CN116908855A - 一种极地水下脉冲简正波声学测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极地水下脉冲简正波声学测距方法，属于极地声学测距领域；基于极地环境中的低频简正波的物理特征，一种基于单个水听器的适用于极地海域低频远距离脉冲声源的被动距离估计方法，包括以下步骤：获取实际极地声场环境参数，水听器采集信号与滤波，计算信号的功率谱密度函数，估计简正波频散常数和波导不变量，计算功率谱密度函数的消频散变换，基于最大值原则确定声源距离。结果证明，提出的方法能有效的实现极地水下脉冲的距离估计。
Description
技术领域
本发明属于极地声学测距领域，具体涉及一种极地水下脉冲简正波声学测距方法。
背景技术
全球变暖以及海冰的消融，使人们愈发关注北极航道的开通以及自然资源的利用。随着海洋强国战略的提出，适应于北极海域的声学应用技术也越来越受到重视。研究极地水声定位方法与设备对于提高我国在北极地区的话语权具有重大战略意义。
北极独特的地理位置造就了不同于其他海域的声传播特性。北极海域的声速梯度普遍符合正声速梯度，即海水声速随着深度的增加而增加，因此北极海域中传播的声波通常向上折射，与海面冰层相互作用，再反射到海水中，循环往复，形成北极特有的半波导深海声道。
水声学被动定位方法通常是利用水中声波传播到水听器阵列的到达时间(TOA)，以及到达角度(DOA)确定声源的位置，适合高频与近距离声源的定位场景。匹配场处理也可以实现对水下声源的被动定位。它的基本原理是将布放在水中的垂直水听器阵列采集的声源信号，与基于水声传播模型计算的仿真声场进行匹配，根据匹配结果来确定声源位置。这种方法已经很早就被成功应用到北极海域。2014年，戚聿波通过对接收信号的自相关函数进行warping变换并利用特征频率实现了声源测距，估计误差约10％。2016年，王冬推导了信号能量密度函数的时域warping变换，实现脉冲声源的快速测距，测距误差约8％。2017年李晓曼等基于warping变换提取简正波进行脉冲源测距，误差在10％以内。2019年王冬提出了利用自相关函数的时域warping变换以及频域β-warping变换，对浅海负跃层脉冲源进行测距，误差在20％以内。2016年郭晓乐等引入一种双参数消频散变换，用于估计水中脉冲声源位置。同年，张寅权基于双参数消频散变换提出了长脉冲声源的距离估计方法，指出当接收不同步时，消频散结果需要增加相位项。2022年胡春辉对垂直阵数据进行消频散波束形成和反卷积操作，实现了距离估计。
远距离传播的低频声源，会受到北极独特的声速梯度和海冰层的影响，体现在不同频率的声波以具有不同的群速度的简正波的形式传播。这种频散效应对水声信号处理产生了复杂的影响，一方面改变了原始声信号的波形结构，另一方面这种变化也蕴含了声源位置信息。本发明基于极地环境中的低频简正波的物理特征，提出了一种基于单个水听器的适用于极地海域低频远距离脉冲声源的被动距离估计方法。
发明内容
本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种极地水下脉冲简正波声学测距方法，解决极地水下脉冲声源距离被动估计。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：
在极地环境中，水听器接收声信号p(t)的频谱可以简化表示为多个简正波的叠加，形式如下：
其中ω为声源频率，∫·是积分算符，是求和符号，ψm为第m阶简正波的幅度，km为第m阶简正波的水平波数，r0为声源距离。因此接收信号的功率谱密度函数为：
其中*为共轭符号，Δkmn为第m阶和第n阶的水平波数之差，形式如下：
Δkmn＝km-kn＝γmnω-1/β；
式中γmn为与简正波阶数m和n有关的频散常数，β为波导不变量。将该式代入功率谱密度函数，并去除简正波自相关项，得：
当极地环境参数的先验条件已知时，(β,γmn)可以通过下式进行估计
其中||·||2表示向量的2范数，由简正波声传播模型Kraken计算。
本发明定义了一种消频散变换
将经过模型拟合估计的频散常数和波导不变量代入消频散变换，可以直接对声源距离进行估计，结果如下
仅当r＝r0时，D(r)有极大值。因此通过最大值原则确定声源距离为
与现有技术相比，本发明的优点在于：
通过数据结果证明，本发明提出的定位方法能有效实现对极地水下脉冲的低频声源距离估计。相比于传统的基于水听器阵列的定位方法，本方法使用一个水听器实现了极地水下声源的被动距离估计，能有效的实现极地水下脉冲的距离估计。
附图说明
图1是本发明中极地水下测距流程图；
图2是本发明中的极地声场环境参数图；
图3是本发明中的水听器接收信号波形；
图4是本发明中的信号时频分布；
图5是本发明中的信号功率谱密度函数；
图6是本发明中的估计频散参数与波导不变量结果；
图7是本发明中的极地水下声源估计结果。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1：
如图1所示，本发明提供的极地水下测距流程图并通过仿真实验进行方法介绍与验证。具体步骤如下：
步骤1获取极地声场的环境参数，环境参数是计算声场的先验条件，包括海冰厚度和密度、海冰纵波声速CS，海冰横波声速CP，海水密度与声速梯度CW，海底纵波声速CB以及密度。如图2所示，根据实际北极环境，设置的极地仿真声场环境参数的示意图，其中海冰厚度为2m，密度0.9g/cm3、海冰纵波声速CP＝3800m/s，海冰横波声速CS＝1900m/s，海水密度1.0g/cm3，在水深0-200m以内，声速梯度CW由1440m/s增加到1460m/s，在200m-3750m，声速梯度CW由1460m/s增加到1500m/s，3750m以下海底的纵波声速CB＝1600m/s以及密度为1.5g/cm3。
步骤2使用布放在极地海域的水听器采集声源发出的声信号p(t)，并对信号进行滤波操作，以减少噪声干扰，并保留含有简正波的片段。如图3所示，为水听器接收的信号波形，声源发射信号为高斯脉冲，带宽100Hz，声源深度为10m，水听器深度为10m，声源与水听器之间的距离为R＝50km。图4所示是信号的时频分布，其中两条线为前两阶简正波的理论频散曲线，可以看到其中存在两阶简正波，符合极地海域典型的具有“上扫型”频散特征的信号。
步骤3获得信号的功率谱密度函数。首先计算信号的自相关函数，形式为
AF(τ)＝∫p(t)p(t-τ)dt；
结果如图5所示。为了保留简正波的互相关成分，需要去除其中的自相关成分，因此将信号自相关函数的前几个数据置零，通常取3-5个波包的长度。最后对自相关函数进行傅里叶变换，得到信号的功率谱密度函数，形式为
R(ω)＝∫AF(τ)exp(-iωτ)dτ；
步骤4估计频散常数与波导不变量。将步骤1获得的极地声场环境参数代入简正波声传播模型Kraken,求解信号频段内的水平波数因为水平波数差的近似公式为
Δkmn＝km-kn＝γmnω-1/β；
式中γmn为与简正波阶数m和n有关的频散常数，β为波导不变量，(β,γmn)通过下式进行估计：
其中||·||2表示向量的2范数，
如图6所示，其中圆点数据为Kraken的计算出的第一阶与第二阶水平波数差曲线为拟合结果。拟合曲线/>中的频散参数和波导不变量分别为对于极地正梯度海域，波导不变量通常为负数。
步骤5计算信号功率谱密度函数的消频散变换，
其中∫·表示积分算符。设置搜索距离r为0-300km，距离间隔10m，结果如图7所示。
步骤6基于最大值原则估计的声源距离为
图7显示当r＝51.6km时，D(r)有极大值，因此声源距离为51.69km，测距误差约为3.38％。
结果证明，本发明提出的方法能有效的实现极地水下脉冲的距离估计。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (5)
1.一种极地水下脉冲简正波声学测距方法，其特征在于，所述方法包括：
将水听器接收的声信号p(t)的频谱简化表示为多个简正波的叠加，计算接收信号的功率谱密度函数为：
其中*为共轭符号，Δkmn为第m阶和第n阶的水平波数之差，形式如下：
Δkmn＝km-kn＝γmnω-1/β；
式中γmn为与简正波阶数m和n有关的频散常数，β为波导不变量；将该式代入功率谱密度函数，并去除简正波自相关项，得：
获取极地环境参数的先验条件，(β,γmn)通过下式进行估计：
其中||·||2表示向量的2范数，由简正波声传播模型Kraken计算；
将经过模型拟合估计的频散常数和波导不变量代入预设的消频散变换模型中，对声源距离进行估计，结果如下：
仅当r＝r0时，D(r)有极大值；因此通过最大值原则确定声源距离为：
2.根据权利要求1所述的一种极地水下脉冲简正波声学测距方法，其特征在于，使用布放在极地海域的水听器采集声源发出的声信号p(t)，并对信号进行滤波操作，以减少噪声干扰，并保留含有简正波的片段。
3.根据权利要求1所述的一种极地水下脉冲简正波声学测距方法，其特征在于，将水听器接收的声信号p(t)的频谱简化表示为多个简正波的叠加，形式如下：
其中ω为声源频率，∫·是积分算符，是求和符号，ψm为第m阶简正波的幅度，km为第m阶简正波的水平波数，r0为声源距离。
4.根据权利要求1所述的一种极地水下脉冲简正波声学测距方法，其特征在于，获取极地声场的环境参数，环境参数是计算声场的先验条件，包括：海冰厚度和密度、海冰纵波声速CS、海冰横波声速CP、海水密度与声速梯度CW、海底纵波声速CB和密度。
5.根据权利要求1所述的一种极地水下脉冲简正波声学测距方法，其特征在于，预设的定义的消频散变换模型为：
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117310671A (zh) * | 2023-11-29 | 2023-12-29 | 中国海洋大学 | 应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法 |
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2023
- 2023-07-19 CN CN202310886296.0A patent/CN116908855A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN117310671B (zh) * | 2023-11-29 | 2024-03-01 | 中国海洋大学 | 应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法 |
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