CN117310671B

CN117310671B - 应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法

Info

Publication number: CN117310671B
Application number: CN202311605194.3A
Authority: CN
Inventors: 高大治; 王鹏宇; 陈卓; 王宁
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2023-11-29
Filing date: 2023-11-29
Publication date: 2024-03-01
Anticipated expiration: 2043-11-29
Also published as: CN117310671A

Abstract

本申请属于海洋声学技术领域，提供一种应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法，包括以下步骤：对单水听器的接收信号进行声压消频散变换，其中所述接收信号为浅海声源发射并经过浅海传播后被所述单水听器接收的声压信号；从所述声压消频散变换的结果中搜索幅度最大的两号简正波对应的特征频散常数，基于所述特征频散常数确定幅度最大的两号简正波的水平波数差以及计算幅度最大的两号简正波的互相关成分的功率谱密度；基于所述水平波数差及互相关成分的功率谱密度进行声强消频散变换；从所述声强消频散变换的结果中估计浅海声源距离。本申请提供的方法可以在单水听器且无其他先验信息的情况下进行浅海声源距离被动估计。

Description

应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法

技术领域

本申请属于海洋声学技术领域，具体地，提供一种应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法。

背景技术

浅海区域的复杂环境使得其中的各种水声信号处理问题充满挑战，浅海目标的被动距离估计就是其中之一。目前已有的浅海目标被动定位一般需要利用浅海波导效应对接收到的时域信号进行各种变换，以加强或提取其中包含的距离信息。其中，一种常规的技术路线是基于warping变化对浅海目标进行被动定位：例如，可以利用warping变换来分离叠加的简正波模态并根据简正波到达时间差进行距离估计，但此方法需要使用多个水听器构成的水听器阵列；也有使用β-warping 变换算子的被动声源距离估计方法，此方法需要结合已知距离的引导声源结合完成测距；此外，还可以通过信号能量密度函数的时域warping 变换，利用特征频率实现脉冲声源的快速测距，但该方法需要已知海水的深度。

近年来对浅海水声信号进行处理的过程中发现，浅海声场存在明显的频散现象，并且此现象蕴含着目标的距离信息，因此，可以基于消频散变换进行浅海目标被动定位。例如：本申请的发明人提出了双参数的消频散变换，抵消多模态信号的频散，实现多模态信号的增强；此外也可以对垂直阵数据进行消频散波束形成和反卷积操作以实现距离估计，然而上述方案同样需要利用多个水听器构成的水听器阵列；此外，本申请的发明人还提出基于消频散变换的宽带脉冲声源的距离估计方法，但当声源和接收器的时间零点不一致时，该方法存在较大的误差。

可见，通过现有的技术方案进行浅海声源距离的被动估计，需要布设多水听器阵列，或额外提供浅海环境、声源参数等先验信息，不仅增加了设备成本，也对其可适用的场景产生了极大的限制。因此，有必要提供一种无需任何先验知识，仅通过单水听器接收的水声信号即可实现浅海声源距离被动估计的方法。

发明内容

本申请的目的在于提供一种应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法，包括以下步骤：

S1，对单水听器的接收信号进行声压消频散变换，其中，所述接收信号为浅海声源发射并经过浅海传播后被所述单水听器接收的声压信号；

S2，从所述声压消频散变换的结果中搜索幅度最大的两号简正波对应的特征频散常数，

S3，基于所述特征频散常数确定幅度最大的两号简正波的水平波数差以及计算幅度最大的两号简正波的互相关成分的功率谱密度；

S4，基于所述水平波数差及互相关成分的功率谱密度进行声强消频散变换；

S5，从所述声强消频散变换的结果中估计浅海声源距离。

具体地，基于下式对单水听器的接收信号进行声压消频散变换：

,

其中，、/>分别为声压消频散变换的频散常数变量和距离变量，/>为声压消频散变换后的声压函数，/>为角频率，/>为接收信号的频谱，/>为波导特征参数，/>为浅海声速。

进一步地，步骤S2包括以下步骤：

S21，在平面上搜索使/>的局部极值最大的/>；

S22，在上搜索/>的前两个最大的极值对应的/>、/>，作为幅度最大的两号简正波对应的特征频散常数。

具体地，基于下式确定幅度最大的两号简正波的水平波数差：

。

进一步地，通过以下步骤计算幅度最大的两号简正波的互相关成分的功率谱密度：

S31，基于下式对进行重采样，得到消频散的接收信号/>：

,

其中，为时间变量，/>为接收信号频谱的中心频率；

S32，从中确定幅度最大的两号简正波的幅值/>、/>；

S33，基于下式计算幅度最大的两号简正波的消频散反变换重构信号：

；

S34，从的自相关函数中截取最大值右侧第一个极小值以外的部分进行功率谱密度计算，得到幅度最大的两号简正波的互相关成分的功率谱密度/>。

具体地，基于下式进行声强消频散变换：

，

其中，为声强消频散变换的自变量，/>为声强消频散变换的结果。

进一步地，步骤S5具体为：

从中搜索满足下式的/>作为浅海声源距离的估计值：

。

优选地，所述浅海声源为脉冲声源。

优选地，所述波导特征参数为波导不变量。

本申请提供的应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法，首先对接收信号进行声压消频散变换，以消除多模态信号的频散，并提取出简正波的水平波数差，然后分别提取出各号简正波的相对幅度和相位，并通过重构只含有两号简正波的能量的信号提取出重构信号中各号简正波的互相关信息，最终利用水平波数差和互相关成分的功率谱密度进行声强消频散，估计目标距离，通过上述技术方案，能够在现有消频散变换结果的基础上有效增加所提取的与声源距离相关的信息，从而仅通过单水听器即可环境自适应地完成声源测距，且不需要依赖任何先验的环境参数知识。

附图说明

图1为一个具体的接收信号的时域波形图；

图2为对图1所示的接收信号进行消频散变换的结果；

图3为图2中极值的周期性分布情况；

图4为根据本申请实施例提供的应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法的流程图；

图5为根据本申请实施例确定幅度最大的两号简正波对应的特征频散常数的示意图；

图6为根据本申请实施例提供的消频散的接收信号的波形图；

图7为根据本申请实施例提供的幅度最大的两号简正波的消频散反变换时域信号的波形图；

图8为根据本申请实施例提供的获取幅度最大的两号简正波的互相关成分的功率谱密度的示意图；

图9为根据本申请实施例提供的浅海声源距离的估计结果；

图10为根据本申请的一个具体实施例的浅海声源距离的估计结果；

图11为根据本申请的另一个具体实施例的运动浅海声源距离的估计结果。

具体实施方式

以下，基于优选的实施方式并参照附图对本申请进行进一步说明。

为了对本申请所提供的技术方案相对于现有技术的改进之处进行更加清晰的阐述，首先对浅海声源距离被动估计的现有技术手段进行说明。

图1为一个浅海声源所发射的水声信号经过浅海环境传播后被水听器所接收到的声压信号的时域波形，如图1所示，由于各号简正波的群速度不同，随着传播距离的增加，各号简正波对应的波包逐渐分离，即出现频散，且频散现象中蕴含着目标(即声源)的距离信息。

具体地，可以将浅海波导环境下的声压表达式表示为简正波叠加的形式：

(1)，

其中，为目标到声源的距离，/>为水听器的所处深度，/>为声源的所处深度，/>为角频率，/>为第/>号简正波的水平波数，/>为第/>号简正波的模态函数。

由(1)式可以看出，频散现象出现的原因在于，如果能够找到各号简正波的共同特征，则能够消除多号简正波的频散，并从中提取或估计出声源距离。为此，本申请发明人在2009年提出了水平波数/>与波导不变量/>在高频情况的近似解：

(2)，

根据(2)式，频散项可以表示为：

(3)，

其中、/>分别为距离变量和频散常数变量。

根据上述水平波数与频散项之间的关系，可以对水听器接收到的原始声压信号的频谱进行基于[,/>]的双参数消频散变换，将接收信号的频谱/>转换为消频散后的[/>,/>]域声压函数/>，进而通过在/>搜索极值得到水平波数。

具体地，基于[,/>]的双参数消频散变换表达式为：

(4)，

其中，为角频率，/>为接收信号的频谱，/>为浅海声速。

利用(4)式对图1所示的接收信号进行消频散变换的结果示于图2，其中每个坐标点[,/>]处的值为该点处/>的幅值。

图2所示的的幅值结果中，每一组倾斜的亮线中均包含/>束亮线，对应了/>号简正波。如图2，当/>时，各号简正波均是最大值，此时对于/>轴，其/>个极大值对应的横坐标点满足/>，即能够用于求解水平波数的特征频散常数。

进一步地，可以利用水平波数差与波导不变量之间关系的近似公式，通过上述搜索得到的特征频散常数得到水平波数差：

(5)。

采用上述技术手段，虽然可以通过消频散变换求解水平波数差，然而在对声源距离进行估计时，仍然存在以下挑战：

首先，由于声源消频散处理的时域信号是离散的，根据傅里叶变换的相关理论可知，其在r域将出现周期解，正如图2所示，消频散变换后的声压函数出现多组亮线，并导致了各组亮线中的极值呈现如图3所示的周期性分布。由于在实际的声源距离估计情况中，发射时间与接收时间往往并不一致，因此一般不能直接将r域上出现的第一个峰值作为真实值。

其次，仅求得水平波数差，并不满足对声源距离的估计的信息量要求，因此，现有的技术手段一般还需要联合其他技术手段，例如引入关于浅海波导结构参数的先验信息，或者通过布设多个水听器构成的水听器阵，以满足对声源进行距离估计的信息量，然而上述手段不仅增加了数据获取的成本，也极大限制了采用消频散变换手段估计声源距离的方法在环境参数未知海域的应用。

通过对消频散变换的机理进行分析，申请人发现可以进一步从消频散变换结果中挖掘有效信息，并与现有的水平波数差结合，从而在无其他关于浅海波导环境的先验信息且不增加水听器数量的基础上，环境自适应地对浅海声源距离进行精确估计。

为此，发明人通过本申请提供一种应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法，图4示出了在一些优选的实施例中，该估计方法的流程图，如图4所示，包括以下步骤：

S5，从所述声强消频散变换的结果中估计浅海声源距离。

上述各个步骤中，首先通过S1、S2对单水听器接收的水声信号进行声压消频散变换，并从变换结果中搜索幅度最大的前两号简正波对应的特征频散常数；然后在步骤S3中分别利用幅度最大的前两号简正波的特征频散常数求取其水平波数差，以及求取这两号简正波的互相关信息，该互相关信息过滤了这两号简正波成分各自的直流信息而保留其相互之间的与距离相关的干涉信息；然后通过步骤S4联合上述幅度最大的两号简正波之间的水平波数差及互相关成分进行声强消频散变换，最终通过步骤S5从声强消频散变换的结果中估计出浅海声源距离。通过上述步骤，可以从原始接收信号的消频散变换结果中提取除水平波数差以外的不同简正波随距离变化的互相关成分信息，从而无需依赖其他声源或浅海环境参数的先验知识，仅通过单水听器的接收信号即可环境自适应地对声源距离进行被动估计，极大地拓展了浅海声源距离估计的适用条件。

以下分别对各步骤的具体实施方式进行详细说明。

A．声压消频散变换及特征频散常数的搜索。

在一些实施例中，步骤S1基于下式对单水听器的接收信号进行声压消频散变换：

,

在一些优选的实施例中，浅海声源为脉冲声源，其发射的水声信号为脉冲信号，对单水听器接收信号进行傅里叶变换得到后，可以根据其中心频率/>设定声压消频散变换的频率上下限，以提高处理速度。

对一个具体的单水听器的接收信号进行声压消频散变换的结果可参见图2，如上文所述，图2中包含沿轴周期性重复出现的多组倾斜亮线，每组倾斜亮线中的条数由简正波的数量确定。

在本申请的技术方案中，对于浅海声源距离的估计需要用到至少两个简正波的水平波数差及互相关成分信息，为了提高估计结果的精度，优选地，使用幅度最大的前两号简正波进行估计，为此，需要首先通过步骤S2在中搜索幅度最大的两号简正波(设其号数分别为/>)对应的特征频散常数/>、/>，在一些具体的实施例中，步骤S2包括以下步骤：

S21，在平面上搜索使/>的局部极值最大的/>；

上述局部极值的搜索可以通过本领域技术人员所知晓的各种二维网格搜索方法进行，图5示出了的水平轴线上/>的沿/>轴变化情况，可以从多个起伏包络中确定幅值最大的第/>个、第/>个包络，其峰值点对应的/>、/>即为幅度最大的第/>、号简正波对应的特征频散常数。

B．水平波数差及互相关成分的功率谱密度的计算。

通过上述步骤搜索确定、/>后，即可通过下式确定幅度最大的两号简正波的水平波数差/>：

。

S31，基于下式对进行重采样，得到消频散的接收信号/>：

,

其中，为时间变量，/>为接收信号频谱的中心频率。

图6示出了对图5的进行重采样所得到的/>波形，通过/>波形可以看出，对声压信号进行消频散变换并进行时间重采样后，可以得到在时间刻度上，可以清楚的读出各号简正波的到达时刻。

S32，从中确定幅度最大的两号简正波的幅值/>、/>。

。

上述步骤中S32至S34中，首先提取幅度最大的第、/>号简正波的幅值，然后利用其进行消频散反变换，以重构仅包括幅度最大的第/>、/>号简正波成分且重新叠加第/>、/>号简正波频散特征的时域信号/>，如图7所示，此时得到的/>已将其他号简正波信息作为干扰项滤除，最后通过步骤S34对/>的自相关函数进行直流成分的过滤，仅保留其互相关项，且该互相关项仅由/>、/>号简正波随距离的变化程度决定，其物理含义具体分析如下：

对于仅包含两号简正波成分的信号，在浅海理想波导环境下，其声强的表达式为:

，

其中，声强表达式的前两项分别为、/>号简正波各自的声强信息，即代表了对整体声强贡献的直流信息，第三项/>、/>号简正波之间的互相关项，其取值由/>、/>号简正波随距离的变化而变化。

为了提取互相关项，可以先计算重构信号的自相关函数，然后保留最大值右侧第一个极小值点右侧的数据(例如,保留图8中三角的右侧数据)，这些数据反映了信号互相关的强度，对这段信号求功率谱密度，由于重构信号中只含有两号简正波，因此/>可以表达为

，

可见，通过上述步骤，能够从单水听器声压信号的消频散变换结果出发，进一步提取其中与声源距离有关的信息。

C．声强消频散变换及距离估计。

通过步骤S3分别确定幅度最大的两号简正波的水平波数差与互相关成分的功率谱密度后，即可在步骤S4中基于下式进行声强消频散变换：

，

图9示出了通过上述步骤获得的声强消频散变换的结果(即图中的预测曲线)，从图9可以看出，相较于图2、图3的声压消频散变换结果，在加入不同简正波互相关成分信息后所构造的声强消频散结果，消除了首发时间不同步造成的周期解，从而可以唯一地确定浅海声源距离的估计值。

最后，在步骤S5中，从中搜索最大值，将其对应的/>作为浅海声源距离的估计值：

。

通过上述步骤得到的浅海声源距离的估计值及真实距离同样显示于图9。

以上是对本申请所提供的应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法的具体实施方式的说明，需要指出的是，在该估计方法中，步骤S1所进行的双参数消频散变换，其中并不需要严格地取波导不变量的值，而仅需根据所应用环境基于经验值进行设置即可，这是由于当/>取值相比于真实的波导不变量改变了/>时，/>相对于其真实值同样会做出相应改变即/>，如果将/>视为估计波导不变量的误差，则此误差可通过改变/>来补偿，因此对最终的结果影响较小。由此可见，本申请所提供的方法能够有效地放宽对应用条件的限制，从而进一步拓展了其适用场景。

具体实施例1

本实施例对黄海北部某浅海海域的水声实验数据进行处理，其中该海域水深17-18米，水体声速上下差别不大，可近似为等声速层；声源布放于水面下11.5米，发射中心频率820Hz，带宽200Hz的m序列信号，接收船布放垂直阵与声源距离5海里。

使用本申请提供的应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法对实验数据进行处理，声源距离估计结果见图10，如图所示，估计距离 9.53km，真实距离 9.26km，相对误差 2.83%，绝对误差 0.27km。

具体实施例2

本实施例对黄海北部某浅海海域的水声实验数据进行处理，其中实验海域水深36-40米，水体声速分布为典型单跃层剖面，采用接收船抛锚，发射船行驶，约每 5 海里发射宽带信号的方式进行实验。

使用本申请提供的应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法对实验数据进行处理，图11示出了对各次发射信号时声源距离的估计结果，作为对比，同时示出了对应的真实距离。

如图11所示，各次发射宽带信号的真实距离分别为9.26km，18.52km，27.78km，37.04km，55.56km，估计距离分别为7.91km，19.21km，27.96km，38.3km，55.23km，估计距离与真实距离的相对误差分别为14.58%，3.73km%，0.64%，3.40%，0.56%。

以上对本申请的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本申请权利要求的保护范围。

Claims

1.一种应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S5，从所述声强消频散变换的结果中估计浅海声源距离；

基于下式对单水听器的接收信号进行声压消频散变换：

其中，γ′、r′分别为声压消频散变换的频散常数变量和距离变量，p(γ′，r′)为声压消频散变换后的声压函数，ω为角频率，P(ω)为接收信号的频谱，β为波导特征参数，c₀为浅海声速；

步骤S2进一步包括以下步骤：

S21，在(γ′，r′)平面上搜索使p(γ′，r′)的局部极值最大的r_match；

S22，在r′＝r_match上搜索P(γ′，r_match)的前两个最大的极值对应的γ_m、γ_n，作为幅度最大的两号简正波对应的特征频散常数；

基于下式确定幅度最大的两号简正波的水平波数差Δk_mn：

Δk_mn＝(γ_n-γ_m)ω^-1/β；

通过以下步骤计算幅度最大的两号简正波的互相关成分的功率谱密度D(w)：

S31，基于下式对p(γ′，r_match)进行重采样，得到消频散的接收信号P(t，r_match)：

其中，t为时间变量，ω₀为接收信号频谱的中心频率；

S32，从P(t，r_match)中确定幅度最大的两号简正波的幅值A_m、A_n；

S33，基于下式计算幅度最大的两号简正波的消频散反变换重构信号S_r(t)：

S34，从S_r(t)的自相关函数中截取最大值右侧第一个极小值以外的部分进行功率谱密度计算，得到幅度最大的两号简正波的互相关成分的功率谱密度D(ω)；

基于下式进行声强消频散变换：

其中，r″为声强消频散变换的自变量，R(r″)为声强消频散变换的结果；

步骤S5具体为：

从R(r″)中搜索满足下式的r″_best作为浅海声源距离的估计值：

R(r″_best)＝max[R(r″)]。

2.根据权利要求1所述的应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法，其特征在于：所述浅海声源为脉冲声源。

3.根据权利要求2所述的应用消频散变换的浅海声源距离环境自适应估计方法，其特征在于：所述波导特征参数为波导不变量。