[發明專利]一種基于模態相位的單水聽器低頻寬帶匹配場測距方法

在審

• 申請號: 202210234524.1
• 申請日: 2022-03-10
• 公開（公告）號: CN114720988A
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 楊益新;梁寧寧;周建波
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01S15/08
• 分類號: G01S15/08;G01S15/88;G06F17/15
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

1.一種基于模態相位的單水聽器低頻寬帶匹配場測距方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將接收水下聲源目標的聲音信號并轉換成電信號，電信號經過濾波放大后用數據采集儀器記錄該信號，同時記錄實測海洋環境中的聲速剖面和海底地形參數；

步驟2：通過傅里葉變換將接收到的時域信號變換到頻域，得到頻率為f時的測量聲壓p_mea(f)；不考慮噪聲，則海洋波導中的測量聲壓為：

p_mea(f)＝s(f)g_mea(f) (1)

式中s(f)表示發射信號頻譜；g_mea(f)表示實測的海洋波導格林函數。由于聲源位置信息僅包含在g_mea(f)中，因此將實測的海洋波導格林函數g_mea(f)作為測量場；

通過解卷積從p_mea(f)去除測量聲壓中發射信號頻譜，得到g_mea(f)：

式中，g_mea(f)表示測量場格林函數；*表示共軛；|·|表示取絕對值；∈取0.01max|s(f)|；

步驟3、確定測量場格林函數中主導模態的階數：

根據簡正波理論，格林函數由若干階模態組成：

式中M表示模態數量，a_m(f)和φ_m(f)分別表示第m階模態的幅度和相位；

步驟4、通過聲場模型計算拷貝場：

在拷貝場g_rep(f)中，令公式(3)中各階模態的幅度a_m(f)恒為1，

式中M′為步驟3中主導模態的階數；r表示聲源距離；k_m表示水平波數的實部，使用簡正波聲場模型計算；

海底環境參數只包含縱波聲速和密度兩項，根據Hamilton經驗關系，縱波聲速c_b與密度c_ρ有如下關系：

式中1.25g/cm³＜ρ_b＜2.10g/cm³，即密度和縱波聲速近似一一對應；

步驟5、計算縱波速度-距離模糊平面：

根據步驟2和步驟4獲得的拷貝場和測量場，計算縱波速度-距離模糊平面：

式中A(r,c_b)表示縱波速度-距離模糊平面；|·|表示取絕對值；||·||₂表示向量2范數；g_mea表示長度為N的測量場格林函數向量[g_mea(f₁) g_mea(f₂) … g_mea(f_N)]；g_rep(r,c_b)表示長度為N的拷貝場向量[g_pha(f₁；r,c_b) g_pha(f₂；r,c_b) … g_pha(f_N；r,c_b)]^T，N表示帶寬范圍內的頻率點數；

步驟6、估計聲源距離：縱波速度-距離模糊平面最大值所在的距離，即為聲源距離估計值，即

2.根據權利要求1所述基于模態相位的單水聽器低頻寬帶匹配場測距方法，其特征在于：在步驟6之前，檢查縱波速度-距離模糊平面是否存在計算錯誤，縱波速度和距離的范圍是否需要調整，主導模態的階數是否正確選擇，如有必要，重新執行步驟3到步驟5。