[發明專利]遠近場過渡區間聲源定位方法

有效

• 申請號: 202010219550.8
• 申請日: 2020-03-25
• 公開（公告）號: CN111323752B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 李秀坤;王集;于歌;董建維
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01S5/18
• 分類號: G01S5/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種遠近場過渡區間聲源定位方法，解決聲源處于遠場和近場過渡距離上的高精度定位問題。本文首先分析了聲源處于過渡距離上聲源定位誤差大的原因，然后針對空間中每個點都仿真產生陣列接收信號，計算接收信號的相關矩陣作為輸入數據，將對應點的坐標作為標簽，構建數據集。利用殘差神經網絡學習從相關矩陣到坐標的非線性映射關系，從而可以將神經網絡作為處于過渡區間的聲源位置估計器，最終實現介于遠場和近場之間過渡區間的聲源高精度定位。

技術領域

本發明涉及一種聲源定位技術，尤其涉及一種遠近場過渡區間聲源定位方法，屬于水聲陣列信號處理領域。

背景技術

水下聲波是目前已知唯一能夠在海洋中進行遠距離傳播的手段，因而水聲領域通常借助聲波完成目標探測、識別、成像、遠場定向和近場定位等功能。為了實現對目標的定位、定向等功能，或者為了提高信噪比，水聲領域常常使用多個傳感器，組成接收陣列。當存在多個傳感器接收聲信號時，根據傳感器接收處聲線的特征，現有的技術通常將陣列信號處理分為兩種：當目標與接收陣距離遠大于陣列孔徑時，認為聲波按照平面波規律傳播；當目標與接收陣距離較近時，認為聲波按照球面波的規律傳播。前者允許利用陣列接收信號估計目標所在方向，后者允許利用陣列接收信號估計目標位置。目前兩種情況都存在成熟的解決方法。

聲波從一點向四周傳播，在不考慮聲源指向性的情況下，波陣面呈球面向四周擴散。當接收陣列距離聲源相當遠時，聲波到達每個陣元的幅度差和入射角的差異很小，甚至可以忽略不計，這時將聲波看作平面波，聲波到陣列中每個陣元的入射角相等。這種情況被稱為“遠場模型”。在遠場模型中，接收陣列接收到的聲信號已經不包含距離信息，被廣泛研究的是聲波波達方向估計。常見的波達方向估計包括波束形成方法和直接空間譜估計方法。波束形成方法一般通過對每個陣元添加一定的時延或者相移，然后進行加權疊加作為輸出波束。添加的時延和相移則實現了陣列的電子旋轉，將陣列能量最大的方向指向某個方向，即加強一個方向上入射信號的能量，抑制其他方向上入射信號的能量。這種方法得到的結果被稱作波束。計算指向不同方向上波束的能量，即可得到空間譜。當陣列電子旋轉的角度與平面波入射方向重合時，波束能量達到最大值，此時空間譜也達到最大值。因而，尋找空間譜的峰值即可得到入射信號的入射方向。直接空間譜估計方法跳過了計算波束這個步驟，直接計算接收信號的空間譜。在信號入射的方向上，空間譜取得最大值。這兩種方式雖然不同，但二者使用的基本假設時相同的：即，假設入射信號為平面波，對每個陣元來說，入射信號的入射角度均相同。在此假設下，直線陣接收信號數據模型為：

x_i(t)＝s(t-τ_i)

τ_i＝D_isin(θ₀)/c

其中，s(t)為入射信號，x_i(t)為第i個通道的接收信號，τ_i為第i個陣元相對于參考陣元接收信號的時延，c為水中聲速，當水中鹽度、溫度、深度等參數相同時，該數值為常數，θ₀為目標所在方向，D_i為第i個陣元相對于參考陣元的距離。

當聲源距離與陣列長度數值相差不大時，球面波擴展規律變得明顯，每個陣元入射聲波的入射角度都不相同，此時稱為“近場模型”。在近場模型中，若繼續使用平面波入射模型對其進行近似，則將帶來較大誤差。所以，此時的陣列接收信號模型應當按照球面波擴展規律建立。早期的近場源定位方法常采用近場聚焦波束形成，根據幾何關系精確計算各陣元與參考陣元之間的時延，采用各陣元接收信號同相疊加增益最大、反相疊加互相抵消的原理，對近場聲源進行定位。這種方法實現簡單，具有較高魯棒性。與遠場測向算法相比，近場定位理論起步較晚。經過十余年的發展，大量優秀的算法和研究成果涌現出來，但基本原理都是假設聲波按照球面波擴展的規律傳播，因而按照球面波傳播規律計算信號之間的相對時延或者相移是這種方法的本質特征。在球面波傳播模型下，直線陣接收信號模型表示為