[發明專利]一種自適應聲場調控的方法和裝置

有效

• 申請號: 202110311511.5
• 申請日: 2021-03-24
• 公開（公告）號: CN113099356B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 王健;馮萌馨
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H04R3/12
• 分類號: H04R3/12;G06K9/62;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 徐美琳

本發明公開了一種自適應聲場調控的方法和裝置，屬于聲場調控領域。方法利用神經網絡建立起輸出聲場與輸入聲場之間的復雜對應關系，利用輸入聲源自適應調控輸入聲場訓練神經網絡并獲得經過復雜過程后的特定目標輸出聲場。裝置包括輸入聲源、傳輸介質、聲場檢測模塊、神經網絡模塊，針對高斯聲源，進一步利用可重構的聲學元件替換陣列聲源實現從輸入普通高斯聲場到特定目標輸出聲場的自適應調控。本發明突破了傳統聲場調控技術的性能局限，通過陣列聲源、可重構聲學元件和神經網絡的結合為自適應靈活調控聲場提供了全新的思路，在基于復雜聲場調控技術的通信、傳感、測量、成像等領域有著廣泛的潛在應用前景，填補了聲場調控相關技術領域的空白。

技術領域

本發明屬于聲場調控領域，更具體地，涉及一種自適應聲場調控的方法和裝置。

背景技術

海洋覆蓋著地球三分之二的表面積，它是人類探索和研究的最前沿的領域之一。海洋不僅在國際商業和漁業中扮演重要的角色，而且還包含了氣候的信息，以及豐富的急待開采發的資源。隨著全球海洋活動的日趨頻繁和迅猛發展，發展現代海洋通信網絡與技術已成為我國學術界以及工業界的焦點問題。水下無線通信是海洋通信的關鍵技術，一般可以分為水下電磁波通信和水聲通信。海洋環境多變，電磁波(光波、射頻)信號因其高頻率在水下傳輸時由于衰減、散射和吸收等各種因素影響，其傳輸距離一般限制在較短距離(不超過200m)。目前，聲波成為水下長距離傳輸信息的最優方式。由于海洋環境復雜多變，聲場在傳輸過程中會由于經歷各種復雜的擾動而發生不同程度的扭曲和畸變，比如水中的懸浮物顆粒會散射聲場，水中的氣泡會擾動聲場，水下湍流和不均勻的梯度分布同樣會干擾聲場的傳輸，等等這些都會使得輸出聲場相比于輸入聲場產生較大的改變。輸入聲場是普通的高斯聲場，經過復雜過程后的輸出聲場其幅度和相位分布可能會變得雜亂無章，這些會對基于聲場的通信產生不利影響。除此之外，聲場還可以廣泛應用于傳感、測量和成像等多種應用中，復雜的海洋環境引起的聲場的擾動對這些應用都可能產生不利的影響。鑒于此，如何對聲場進行靈活的調控是聲場應用中亟需解決的關鍵技術。

值得注意的是，在基于聲場的通信、傳感、測量和成像應用中，傳統技術所使用的普遍都是高斯聲場，更多的是關注高斯聲場的頻率和幅度等參數維度，對于聲場的空間分布很少涉及。近年來，隨著光波空間維度資源的開發，特別是受啟發于具有空間螺旋相位結構分布且攜帶軌道角動量的渦旋光場，渦旋聲場也受到了人們廣泛的關注。更加一般地，隨著光場調控技術的快速發展，聲場調控技術也應運而生。這里的聲場調控技術旨在對聲場的空間幅度和相位分布進行剪裁，比如調控產生具有螺旋相位結構的渦旋聲場以及具有一般空間幅度和相位分布的結構聲場。在很多應用場合，已知的輸入聲場經過復雜過程之后其輸出聲場會變得雜亂無章，其中的復雜過程也不得而知，就像一個黑盒子，然而希望輸出的聲場是滿足某些應用需求的特定聲場，比如一個匯聚的高斯聲場或者渦旋聲場等具有特定空間幅度和相位分布的聲場，這就需要對聲場進行靈活調控。特別地，為了應對復雜多變的海洋環境，需要一種自適應的聲場調控技術，其對于靈活調控聲場并實際應用于先進的通信、傳感、測量和成像技術中具有重要研究意義和實用價值。

發明內容

本發明提供了一種自適應聲場調控的方法和裝置，旨在利用神經網絡建立起輸出聲場與輸入聲場之間的復雜對應關系，利用陣列聲源自適應調控輸入聲場訓練神經網絡并獲得經過復雜過程后的特定目標輸出聲場，構建自適應聲場調控的裝置，進一步利用可重構的聲學元件替換陣列聲源實現從輸入普通高斯聲場到特定目標輸出聲場的自適應調控，從而突破傳統聲場調控技術的性能局限，填補相關技術的空白。

為實現上述目的，按照本發明的一方面，提供了一種自適應聲場調控的方法，若干輸入聲場經過傳輸或變換得到對應的輸出聲場后，將這若干對已知的輸入聲場和輸出聲場作為訓練樣本集訓練神經網絡，其中輸出聲場為神經網絡的輸入，輸入聲場為神經網絡的輸出；

待神經網絡訓練好之后，將目標輸出聲場作為訓練好的神經網絡的輸入，此時神經網絡的輸出對應為獲得目標輸出聲場所需的輸入聲場，通過調控所需的輸入聲場，從而實現自適應聲場調控，得到目標輸出聲場。