CN116068494A - 一种基于次声传播模型的广域次声源定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于次声传播模型的广域次声源定位方法，包括以下步骤：根据次声定位算法对广域次声源进行定位，得到初始次声源位置；将所述初始次声源位置作为参考位置，选定次声传播模型建模区域，划分空间网格，根据建立的次声传播模型计算在各探测站处的理论后方位角；基于次声传播模型后方位角计算结果，修正各探测站处的后方位角测量值；根据修正后的后方位角测量值重新对广域次声源进行定位，得到基于次声传播模型修正后的次声源定位结果。本发明的基于次声传播模型的广域次声源定位方法，将次声传播通道信息引入次声源定位问题，考虑了次声远距离传播过程中的方位角偏移，使得本算法具有比传统方法更准确的定位性能。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种基于次声传播模型的广域次声源定位方法。
背景技术
现有技术中，次声监测技术是监测大气层、地面水面爆炸的重要手段，是估计爆炸当量的最有效手段。因此次声手段被全面禁止核试验条约组织（CTBTO）列为四大核爆监测技术之一。次声频率低，在大气中传播的衰减小，因此次声信号具有远距离传播能力，但其传播过程较为复杂。一是次声传播路径与一般声波近场近似直线传播不同，传播路径是在大气对流层，平流层以及热层之间的曲线传播。二是次声的传播对大气参数十分敏感，不同的气象条件会导致不同的次声传播路径。因此对远距离次声事件的监测易受其传播过程的影响而产生较大的误差。例如大气传播通道对次声到达方位角造成的偏移会显著影响次声事件的定位精度。而目前考虑基于次声传播模型修正的次声源定位算法研究相对较少。
传播距离在几千甚至上万公里的次声在传播过程中会受到路径上大气参数的显著影响，其中最主要的影响是次声传播路径上的横向风会使次声传播路径发生偏移，如果不将这一效应加以考虑，次声源定位结果将会产生明显的偏差。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于次声传播模型的广域次声源定位方法，将次声传播通道信息引入次声源定位问题，考虑了次声远距离传播过程中的方位角偏移，使得本算法具有比传统方法更准确的定位性能。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于次声传播模型的广域次声源定位方法，包括以下步骤：
根据次声定位算法对广域次声源进行定位，得到初始次声源位置；
将所述初始次声源位置作为参考位置，选定次声传播模型建模区域，划分空间网格，根据建立的次声传播模型计算在各探测站处的理论后方位角；
基于次声传播模型后方位角计算结果，修正各探测站处的后方位角测量值；
根据修正后的后方位角测量值重新对广域次声源进行定位，得到基于次声传播模型修正后的次声源定位结果。
进一步地，所述根据次声定位算法对广域次声源进行定位，得到初始次声源位置的步骤，还包括，
次声源定位算法为迭代定位算法，算法的迭代公式为
公式1
其中，表示第
i次迭代次声源的位置估计，表示后方位角测量误差的协方差矩阵，为第次迭代的残差向量，表示是的函数，表示后方位角的真值，表示后方位角的测量值，表示第
i次迭代关于的雅可比矩阵；
公式2
公式3
其中，
p表示次声源的真实位置，表示探测站编号，为信源估计位置到探测站的方位角，为与之间的大圆弧长，当高斯牛顿步小于给定阈值或到达给定迭代次数后，得到最终的次声源位置估计。
进一步地，在所述将所述初始次声源位置作为参考位置，选定次声传播模型建模区域，划分空间网格，根据建立的次声传播模型计算在各探测站处的理论后方位角的步骤中，包括，
将次声事件发生时建模区域中各个高度的大气参数导出，构建大气模型；
将大气模型导入次声传播模型，计算次声到达信号的理论后方位角。
进一步地，在所述将初始次声源位置作为参考位置，选定次声传播模型建模区域，划分空间网格的步骤中，包括，
对于次声源定位，空间网格按照选定区域的经纬度进行等距划分，所述网格的大小根据实际精度需求和大气模型提供的最小分辨率确定。
进一步地，所述基于次声传播模型计算在各探测站处的理论后方位角的步骤，还包括，
根据空间变化的绝热声速和环境风场建立次声传播模型；
建立程函方程：
公式4
其中表示射线的三维空间位置，是定义为垂直于声波阵面的程函矢量，是在源位置的绝热声速，表示环境风场，（）表示是的函数，c表示空间变化的绝热声速，c（）表示c是的函数；
使用程函来定义哈密顿量，根据控制传播的方程
公式5a
公式5b
可以得到射线路径方程
公式6a
公式6b
其中是三维笛卡尔位置坐标，是沿射线路径的群速度，是物理射线路径长度；在公式6b中，下标j表示位置和程函矢量的单个分量；射线路径在三维空间中的初始发射角度由发射角和方位角定义，并确定的初始值；射线长度和发射角、和完全定义了特定传播介质中沿给定路径的位置，并且是射线坐标的三个分量。
更进一步地，所述基于次声传播模型后方位角计算结果，修正各探测站处的后方位角测量值的步骤，还包括，
保存各个探测站周围选定范围内计算得到的多条射线多个到达点的后方位角计算结果，对数据的数学期望进行估计，得到从初始次声源位置传播到探测站的次声信号的理论后方位角；
计算各个探测站到初始次声源位置的后方位角，将地球建模为球体，在球体模型下的后方位角公式为：
其中，，分别表示声源位置的纬度和经度；，分别表示探测站
k的纬度和经度；arctan为四象限反正切函数，根据理论后方位角计算后方位角测量值的修正量，得到修正后的后方位角测量值。
为实现上述目的，本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上储存有在所述处理器上运行的程序，所述处理器运行所述程序时执行上述的基于次声传播模型的广域次声源定位方法的步骤。
为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述的基于次声传播模型的广域次声源定位方法的步骤。
本发明的基于次声传播模型的广域次声源定位方法，具有以下有益效果：
将次声传播通道信息引入次声源定位问题，考虑了次声远距离传播过程中的方位角偏移，使得本算法具有比传统方法更准确的定位性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为根据本发明实施例的基于次声传播模型的广域次声源定位方法的流程图；
图2为根据本发明实施例中的基于次声传播模型后方位角计算流程图；
图3为根据本发明实施例中的后方位角修正流程图。
具体实施方式
实施例1
图1为根据本发明的基于次声传播模型的广域次声源定位方法流程图，下面将参考图1，对本发明的基于次声传播模型的广域次声源定位方法进行详细描述。
在步骤101，使用传统次声定位算法对广域次声源进行初步定位，得到初始次声源位置。
优选地，次声源定位算法可选用迭代定位算法，算法的迭代公式如下
公式1
其中，表示次声源位置，为第次迭代的残差向量，为关于的雅可比矩阵。
公式2
公式3
其中，为信源估计位置到探测站的方位角，为与之间的大圆弧长，当高斯牛顿步小于给定阈值或到达给定迭代次数后，得到最终的次声源位置估计。
本实施例中，阈值一般根据实际精度需求进行设置，例如可设置为0.001°。迭代次数的设置一般是经验性的，需要考虑算法在实际应用中收敛到最优解的平均速度，以及算法的可运行时间。对于高斯牛顿法来说，迭代次数可设置为50~100。
在步骤102，基于次声传播模型计算在各探测站处的理论后方位角。
优选地，以初始次声源位置作为参考位置，选定次声传播模型建模区域，划分空间网格。将次声事件发生时建模区域中各个高度的大气参数导出，构建0~140km的大气模型。将大气模型导入次声传播模型，计算次声到达信号的理论后方位角。
优选地，“划分空间网格”的步骤，可具体执行为：对于次声源定位问题，空间网格按照选定区域的经纬度进行等距划分，网格的大小根据实际精度需求和大气模型能提供的最小分辨率来确定。
本实施例中，0~140km的大气模型范围不是固定的，选择这一范围的原因是该范围涵盖的从对流层到热层底部，即绝大部分地面可接收次声传播的高度范围，可以最大程度建模次声传播过程。
优选地，为了创建模拟次声传播所需的大气模型，将低层大气值（温度，经线风和带风）的全球网格扩展到高层大气，用从经验模型派生的值填充高层大气节点，使用标量球面谐波基函数将每个数据集的每个级别分解为其谱系数，然后生成谱系数的平滑表示作为高度函数。使用B样条表示拟合谱系数作为高度的函数。计算谱系数的最佳拟合B样条解需要求解重叠数据集的最小二乘问题。从这组B样条系数中，可以检索任何高度的光谱系数，并可以重建感兴趣的值（网格相关风和温度的分量）。
本实施例中，对于全局模型，使用NCEP的GFS模型提供对流层信息。该数值天气预测模型可在空间分辨率为0.5°的情况下提供3小时的预报。对于大气中间层和热层，使用HWM模型计算风力，使用NRLMSISE-00模型计算温度。
优选地，次声传播模型使用的是几何声学方程。考虑由空间变化的绝热声速和环境风场，在介质变化相对于波长可以忽略不计的条件下，几何声学准确地描述了声音在介质中传播时的折射。在这种情况下，有程函方程
公式4
其中表示射线的三维空间位置，是定义为垂直于声波阵面的程函矢量，是在源位置的绝热声速。使用程函来定义哈密顿量，根据控制传播的方程
公式5a
公式5b
可以得到射线路径方程
公式6a
公式6b
其中是三维笛卡尔位置坐标，是沿射线路径的群速度，是物理射线路径长度。在公式6b中，下标表示位置和程函矢量的单个分量。射线路径在三维空间中的初始发射角度由发射角和方位角定义，并确定的初始值。射线长度和发射角、和完全定义了特定传播介质中沿给定路径的位置，并且是射线坐标的三个分量。
描述沿射线路径振幅的频率无关的系数可以通过求解传递方程得到，
公式7
其中是环境大气密度。该系数描述了由于传播介质中的梯度产生的几何扩散引起的衰减，不包括衍射和散射造成的损耗。通过求解公式7获得的传递系数
公式8
其中是描述笛卡尔坐标和射线坐标之间的变换的雅可比矩阵行列式，它取决于，和。和定义了沿射线路径的一对点。计算雅可比行列式所需的导数项从公式6a获得。引入辅助参数，即笛卡尔坐标和程函矢量分量关于发射角的变化，
公式9
定义一组额外的辅助参数来计算相对于初始方位角的变化。控制这些辅助参数的微分方程可以通过对公式6a、公式6b关于或求微分来获得。给出每个向量一个分量关于的导数，
公式10a
公式10b
关于方位角可以推导出相同的方程。
对于或对于所有j都是非零的广义介质，这得出一个由关于、、、、和的18个耦合方程组成的系统。上述方程中，作用于任何笛卡尔坐标函数的角度导数算子可以通过公式11计算：
公式11
在最一般的情况下，人们假设大气参数在所有方面都不同，并且考虑到次声源位于空中的可能性，源位置的环境风速不一定为零。因此公式6a不能显式求解为将与相关联。然而，可以通过选择某个方向并求解公式4确定大小来定义初始程函矢量。声源的程函矢量须满足
公式12
其中，和分别是源位置的声速和风速。源位置和初始程函矢量提供了计算射线路径几何形状所需的初始条件。此外须确定辅助参数的初始值才能计算传递系数。和的变化不能产生的变化，因此和的所有分量为零。因此只需要给定和的初始形式，
公式13
具有类似的形式。
表示返回地面射线的笛卡尔位置，反射点一定距离内的光线路径描述为
公式14
其中表示从光源到反射点的光射线路径长度，表示高阶小量忽略不计。假设在反射表面处。这使公式6a和公式6b退化为，
公式15a
公式15b
其中下标0表示在反射点评估的值。反射点处的发射角和方位角与反射之前的程函矢量有关
公式16a
公式16b
联立公式14-公式16可以得到和的反射条件。在到达射线长度加上一个小而正的位移表示反射后的参数值，
公式17a
公式17b
公式18
具有公式18相同的形式。
和的反射条件需要在公式16中区分反射角度，
公式19a
公式19b
仅考虑的单个分量，
公式20
结合公式16、公式19和公式20，的反射条件为，
公式21
的反射条件具有相同的形式。利用这些初始和边界反射条件，可以在不均匀的移动介质中任何位置的声源传播声能进行数值建模，包括计算传输系数和由于焦散引起的任何相位变化。
优选地，在传播距离变得非常大的情况下，笛卡尔公式无法准确描述传播几何。考虑将任意曲线坐标系定义为：
公式22a
公式22b
公式22c
其中，曲线坐标基向量，和定义为在空间中的所有点都相互正交。可以根据分量标量来定义微分线元素和梯度运算符，
公式23
联立公式5和公式23，得到该任意曲线坐标系中的声射线路径关系，
公式24a
公式24b
其中表示射线传播过程中程函矢量分量的变化，
公式25
在和恒定的传播介质中，这个附加项在的分量中产生必要的变化，以便射线路径继续沿直线路径保持恒定的程函幅度。在评估时，必须考虑分量的这种变化，
公式24
此结果的第一项与公式6b中的项相同，而第二项对于基向量在空间中变化的曲线坐标系是唯一的。分离出由于空间变化的基向量而引入的那些项，任意曲线坐标系中的光线追踪方程可以总结为
公式25a
公式25b
其中引入几何尺度系数Gj，
公式25c
和非恒定基向量的修正项
公式25d
在球面坐标中，射线路径的空间位置由其纬度、经度、和半径来定义，这可用于定义射线路径相对于地球表面的高度。以这种方式定义的球面坐标的坐标缩放系数很容易找到为
公式26
可以导出
公式27a
公式27b
公式27c
公式27d
上述方程组可用于计算模型地球周围大气层中的传播路径，并准确解释修改后的几何形状及其对传播效应的影响。沿传播路径的行进时间可以通过沿给定路径的积分来计算，并且可以使用和以类似于笛卡尔公式中的和的方式获得观测到的后方位角。地球建模为半径的球体。将大气模型导入次声传播模型，计算次声到达信号的理论后方位角。
在步骤103，基于次声传播模型后方位角计算结果，修正各探测站处的后方位角测量值。
优选地，如图3所示，保存各个探测站周围选定范围内计算得到的多条射线多个到达点的后方位角计算结果，对数据的数学期望进行估计，估计结果为从初始次声源位置传播到探测站的次声信号的理论后方位角。计算各个探测站到初始次声源位置的后方位角，将地球建模为球体，在球体模型下的后方位角公式为
公式28
其中，arctan为四象限反正切函数，根据理论后方位角计算后方位角测量值的修正量，最后得到修正后的后方位角测量值。
在步骤104，使用修正后的后方位角测量值重新对广域次声源进行定位，得到基于次声传播模型修正后的次声源定位结果。
本发明提供了一种基于真实大气物理模型的修正远距离传播次声信号方位角偏移的方法，将次声传播通道信息引入次声源定位问题，考虑了次声远距离传播过程中的方位角偏移，使得本算法具有比传统方法更准确的定位性能。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上储存有在所述处理器上运行的程序，所述处理器运行所述程序时执行上述的基于次声传播模型的广域次声源定位方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述的基于次声传播模型的广域次声源定位方法的步骤，所述基于次声传播模型的广域次声源定位方法参见前述部分的介绍，不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于次声传播模型的广域次声源定位方法，包括以下步骤：
根据次声定位算法对广域次声源进行定位，得到初始次声源位置；
将所述初始次声源位置作为参考位置，选定次声传播模型建模区域，划分空间网格，根据建立的次声传播模型计算在各探测站处的理论后方位角；
基于次声传播模型后方位角计算结果，修正各探测站处的后方位角测量值；
根据修正后的后方位角测量值重新对广域次声源进行定位，得到基于次声传播模型修正后的次声源定位结果。
2.根据权利要求1所述的基于次声传播模型的广域次声源定位方法，其特征在于，所述根据次声定位算法对广域次声源进行定位，得到初始次声源位置的步骤，还包括，
次声源定位算法为迭代定位算法，算法的迭代公式为
公式1
其中，表示第i次迭代次声源的位置估计，表示后方位角测量误差的协方差矩阵，为第次迭代的残差向量，表示是的函数，表示后方位角的真值，表示后方位角的测量值，表示第i次迭代关于的雅可比矩阵；
公式2
公式3
其中，p表示次声源的真实位置，表示探测站编号，为信源估计位置到探测站的方位角，为与之间的大圆弧长，当高斯牛顿步小于给定阈值或到达给定迭代次数后，得到最终的次声源位置估计。
3.根据权利要求1所述的基于次声传播模型的广域次声源定位方法，其特征在于，在所述将所述初始次声源位置作为参考位置，选定次声传播模型建模区域，划分空间网格，根据建立的次声传播模型计算在各探测站处的理论后方位角的步骤中，包括，
将次声事件发生时建模区域中各个高度的大气参数导出，构建大气模型；
将大气模型导入次声传播模型，计算次声到达信号的理论后方位角。
4.根据权利要求1所述的基于次声传播模型的广域次声源定位方法，其特征在于，在所述将初始次声源位置作为参考位置，选定次声传播模型建模区域，划分空间网格的步骤中，包括，
对于次声源定位，空间网格按照选定区域的经纬度进行等距划分，所述网格的大小根据实际精度需求和大气模型提供的最小分辨率确定。
5.根据权利要求1所述的基于次声传播模型的广域次声源定位方法，其特征在于，所述基于次声传播模型计算在各探测站处的理论后方位角的步骤，还包括，
根据空间变化的绝热声速和环境风场建立次声传播模型；
建立程函方程：
公式4
其中表示射线的三维空间位置，是定义为垂直于声波阵面的程函矢量，是在源位置的绝热声速，表示环境风场，（）表示是的函数，c表示空间变化的绝热声速，c（）表示c是的函数；
使用程函来定义哈密顿量，根据控制传播的方程
公式5a
公式5b
可以得到射线路径方程
公式6a
公式6b
其中是三维笛卡尔位置坐标，是沿射线路径的群速度，是物理射线路径长度；在公式6b中，下标j表示位置和程函矢量的单个分量；射线路径在三维空间中的初始发射角度由发射角和方位角定义，并确定的初始值；射线长度和发射角、和完全定义了特定传播介质中沿给定路径的位置，并且是射线坐标的三个分量。
6.根据权利要求1所述的基于次声传播模型的广域次声源定位方法，其特征在于，所述基于次声传播模型后方位角计算结果，修正各探测站处的后方位角测量值的步骤，还包括，
保存各个探测站周围选定范围内计算得到的多条射线多个到达点的后方位角计算结果，对数据的数学期望进行估计，得到从初始次声源位置传播到探测站的次声信号的理论后方位角；
计算各个探测站到初始次声源位置的后方位角，将地球建模为球体，在球体模型下的后方位角公式为：
其中，，分别表示声源位置的纬度和经度；，分别表示探测站k的纬度和经度；arctan为四象限反正切函数，根据理论后方位角计算后方位角测量值的修正量，得到修正后的后方位角测量值。
7.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器上储存有在所述处理器上运行的程序，所述处理器运行所述程序时执行权利要求1-5任一项所述的基于次声传播模型的广域次声源定位方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令运行时执行权利要求1-5任一项所述的基于次声传播模型的广域次声源定位方法的步骤。
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