[發明專利]基于時頻分布相關的水下瞬態聲源深度距離估計方法

在審

• 申請號: 202110301766.3
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113093195A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 韓東;魏尚飛;楊美嬌;叢蓉;孫杜娟;李利
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍大連艦艇學院
• 主分類號: G01S15/08
• 分類號: G01S15/08;G01S15/88
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

本發明屬于信號與信息處理技術領域，公開了基于時頻分布相關的水下瞬態聲源深度距離估計方法。利用簡正波在距離上的頻散特性和深度上模態振幅的分布，通過對接收信號的時頻表示提取聲源的深度和距離信息，最后對實際接收信號的時頻分布與模擬接收信號的時頻分布圖作相關實現對聲源的深度距離估計。對時頻分布圖作相關時，利用向量相關方法間接相關時頻分布圖對目標定位。利用向量化時頻矩陣向量的信號子空間代替向量化時頻矩陣向量與接收信號向量化時頻矩陣的噪聲子空間作相關對目標定位。直接求取實際接收信號和模擬接收信號原始時頻矩陣的協方差矩陣，分別計算其噪聲子空間和信號子空間，對以上兩種子空間作相關實現聲源深度距離估計。

技術領域

本發明屬于信號與信息處理技術領域，特別涉及到一種利用水聽器接收瞬態信號時頻分布估計水下目標深度和距離的方法，適用于聲納信號處理。

背景技術

水下目標深度距離估計，一直是水聲學領域的一個關鍵問題。根據水聲傳播的簡正波理論，聲源在水下會激發多階模態，接收點處的聲壓由各階模態疊加而成，而聲源深度信息和距離信息就包含于接收信號之中。同時，由于簡正波為頻散波導，各階簡正波在傳播過程中會產生模間頻散和模內頻散，將接收信號表示在時頻分布圖上可觀察到這種現象。頻散程度與聲源和接收端的相對距離有關，各階模態在接收端的振幅與聲源激發的模態幅度直接相關。

關于時頻分布技術可參考文獻《Source depth estimation using modaldecomposition and time-frequency representations》，其中有關于簡正波理論與時頻分析的相關理論。

假定聲源位于水下某距離和深度處，則此位置激發的模態到達接收端，所呈現出的時頻分布結果，與實際接收信號的時頻分布結果相關性強。而其它距離和深度的位置，如果有聲源，到達接收端所呈現出的時頻分布結果，與實際接收信號的時頻分布結果相關性弱。因此，可以以此作為依據，選擇合適的算法，以相關性強弱實現水下目標深度距離估計。

發明內容

本發明為了能同時確定水下聲源的深度和距離，提供了一種基于時頻分布相關的水下瞬態聲源深度距離估計方法。利用簡正波在距離上的頻散特性和深度上模態振幅的分布，通過對接收信號的時頻表示提取聲源的深度和距離信息，最后對實際接收信號的時頻分布與模擬接收信號的時頻分布圖作相關實現對聲源的深度距離估計。

水下瞬態聲源在水下激發出不同階次的模態，各階模態的振幅與聲源的深度有關，聲波以各階模態所對應的波向遠處傳播。同時，經聲場傳播之后，各階模態具有不同的速度，導致在接收端會出現頻散現象，從低到高的各階模態傳輸速度逐漸變慢，導致第一階模態最先到達，其它各階模態傳輸速度相對變慢，依次到達。隨著收發兩端相對距離的增大，模態之間的頻散現象越來越明顯。

利用接收瞬態信號的時頻分布，可以觀察到各階模態的分布情況，時頻分布圖中，模態的振幅和模態的頻散特性對于不同深度和距離的水下目標，呈現的時頻分布結果將有差異?？梢砸詴r頻分布的相關性，作為水下目標的定位標準。

本發明的技術方案是：

基于時頻分布相關的水下瞬態聲源深度距離估計方法，包括步驟如下：

步驟1：根據海洋環境模型對聲源目標區域進行網格化處理；

步驟2：計算接收信號；

根據簡正波理論，在深度z_s處寬帶聲源發射一個低頻寬帶信號，頻率帶寬為f₁～f₂，經過海洋波導傳播至距離r和深度z處對應的接收信號x(r,z,t)為：