nm
(f,f0,r)所对应的简正波阶数一致；
[0012]步骤7，对不同阶简正波声压的互相关结果再次进行互相关处理，利用参考频率f0消除极性后得到与间距d相关的两阶简正波的频域相位差Δθ
nm
(f,f0,d)。参考频率f0为所采用的所有简正波信号带宽内共同包含的频率，取值不唯一；
[0013]步骤8，依据对不同组的相位差Δθ
nm
(f,f0,r)和进行线性拟合，其中Δθ
nm
(f,f0,r)和线性拟合的具体方法可以采用最小二乘法线性拟合法，依据Δθ
nm
(f,f0,r)和线性拟合得到的斜率r
x
为传播距离r的估计值；为保证被动测距结果的准确性，应选取多组简正波信号的组合处理结果的平均值作为最终的测距结果。
[0014]本专利技术的有益效果是：本专利技术可应用于未知海洋环境中，不需要环境先验知识和引导声源；直接对接收声场信号进行处理，不需要建立声场模型，有效避免了声场模型参数失配带来的测距误差；仅需要两个水听器就可实现，成本低、可操作性强、准确度高。
附图说明
[0015]图1为本专利技术实施例中被动测距方法流程图。
[0016]图2为本专利技术实施例中的应用环境示意图。
[0017]图3为本专利技术实施例中的两个接收点的时域声压信号及其相关性图。
[0018]图4为本专利技术实施例中简正波相位差的详细计算流程图。
[0019]图5为本专利技术实施例中不同组简正波信号相位差的线性关系图。
[0020]图6为本专利技术实施例中不同组简正波信号相位差的拟合。
[0021]图7为本专利技术实施例中不同距离下同一组简正波信号相位差的拟合结果。
[0022]图8为本专利技术实施例中不同距离下距离估计值与实际值对比结果。
具体实施方式
[0023]以下将以图式揭露本专利技术的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本专利技术。也就是说，在本专利技术的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。
[0024]本专利技术是一种未知海洋环境基于双水听器的宽带脉冲声源被动测距方法，该宽带脉冲声源被动测距方法包括如下步骤：
[0025]步骤1：在浅海环境中放置声源发射声源信号，发射的声源信号为低频宽带脉冲信号，其频谱为S(f)；声源放置于海水中任意位置，传播信道为水平分层的高声速海底。
[0026]步骤2：步骤1中的所述声源信号在浅海环境中经过远距离r传播后被两个水平放置的水听器接收，r≥5km，两个所述水听器之间间距为d，两个所述水听器接收时域声压信号分别为P1(t,r)和P2(t,r+d)，经过傅里叶变换后得到包含简本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种未知海洋环境基于双水听器的宽带脉冲声源被动测距方法，其特征在于：所述宽带脉冲声源被动测距方法包括如下步骤：步骤1：在浅海环境中放置声源发射声源信号，发射的声源信号为低频宽带脉冲信号，其频谱为S(f)；步骤2：步骤1中的所述声源信号在浅海环境中经过远距离r传播后被两个水平放置的水听器接收，两个所述水听器之间间距为d，两个所述水听器接收时域声压信号分别为P1(t,r)和P2(t,r+d)，经过傅里叶变换后得到包含简正波信号的频域声压信号p1(f,r)和p2(f,r+d)；步骤3：分别利用信号处理技术warping变换对所述步骤2中的声压信号p1(f,r)和p2(f,r+d)的时域信号进行处理，实现对步骤2中所述声压信号p1(f,r)和p2(f,r+d)中包含的各阶简正波信号的分离；步骤4：利用逆warping变换技术对所述步骤3分离后的各阶简正波信号进行处理，得到各阶简正波信号的频域声压和和步骤5：对声压信号p1(f,r)中相邻两阶简正波进行互相关处理，利用参考频率f0消除极性后得到与传播距离有关的两阶简正波的频域相位差Δθ
nm
(f,f0,r)；步骤6：通过对p1(f,r)和p2(f,r+d)中同阶简正波信号和进行互相关处理，得到多组同阶简正波声压互相关结果步骤7：对步骤6中的不同阶简正波声压的互相关结果再次进行互相关处理，利用参考频率f0消除极性后得到与间距d相关的两阶简正波的频域相位差Δθ
nm
(f,f0,d)，其中，f0为所采用的所有简正波信号带宽内共同包含的频率，取值不唯一；步骤8：依据对不同组的相位差Δθ
nm
(f,f0,r)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓曼，毕雪洁，王彪，何呈，吴游，马林，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：