【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于地球物理，具体而言，涉及一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法、介质及系统。
技术介绍
1、在现代水声探测与定位领域中，声源方位估计是一项关键技术，其应用场景涵盖了水下目标探测、海洋资源勘探、海洋环境监测、水下通信导航等多个重要领域。在浅海环境中，由于水深较小且海底地形复杂，声波传播表现出显著的多途效应和模态特性，这使得声源方位估计面临着独特的挑战。根据简正波理论，声源激发的声场可以表示为若干阶模态的叠加，而各阶模态具有不同的水平波数，这导致接收信号的波前不再满足传统平面波假设。
2、目前，声源方位估计主要采用两类方法：基于平面波模型的传统方位估计方法和基于简正波模型的匹配场处理方法。传统方位估计方法如常规波束形成（cbf）、多重信号分类（music）和旋转不变子空间（esprit）等，其基本假设是声波以平面波形式传播。然而，在浅海环境中，由于声波传播的模态特性，这一假设不再成立。特别是当声源位于水平阵端射方向时，传统方法会产生显著的方位估计偏差，严重影响了定位精度。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法、介质及系统，能够解决当声源位于水平阵端射方向时，传统方法会产生显著的方位估计偏差，严重影响了定位精度的技术问题。
2、本专利技术是这样实现的：
3、本专利技术的第一方面提供一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其中，包括以下步骤：
4、s10、采用水平阵接收远场窄带信号，所
5、;
6、式中,为虚数单位;为零均值随机函数,其方差表示信号强度;为第个阵元的接收噪声,假设为加性高斯白噪声,均值为,方差为;为第个声源相对于阵列端射方向的角度,取值范围为为;为信号中心频率，为第j个声源的深度；为第j个声源相对于水平阵参考阵元的距离。
7、所述传递函数表示如下：
8、;
9、式中,为第个声源在参考阵元处第阶模态的复幅度;为第阶模态的水平波数;为模态阶数;为阵元间距。
10、所述水平阵接收矢量表示如下：
11、;
12、式中,为信号矢量;为噪声矢量;为第个声源的阵列传递函数。
13、所述阵列传递函数表示如下：
14、;
15、式中,为模态复幅度向量;为维的模态矩阵;为第阶模态的导向矢量。
16、s20、利用获得的l个时域采样快拍计算阵列采样协方差矩阵，对所述阵列采样协方差矩阵进行特征值分解，利用前j个特征向量构建信号子空间；所述采样协方差矩阵的公式表示如下：
17、;
18、式中,为时域采样快拍数;上标表示共轭转置。
19、所述信号子空间表示如下：
20、;
21、式中,为协方差矩阵的第个特征向量。
22、s30、根据标准浅海声速剖面及参数不确定范围，获得传播模态的水平波数范围，在所述水平波数范围内进行z次等间隔采样，构建n乘z维的模态矩阵；所述水平波数范围为：
23、，]；
24、式中,为沉积层声速;为海底声速。
25、所述模态矩阵表示如下：
26、;
27、式中,为第次采样的水平波数值,。
28、s40、对所述模态矩阵进行特征值分解，设计有效秩确定准则，得到模态矩阵的有效秩为k，利用前k个特征向量构建模态子空间，具体表示为：
29、，
30、且；
31、式中，为的第个特征向量;表示2-范数；为搜索的三维空间，表示搜索角度，r表示搜索距离，z表示搜索深度；为任意声源在三维空间中的坐标，其中，且；表示有效秩为k时的方位估计值。
32、所述模态子空间表示如下：
33、;
34、式中,为前个最大特征值对应的特征向量。
35、s50、利用所述模态子空间中的基向量和所述信号子空间中的基向量构建n乘（k+j）的扩展矩阵；所述扩展矩阵表示为：
36、;
37、式中,为模态子空间的基向量;为信号子空间的基向量。
38、s60、对所述扩展矩阵进行qr分解，获得上三角矩阵，提取所述上三角矩阵的对角线元素；qr分解表示如下：
39、;
40、式中,为维的正交矩阵;为维的上三角矩阵,其对角线元素表示为。
41、s70、根据所述上三角矩阵的对角线元素构建声源方位估计函数，其中所述声源方位估计函数的峰值对应角度即为所述声源方位估计值，其中，声源方位估计函数表示如下：
42、;
43、式中,为的对角线元素。
44、参数获取方法为：
45、1)波数的获取：
46、通过求解深海声学波动方程的特征方程获得：
47、;
48、式中,为模态函数;为垂直波数;为波数;为声速剖面。
49、2)模态复幅度的获取：
50、通过声学传播损失模型计算：
51、;
52、式中,和分别为声源深度和接收深度处的模态函数;为模态衰减系数。
53、3)噪声方差的获取：
54、通过实际海试数据的背景噪声测量获得：
55、;
56、式中,为测量时间长度;为阵元个数。
57、在上述技术方案的基础上，本专利技术的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法还可以做如下改进:
58、本专利技术的第二方面提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质中存储有程序指令，所述程序指令在计算机中运行时，用于执行上述的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法。
59、本专利技术的第三方面提供一种不确定浅海环境中水平阵方位估计系统，其中，包含上述的计算机可读存储介质。
60、与现有技术相比较，本专利技术提供的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法、介质及系统的有益效果是：
61、首先，本方法在模态阶数和水平波数均未知的情况下仍能实现准确的方位估计，这是对现有基于子空间相交方法的重要突破。通过在水平波数范围内进行等间隔采样并构建包含不确定环境信息的模态矩阵，本方法有效克服了环境参数不确定性带来的影响。
62、相比于传统的匹配场处理方法，本专利技术显著降低了对环境先验信息的依赖程度。仅需要声速剖面的大致范围即可构建有效的模态子空间，避免了获取精确环境参数的困难。同时，通过一维搜索即可完成方位估计，计算效率较三维搜索有了质的提升，这使得本方法更适合实际工程应用。
63、本专利技术通过特征值分解和有效秩确定准则的设计，有效提取了模态矩阵中的关键信息。这种处理方式不仅降低了计算复杂度，而且提高了算法的稳健性，保证了在保留有效信息的同时，最大程度地抑制了环境不确本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其特征在于，设定存在J个互不相关的窄带声源，其中心频率为，深度为，相对于水平阵参考阵元的距离为，其中第个阵元的接收信号，表示如下：
3.根据权利要求2所述的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其特征在于，第j个声源与第n个阵元之间的传递函数具体是：
4.根据权利要求3所述的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其特征在于，所述水平阵的接收矢量，表示如下：
5.根据权利要求4所述的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其特征在于，第j个声源的阵列传递函数具体是：
6.根据权利要求5所述的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其特征在于，所述模态矩阵，具体表示如下：
7.根据权利要求6所述的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其特征在于，所述有效秩确定准则为：
8.根据权利要求7所述的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其特征在于，所述声源方位估计函
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有程序指令，所述程序指令在计算机中运行时，用于执行权利要求1-8任一项所述的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法。
10.一种不确定浅海环境中水平阵方位估计系统，其特征在于，包含权利要求9所述的计算机可读存储介质。
...【技术特征摘要】
1.一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其特征在于，设定存在j个互不相关的窄带声源，其中心频率为，深度为，相对于水平阵参考阵元的距离为，其中第个阵元的接收信号，表示如下：
3.根据权利要求2所述的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其特征在于，第j个声源与第n个阵元之间的传递函数具体是：
4.根据权利要求3所述的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其特征在于，所述水平阵的接收矢量，表示如下：
5.根据权利要求4所述的一种不确定浅海环境中水平阵方位估计方法，其特征在于，第j个声源的阵列传递函数具体是：<...
【专利技术属性】
技术研发人员：李明杨，伍镜蓉，孙超，
申请(专利权)人：西北工业大学青岛研究院，
类型：发明
国别省市：
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