CN112346038B - 一种基于浅海爆炸声传播信号的声信道响应估计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于浅海爆炸声传播信号的声信道响应估计方法，涉及声纳定位。步骤：在深海海域利用同一批次的爆炸声源开展深海实验测量爆炸声源信号，获得爆炸声源的时域信号，用于浅海爆炸声传播实验的声源信号的估计；对深海采集的爆炸声源信号进行处理，获得实际声源信号；对浅海声传播接收信号进行自相关估计二次脉动时延，对实际声源信号的二次脉动时间进行调整，获得浅海声源信号的估计；利用估计得到的浅海声源信号，对浅海声传播接收信号进行解卷积处理，获得真实的浅海声信道响应。可获得真实的浅海声传播宽带时域信号；可获得真实的浅海声传播宽带频散结构。不需要实时采集每次使用的爆炸声源信号。
Description
技术领域
本发明涉及声纳定位，尤其是涉及一种基于浅海爆炸声传播信号的声信道响应估计方法。
背景技术
由于无线电波和光波在海水中传播时都要受到严重的衰减，不能有效地传递信息，因此水面舰艇和水下潜艇无法通过雷达等设备获得水下目标的信息，需要通过声学手段进行水下目标定位。声信号在浅海环境中传播受到海面、水体、海底等因素的影响，是一个复杂的声信道，研究浅海声信道响应对于水下目标定位具有重要意义。同时，由于浅海声信道响应受到水体声速剖面、海底声学参数的影响，因此可以用于浅海水体、海底声学反演。
根据海洋声传播的简正波理论，声信号在海洋中传播可以表达为一系列的简正波叠加在一起往前传播，每一号简正波具有自己的群速度，并且该群速度随着频率变化而变化。因此，在浅海远距离接收宽带声信号中，可以观察到明显的简正波频散结构，该结构与声源距离、海水声速剖面、海底声学参数息息相关，可用于声源和环境参数反演。
浅海声学实验经常采用爆炸声源。爆炸声源具有源级高、频带宽的优点，但爆炸声源存在明显的二次脉动，导致在接收信号的简正波频散结构混乱，难以深入分析利用。因此，开发浅海爆炸声传播信号的处理方法，获得真实的浅海声信道响应，对于浅海声学定位和环境参数反演研究都具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供能获得真实的浅海声信道响应，用于浅海的声源定位和环境参数反演的一种基于浅海爆炸声传播信号的声信道响应估计方法。
本发明包括以下步骤：
1)在深海海域利用同一批次的爆炸声源开展深海实验测量爆炸声源信号，获得爆炸声源的时域信号，用于浅海爆炸声传播实验的声源信号的估计；
在步骤1)中，在深海海域利用同一批次的爆炸声源开展深海实验测量爆炸声源信号，获得爆炸声源的时域信号的具体方法可为：由实验船布放小艇，由小艇投放爆炸声源，实验船船舷布放水听器采集声源信号，小艇与母船保持一定距离，避免接收水听器限幅。
2)对深海采集的爆炸声源信号进行处理，采用复制直达部分、调整幅度和相位、抵消海面反射部分，对后续信号重复以上过程，即可去除海面反射的影响，获得实际声源信号；
3)对浅海声传播接收信号进行自相关估计二次脉动时延，对实际声源信号的二次脉动时间进行调整，即调整声源信号的冲击波与二次脉动之间无信号部分的时间长度，获得浅海声源信号的估计；
4)利用估计得到的浅海声源信号，对浅海声传播接收信号进行解卷积处理，即将接收信号经傅里叶变换后的频谱除去声源信号傅里叶变换后的频谱，其中异常的极大值频点做一定调整，之后经傅里叶逆变换，获得去除爆炸声源影响能体现浅海声传播效应的接收信号，即真实的浅海声信道响应。
本发明包括深海爆炸声源信号采集、声源信号估计、接收信号自相关估计二次脉动时延、调整声源信号的二次脉动时间、解卷积。与现有方法相比，本发明具有如下优点：
1)可以去除爆炸声源信号的影响，获得真实的声信道响应；
2)可以去除爆炸信号二次脉动的影响；
3)可以获得真实的浅海声传播宽带时域信号；
4)可以获得真实的浅海声传播宽带频散结构。
5)不需要实时采集每次使用的爆炸声源信号。
附图说明
图1是本发明中深海实验采集爆炸声源信号去除海面反射部分获得实际声源信号的示意图；其中，(a)为深海实验采集到的爆炸声源信号，(b)为去除海面反射部分后的爆炸声源信号，(c)为部分放大后的爆炸声源信号。
图2是本发明中对浅海声传播接收信号进行自相关估计二次脉动时延的示意图。
图3是本发明中浅海声传播接收信号解卷积前后的对比的示意图，包括时域信号、时频分析、频谱；其中，(a)为解卷积前的时域信号，(b)为解卷积前的时频分析，(c)为解卷积前的频谱和声源的频谱，(d)为解卷积后的时域信号，(e)为解卷积后的时频分析，(f)为解卷积后的频谱。
图4是本发明基于浅海爆炸声传播信号估计声信道响应的流程框图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明基于浅海爆炸声传播信号的声信道响应估计方法，其基本原理是：
基于爆炸声源的浅海声传播实验，接收水听器采集到的信号是浅海信道响应和声源信号的卷积的结果，因此，为了获得实际的浅海声信道响应，需要去除声源信号的影响。但在实际实验中，特别是在浅海声传播测线实验中，较难直接采集每个爆炸声源的声源信号，因此采用同一批次的爆炸声源在深海实验中采集到的声源信号进行替代。但由于爆炸声源的二次脉动延迟时间不稳定，因此需要对声传播接收信号进行自相关估计二次脉动延迟时间，以进行调整。同时，深海实验采集的爆炸声源信号，较易与海面反射部分在时域上混叠在一起，因此需要去除海面反射部分的影响。
参见图4，本发明基于浅海爆炸声传播信号的声信道响应估计方法，基于上述的原理，具体按照以下步骤实施：
步骤一：在深海海域开展爆炸声源信号的测量实验，由小艇在母船附近投放爆炸声源，由布放于母船船舷的单水听器采集数据，获得爆炸声源的时域信号，如图1(a)所示，图中1指爆炸声源的冲击波，2指爆炸声源的二次脉动，3指冲击波的海面反射(经过一次海面反射，所以相位为负)，4指二次脉动的海面反射(经过一次海面反射，所以相位为负)；
步骤二：对深海采集的爆炸声源信号进行处理，采用复制直达部分、调整幅度和相位、抵消海面反射部分，去除海面反射的影响，获得实际声源信号，如图1(b)和图1(c)所示；
步骤三：开展浅海声传播实验，由自容式水听器组成潜标布放于接收点，实验船沿着声传播测线投放定深爆炸声源，获得不同距离的浅海爆炸声传播信号；
步骤四：由于每个爆炸声源的二次脉冲时间不固定，因此需要估计二次脉动时间，对浅海爆炸声传播信号进行自相关估计二次脉动时延，如图2所示，对实际声源信号的二次脉动时间进行调整，获得浅海声源信号的估计；
步骤五：利用估计得到的浅海声源信号，对浅海爆炸声传播接收信号进行解卷积处理，获得去除爆炸声源影响的浅海声信道响应，如图3所示。
本实施通过深海实验采集的爆炸声源信号，对浅海爆炸声传播信号的声源信号进行估计，去除爆炸声源信号的影响，获得真实的体现浅海声传播效应的声信道响应。和现有方法相比，本发明可以去除爆炸声源信号的影响，获得真实的声信道响应，可以去除爆炸信号二次脉动的影响，可以获得真实的浅海声传播宽带时域信号、宽带频散结构，不需要实时采集每次使用的爆炸声源信号。
本发明利用同一批次的爆炸声源开展深海实验测量声源信号，用于浅海爆炸声传播实验的声源信号的估计；对深海实验测量的爆炸声源信号，经处理后去除海面反射的影响，获得实际声源信号；对浅海爆炸声传播信号进行自相关估计二次脉动时延，对实际声源信号的二次脉动时间进行调整，获得浅海声源信号的估计；利用估计得到的浅海声源信号，对浅海爆炸声传播接收信号进行解卷积处理，从而得到真实的浅海声信道响应。和现有方法相比，本发明可以去除爆炸声源信号的影响，获得真实的声信道响应，可以去除爆炸信号二次脉动的影响，可以获得真实的浅海声传播宽带时域信号、宽带频散结构，不需要实时采集每次使用的爆炸声源信号。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明专利保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于浅海爆炸声传播信号的声信道响应估计方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在深海海域利用同一批次的爆炸声源开展深海实验测量爆炸声源信号，获得爆炸声源的时域信号，用于浅海爆炸声传播实验的声源信号的估计；
2)对深海采集的爆炸声源信号进行处理，采用复制直达部分、调整幅度和相位、抵消海面反射部分，对后续信号重复以上过程，即可去除海面反射的影响，获得实际声源信号；
3)对浅海声传播接收信号进行自相关估计二次脉动时延，对实际声源信号的二次脉动时间进行调整，即调整声源信号的冲击波与二次脉动之间无信号部分的时间长度，获得浅海声源信号的估计；
4)利用估计得到的浅海声源信号，对浅海声传播接收信号进行解卷积处理，即将接收信号经傅里叶变换后的频谱除去声源信号傅里叶变换后的频谱，其中异常的极大值频点做一定调整，之后经傅里叶逆变换，获得去除爆炸声源影响能体现浅海声传播效应的接收信号，即真实的浅海声信道响应。
2.如权利要求1所述一种基于浅海爆炸声传播信号的声信道响应估计方法，其特征在于在步骤1)中，所述在深海海域利用同一批次的爆炸声源开展深海实验测量爆炸声源信号，获得爆炸声源的时域信号的具体方法为：由实验船布放小艇，由小艇投放爆炸声源，实验船船舷布放水听器采集声源信号，小艇与母船保持一定距离，避免接收水听器限幅。
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