CN115712803A - 一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法 - Google Patents

一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法 Download PDF

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张海刚
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李楠松
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本发明提供一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法。步骤一、根据单水听器接收信号的声强谱图，提取其干涉结构在频率‑模态多普勒频移域上的特征分布；步骤二、根据步骤一的频率‑模态多普勒频移域特征分布，建立相应的匹配目标函数；步骤三、根据步骤二的目标函数，采用模拟退火方法提取声源径向速度‑深度域上目标函数最大值的坐标，以此作为声源速度与深度的估计值。本发明用以实现声源速度与深度的估计。

Description

一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的 方法
技术领域
本发明属于领域，具体涉及一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速 度与深度的方法。
背景技术
辐射噪声的分析是侦测水下声源的有效手段之一，减振降噪技术的主要进步 方向是抑制辐射噪声中的线谱特征，而低频连续谱特征尚未受到有效的抑制。近 年来，基于宽频带信号的处理方法得到了学者们的重视。
俄罗斯学者Kuznetsov利用单水听器在时间-频率域上的声强干涉结构，实 现了运动声源径向速度的估计。在进一步的研究中，他们基于波导不变量理论与 二维傅里叶变换方法，提出了一种利用时频干涉结构的声源运动参数估计算法。
然而，Kuznetsov等人的方法需要具体确定时间-频率域声强干涉结构中起 到主要贡献的简正波模态，这一特征的先验信息包括海洋环境参数与声源深度。 若声源的深度不是先验信息，则会严重影响了这一算法在处理时频干涉结构上的 应用。但是，Nicolas等人利用水平阵提取了接收信号在频率-波数域上的频散 特征，这一特征包含了声源的深度信息。T.C.Yang利用垂直阵获得了不同接收 深度信号的模态特征，通过模态匹配也获得了声源深度的准确估计。由此可见， 利用接收信号的简正波特征是能够实现声源深度的估计的。
发明内容
本发明提供一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方 法，用以实现声源速度与深度的估计。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，所述方法 具体包括以下步骤：
步骤一、根据单水听器接收信号的声强谱图，提取其干涉结构在频率-模态 多普勒频移域上的特征分布；
步骤二、根据步骤一的频率-模态多普勒频移域特征分布，建立相应的匹配 目标函数；
步骤三、根据步骤二的目标函数，采用模拟退火方法提取声源径向速度-深 度域上目标函数最大值的坐标，以此作为声源速度与深度的估计值。
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，所述步骤 一具体为，浅海水平无关波导远场条件下的声场可写为一组简正波累加的形式：
Figure BDA0003899315340000021
其中，f为角频率，krn(f)是第n阶简正波的本征值，ψn(z)是第n阶简正 波的本征函数，zs和zr分别是声源深度和接收水听器深度，r是声源与接收水听 器之间的距离，ρ(zs)是声源深度处的海水密度；
分析声场的干涉结构时，式(1)简写为：
Figure BDA0003899315340000022
基于式子(2)，远距离声场强度写为如式子所示的形式：
Figure BDA0003899315340000023
其中本征值之差krm-krn是与频率有关的物理量，因此exp[·]部分形成了距离r与频率f上的干涉结构。
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，将式子(3) 写为各阶简正波声场强度累加的形式，则各阶简正波干涉声强的表达式为：
Figure BDA0003899315340000024
假定声源处于径向运动，不同时间的接收距离写为：
r＝r0+vrt (5)
则给出各阶简正波声强在接收场时域上的表达式：
Figure BDA0003899315340000025
基于式子的干涉结构，采用傅里叶谱估计的方法，得到时频干涉结构在频率 -模态多普勒频移域上的特征分布：
Figure BDA0003899315340000031
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，所述步骤 二具体为，根据已知的海洋环境参数，利用Kraken简正波程序，计算宽频带条 件下不同深度声源在接收深度上激发产生的声场结果prplc(zs,zr,r,f)，由此得到 匹配场的声场强度Irplc(zs,zr,r,f)，其中接收深度zr与频率f是已知的；
根据F(f,ν)对径向速度vr、声源深度zs的敏感特性以及对初始距离r0的不 敏感特性，最终将匹配场声强写为如式子(8)所示的形式：
Irplc(zs,zr,r,f)＝Irplc(zr,t,f；zs,vr) (8)
其中zs与vr是待匹配的物理量。
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，基于式子 (7)的方法，将式子(8)中获得的时间-频率域上的匹配场声强干涉结构进行 时域上的傅里叶分析，得到匹配场的频率-模态多普勒频移域输出结果：
Figure BDA0003899315340000032
设定观测场信号处理后的频率-模态多普勒频移域输出结果为Fobs(ν,f)；在 匹配处理中使用的是Fobs(ν,f)与Frplc(ν,f；zs,vr)的模值，根据最小二乘原理， 设计目标函数如式子所示：
Figure BDA0003899315340000033
其中Nf与Nν分别是f轴与ν轴上的数据点数；最终将式子(11)中的目标函数 取分贝处理，如式子所示：
Figure BDA0003899315340000034
其中，JdB(zs,vr)为目标函数取分贝处理结果，J(zs,vr)为目标函数值。
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，所述步骤 三具体为，目标函数构造在(zs,vr)上的模糊平面，设定其中的最大值点坐标
Figure BDA0003899315340000041
其表达式为：
Figure BDA0003899315340000042
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，所述模拟 退火方法为自适应单纯形模拟退火算法。
本发明的有益效果是：
本发明根据声强的时频干涉谱图，给出其时域干涉结构的傅里叶谱估计，得 到接收信号在频率-模态多普勒频移(f.ν)域上的能量分布特征。在此基础上分析 不同声源径向速度与声源深度对频率-模态多普勒频移域上能量分布的影响，证 明以此为匹配场特征实现声源速度-深度估计的可行性，并由此设计目标函数。 随后采用了模拟退火算法在待估计的声源径向速度-深度域上快速寻找目标函数 的最大值坐标，以此作为声源速度与深度的估计值。
附图说明
图1是本发明的目标函数的敏感性分析图，其中，(a)径向速度的敏感性 分析图，(b)声源深度的敏感性分析图，(c)初始距离的敏感性分析图。
图2是本发明的接收信号声强LOFAR谱图，其中，(a)声源接近水听器 算例接收信号声强LOFAR谱图，(b)声源远离水听器算例接收信号声强LOFAR 谱图。
图3是本发明时频干涉结构在频率-模态多普勒频移域上的特征分布，其中， (a)声源接近水听器算例接收信号声强在频率-模态多普勒频移域上的特征分布， (b)声源远离水听器算例接收信号声强在频率-模态多普勒频移域上的特征分布。
图4是本发明的目标函数在声源径向速度-声源深度域上的模糊函数，其中， (a)声源接近水听器算例目标函数在声源径向速度-声源深度域上的模糊函数， (b)声源远离水听器算例目标函数在声源径向速度-声源深度域上的模糊函数。
图5是本发明的模拟退火算法迭代后目标函数变化示意图，其中，(a)声 源接近水听器算例模拟退火算法迭代后目标函数变化，(b)声源远离水听器算 例模拟退火算法迭代后目标函数变化。
图6是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前 提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，所述方法 具体包括以下步骤：
步骤一、根据单水听器接收信号的声强谱图，提取其干涉结构在频率-模态 多普勒频移域上的特征分布；
步骤二、根据步骤一的频率-模态多普勒频移域特征分布，建立相应的匹配 目标函数；
步骤三、根据步骤二的目标函数，采用模拟退火方法提取声源径向速度-深 度域上目标函数最大值的坐标，以此作为声源速度与深度的估计值。
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，所述步骤 一具体为，浅海水平无关波导远场条件下的声场可写为一组简正波累加的形式：
Figure BDA0003899315340000051
其中，f为角频率，krn(f)是第n阶简正波的本征值，ψn(z)是第n阶简正 波的本征函数，zs和zr分别是声源深度和接收水听器深度，r是声源与接收水听 器之间的距离，ρ(zs)是声源深度处的海水密度；
分析声场的干涉结构时，式(1)简写为：
Figure BDA0003899315340000052
基于式子(2)，远距离声场强度写为如式子所示的形式：
Figure BDA0003899315340000053
其中本征值之差krm-krn是与频率有关的物理量，因此exp[·]部分形成了距离r与频率f上的干涉结构。
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，将式子(3) 写为各阶简正波声场强度累加的形式，则各阶简正波干涉声强的表达式为：
Figure BDA0003899315340000061
假定声源处于径向运动，不同时间的接收距离写为：
r＝r0+vrt (5)
则给出各阶简正波声强在接收场时域上的表达式：
Figure BDA0003899315340000062
基于式子的干涉结构，采用傅里叶谱估计的方法，得到时频干涉结构在频率 -模态多普勒频移域上的特征分布：
Figure BDA0003899315340000063
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，所述步骤 二具体为，根据已知的海洋环境参数，利用Kraken简正波程序，计算宽频带条 件下不同深度声源在接收深度上激发产生的声场结果prplc(zs,zr,r,f)，由此得到 匹配场的声场强度Irplc(zs,zr,r,f)，其中接收深度zr与频率f是已知的；
根据F(f,ν)对径向速度vr、声源深度zs的敏感特性以及对初始距离r0的不 敏感特性，最终将匹配场声强写为如式子(8)所示的形式：
Irplc(zs,zr,r,f)＝Irplc(zr,t,f；zs,vr) (8)
其中zs与vr是待匹配的物理量。
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，基于式子 (7)的方法，将式子(8)中获得的时间-频率域上的匹配场声强干涉结构进行 时域上的傅里叶分析，得到匹配场的频率-模态多普勒频移域输出结果：
Figure BDA0003899315340000064
设定观测场信号处理后的频率-模态多普勒频移域输出结果为Fobs(ν,f)；在 匹配处理中使用的是Fobs(ν,f)与Frplc(ν,f；zs,vr)的模值，根据最小二乘原理， 设计目标函数如式子所示：
Figure BDA0003899315340000071
其中Nf与Nν分别是f轴与ν轴上的数据点数；最终将式子(11)中的目标函数 取分贝处理，如式子所示：
Figure BDA0003899315340000072
其中，JdB(zs,vr)为目标函数取分贝处理结果，J(zs,vr)为目标函数。
目标函数的敏感性分析如图1所示。
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，所述步骤 三具体为，目标函数构造在(zs,vr)上的模糊平面，设定其中的最大值点坐标
Figure BDA0003899315340000073
其表达式为：
Figure BDA0003899315340000074
一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，所述模拟 退火方法为自适应单纯形模拟退火算法。
设定海水层声速保持在1500m/s，海水层深度50m；海底半无限空间中纵波 波速cp为1800m/s，，密度ρ2为1.5g/cm3，纵波传播损失αp为0.4dB/λ。设定声 源深度为10m，径向速度为4m/s。设定两个算例：1.初始距离为10km，声源接 近水听器；2.初始距离为6.8km，声源远离水听器。设定水听器接收深度为50m 于海底。由此得到的接收信号声强谱图如图2所示。
根据式子的傅里叶谱估计，可以得到如图2的时频干涉结构在频率-模态多 普勒频移域上的特征分布，如图3所示：
式子计算的目标函数在声源径向速度-声源深度域上的模糊函数如图4所示：
由于遍历得到的模糊函数在计算较大范围时速度较慢，且估计精度较低，因 此采用模拟退火方法进行估计，其迭代后目标函数变化如图5所示：
根据模拟退火算法估计得到的声源径向速度与深度结果如表1所示：
表1声源径向速度与深度估计结果
Figure BDA0003899315340000075
Figure BDA0003899315340000081
以上对本发明提出的基于干涉结构在频率-模态多普勒频移域上特征的声源 径向速度-深度估计方法，进行了详尽的介绍，本文中采用了不同运动状态的声 源算例对本发明的原理及实施方式进行了阐述。

Claims (7)

1.一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、根据单水听器接收信号的声强谱图，提取其干涉结构在频率-模态多普勒频移域上的特征分布；
步骤二、根据步骤一的频率-模态多普勒频移域特征分布，建立相应的匹配目标函数；
步骤三、根据步骤二的目标函数，采用模拟退火方法提取声源径向速度-深度域上目标函数最大值的坐标，以此作为声源速度与深度的估计值。
2.根据权利要求1所述一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，其特征在于，所述步骤一具体为，浅海水平无关波导远场条件下的声场可写为一组简正波累加的形式：
Figure FDA0003899315330000011
其中，f为角频率，krn(f)是第n阶简正波的本征值，ψn(z)是第n阶简正波的本征函数，zs和zr分别是声源深度和接收水听器深度，r是声源与接收水听器之间的距离，ρ(zs)是声源深度处的海水密度；
分析声场的干涉结构时，式(1)简写为：
Figure FDA0003899315330000012
基于式子(2)，远距离声场强度写为如式子所示的形式：
Figure FDA0003899315330000013
其中本征值之差krm-krn是与频率有关的物理量，因此exp[·]部分形成了距离r与频率f上的干涉结构。
3.根据权利要求2所述一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，其特征在于，将式子(3)写为各阶简正波声场强度累加的形式，则各阶简正波干涉声强的表达式为：
Figure FDA0003899315330000021
假定声源处于径向运动，不同时间的接收距离写为：
r＝r0+vrt (5)
则给出各阶简正波声强在接收场时域上的表达式：
Figure FDA0003899315330000022
基于式子的干涉结构，采用傅里叶谱估计的方法，得到时频干涉结构在频率-模态多普勒频移域上的特征分布：
Figure FDA0003899315330000023
4.根据权利要求1所述一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，其特征在于，所述步骤二具体为，根据已知的海洋环境参数，利用Kraken简正波程序，计算宽频带条件下不同深度声源在接收深度上激发产生的声场结果prplc(zs,zr,r,f)，由此得到匹配场的声场强度Irplc(zs,zr,r,f)，其中接收深度zr与频率f是已知的；
根据F(f,ν)对径向速度vr、声源深度zs的敏感特性以及对初始距离r0的不敏感特性，最终将匹配场声强写为如式子(8)所示的形式：
Irplc(zs,zr,r,f)＝Irplc(zr,t,f；zs,vr) (8)
其中zs与vr是待匹配的物理量。
5.根据权利要求4所述一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，其特征在于，基于式子(7)的方法，将式子(8)中获得的时间-频率域上的匹配场声强干涉结构进行时域上的傅里叶分析，得到匹配场的频率-模态多普勒频移域输出结果：
Figure FDA0003899315330000024
设定观测场信号处理后的频率-模态多普勒频移域输出结果为Fobs(ν,f)；在匹配处理中使用的是Fobs(ν,f)与Frplc(ν,f；zs,vr)的模值，根据最小二乘原理，设计目标函数如式子所示：
Figure FDA0003899315330000031
其中Nf与Nν分别是f轴与ν轴上的数据点数；最终将式子(10)中的目标函数取分贝处理，如式子所示：
Figure FDA0003899315330000032
其中，JdB()为目标函数取分贝处理结果，J为目标函数值。
6.根据权利要求5所述一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，其特征在于，所述步骤三具体为，目标函数构造在(zs,vr)上的模糊平面，设定其中的最大值点坐标
Figure FDA0003899315330000033
其表达式为：
Figure FDA0003899315330000034
7.根据权利要求1所述一种基于单水听器接收信号估计运动声源径向速度与深度的方法，其特征在于，所述模拟退火方法为自适应单纯形模拟退火算法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117907998A (zh) * 2024-03-20 2024-04-19 西北工业大学青岛研究院 一种浅海宽带声源测距方法、介质及系统
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