[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

本發明涉及一種基于模態相位的單水聽器低頻寬帶匹配場測距方法，在海底地形和聲速剖面已知情況下，基于模態相位的穩健高效單水聽器匹配場測距方法(MP?MFP)，MP?MFP僅需要搜索縱波速度和收發水平距離兩個參數，因而具有較高的計算效率。此外，由于僅考慮模態相位而忽略模態幅度，MP?MFP對噪聲的抑制能力略有犧牲，但其對環境失配的容忍度顯著提升，因而更加實用。

技術領域

本發明屬于水聲信號處理方法，涉及一種基于模態相位的單水聽器低頻寬帶匹配場測距方法。涉及水聽器(水中使用的聲電換能器)接收聲壓信號的處理，特別涉及一種利用單個水聽器接收寬帶聲壓信號進行測距的匹配場方法。

背景技術

在實際需求的推動下，在海洋中，如何定位水中聲源一直是研究熱點。因成本優勢及某些特殊應用場景的需求，單水聽器定位受到了持續而廣泛的關注，并在矢量聲場定位、海洋哺乳動物叫聲定位、地聲參數反演等多個方面獲得應用。

單水聽器定位中，一種經典的定位方法是匹配場。由于水聲傳播的復雜特性，當前聲場模型只能依據環境參數預測信道特性及接收波形，而無法依據接收波形反向計算環境參數。因此，1976年Bucker提出，將聲源位置作為參數，利用聲場模型預測不同聲源位置條件下的接收聲壓作為拷貝場，通過遍歷所有可能的聲源位置，找到使得拷貝場與測量場之間匹配程度最高的聲源位置，即為對測量場聲源位置的估計，這就是著名的匹配場定位技術(Bucker,Homer P.Use of calculated sound fields and matched-field detectionto locate sound sources in shallow water[J].The Journal of the AcousticalSociety of America,1976,59(2):368.)。1990年，Frazer對單水聽器的寬帶聲壓匹配場定位方法做了較為詳細的討論(Frazer L N,Pecholcs P I.Single-hydrophonelocalization[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1990,88(2):995–1002.)。由于海洋環境變化可通過聲場模型反映在拷貝場之中，理想地，匹配場技術可適應任何復雜海洋環境。

在實際應用當中，計算效率低下和環境失配時穩健性較差一直是困擾匹配場定位的難題。聲場模型通常使用幾何環境參數(聲源深度、接收深度、收發水平距離)、海水環境參數(聲速剖面、海水深度)和海底環境參數(地聲參數及分層結構)三類共十余個參數表征實際復雜海洋環境。除海水環境參數可通過現場測量或歷史數據獲取外，幾何環境參數和海底環境參數通常未知。由于環境參數之間互相耦合，即使用戶只關心幾何環境參數(即聲源位置信息)，計算中也必須搜索最佳的海底環境參數以保證定位結果的穩健性。搜索海底環境參數極大地增加了匹配場定位過程中的計算量，即使借助遺傳算法、貝葉斯優化等優化算法降低計算量，在普通的計算機上完成一次寬帶匹配場定位可能仍然需要花費數個小時。如果進一步考慮距離有關環境下的聲傳播，匹配場定位的計算量將進一步增加。