基于不同号简正波到达时间差的北极双声道水下宽带脉冲声源距离估计方法与流程

本发明涉及声纳定位，尤其是涉及一种基于不同号简正波到达时间差的北极双声道水下宽带脉冲声源距离估计方法。

背景技术：

1、随着近几十年来北极海冰的逐渐减小，北极航道由于其经济性逐渐成为一个重要的航道选择。由于太平洋与北冰洋的连接的地理独特性，白令海峡、楚科奇海、楚科奇海台成为由太平洋扇区进入北冰洋的必经海域。近几十年来由于北极环境经历了剧烈变化，在楚科奇海台、加拿大海盆等海域在深海表层水层中出现了独特的双声道现象,在该独特双声道下的声传播，当声源深度位于50m到200m的声道内，声信号与海面的冰水界面作用较少而具有较小的反射衰减从而可以远距离传播，该现象有利于声纳的远距离探测，目前已经有专门的北极双声道声传播实验开展实验研究，但现有的研究主要集中在声传播损失随声源深度、声源频率的变化趋势上，并没有基于水声研究中的宽带脉冲声信号在该双声道下的声传播效应开展深入研究，特别是在声信号时频精细结构上。

2、由于北极含有丰富的石油天然气等矿产资源，国际上多个国家常年在每年的夏季无冰区开展基于气枪等设备开展地震勘探实验。对于常见的普通深海海域，由于深海声道声传播的特性，气枪信号由于较浅的深度而与海底发生多次作用而无法远距离传播。但是在北极的深海声速剖面环境下，较小掠射角的气枪信号可不与海底发生作用而可远距离传播，同时由于气枪较浅的深度而可以激发每号简正波的高频部分，因此气枪信号是研究北极声传播特性的良好声源。但目前对于北极的气枪信号，主要是利用气枪信号的强度开展声传播损失随距离的变化规律，而没有对气枪信号的精细时频结构开展进一步分析，这其中包含了丰富的北极声信道信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术研究存在的上述问题，根据北极双声道下的宽带脉冲声信号的声传播特性，提出一种基于不同号简正波到达时间差的北极双声道水下宽带脉冲声源距离估计方法。

2、本发明包括在北极双声道海域深海表层深度布放单水听器采集远距离声传播信号、采集双声道全水声声速剖面基于简正波声场模型计算各号简正波高频部分等效群速度、基于各号简正波等效群速度计算各号简正波到达时间差随传播距离的变化曲线、基于实测远距离传播宽带脉冲声信号的时域波形包络估计各号简正波高频部分到达时刻、实测各号简正波到达时间差与简正波声场模型计算结果进行匹配获得声信号的传播距离估计。

3、本发明具体包括以下步骤：

4、1)在北极双声道海域利用实验船布放水声信号采集系统组成的锚系潜标系统用于远距离声信号采集，其中水听器接收深度设置在表层海水中，同时在船上利用声速剖面仪采集全水声声速剖面，特别是表层声速剖面需要精确采集；

5、2)对于双声道海域采集的全水深声速剖面，利用简正波声场计算模型计算前三号简正波在40hz到90hz的频率范围内群速度随频率的变化曲线，其中假定海深固定不变为2000m，对于第一号简正波取该频率范围内的群速度最大值作为第一号简正波的等效群速度，对于第二号简正波取该频率范围内的平均群速度作为第二号简正波的等效群速度，对于第三号简正波取该频率范围内的群速度最小值作为第三号简正波的等效群速度，之后，根据一二号简正波的等效群速度计算一二号简正波到达时间差随传播距离的变化曲线，根据二三号简正波的等效群速度计算二三号简正波到达时间差随传播距离的变化曲线；

6、3)对声信号采集系统中采集到的北极双声道海域远距离传播的宽带脉冲声信号，开展时域波形分析和时频分析，对时域波形开展带通滤波、希尔伯特变换等操作获得声信号的时域波形包络，对接收声信号开展时频分析确定声信号中的前三号简正波的频散曲线，同时在对应时域波形包络中确定前三号简正波的到达时刻；对于有明显三号简正波的情况，第一号简正波到达时刻为最早到达的脉冲峰值时刻，第二号简正波到达时刻为中间的峰值脉冲时刻，第三号简正波到达时刻为最后的峰值脉冲时刻；对于只有一二号简正波的情况，第一号简正波到达时刻为最早到达时的脉冲峰值时刻，第二号简正波到达时刻为最后的峰值脉冲时刻；之后，根据前三号简正波到达时刻计算一二号简正波到达时间差、二三号简正波到达时间差；

7、4)利用本发明实测信号中得到的一二号简正波到达时间差、二三号简正波到达时间差，与声场计算模型计算得到各号简正波到达时间差随距离变化曲线进行匹配，获得对于北极双声道下宽带脉冲声信号的声源距离估计结果。

8、本发明在北极双声道海域布放声信号接收采集设备，接收深度设置在表层深度，在实验海域采集全海深的精细声速剖面，基于简正波声场计算模型计算低频段的前三号简正波的群速度，并基于频散结构特点获得前三号简正波的等效群速度，从而获得前三号简正波到达时间差随距离的变化曲线；对于实验采集到的宽带声信号，由于北极双声道的特性，相对高频段呈现简正波频散曲线交叉的独特现象，通过对声信号的带通滤波、希尔伯特变换等获得声信号的时域波形包络，之后根据声信号特点，分别提取出前三号简正波的等效到达时间，从而获得前三号简正波的到达时间差，最后与提前仿真得到的简正波到达时间差随距离的变化曲线进行匹配，从而获得水下宽带声源的传播距离的估计。利用单个水听器即可实现北极双声道水下宽带脉冲声源距离估计；不受声传播路径上的浅海底山地形影响，不需要具备完整的北极深海声道，只取决于北极表层海水声速剖面；只适用于具有双声道的北极海域，主要包括楚科奇海台海域和加拿大海盆海域；受北极表层双声道声速剖面的时空变化影响较大，双声道的变强或者变弱甚至消失都会对距离估计结果产生较大影响。

9、与现有方法相比，本发明具有如下优点：

10、1)利用单水听器采集声信号的时域波形就可以估计北极双声道下的远距离传播的声源距离，不需要大规模的水听器阵列；

11、2)可以不受深海浅海底山对简正波低频部分遮挡效应的影响，即当接收宽带声信号不具备完整简正波频散结构时该方法依然适用。

技术特征：

1.基于不同号简正波到达时间差的北极双声道水下宽带脉冲声源距离估计方法，其特征在于包括以下步骤：

技术总结
基于不同号简正波到达时间差的北极双声道水下宽带脉冲声源距离估计方法，涉及声纳定位。利用北极双声道海域实测的双声道声速剖面，利用简正波声场计算模型计算各号简正波不同频率下的群速度，根据双声道声速剖面下形成的频散结构交叉特点计算各号简正波的等效群速度，得各号简正波到达时刻随传播距离的变化情况，对于实际海上实验采集的远距离传播的宽带脉冲声信号，通过带通滤波、希尔伯特变换等结合其频散结构特征得各号简正波到达时刻的估计，得各号简正波到达时间差，与模型仿真计算估计结果匹配获得声信号的声源距离估计。不需大规模同步水听器阵列，也不需匹配场方法的大规模声场计算，不受浅海底山影响，海底地形复杂变化的条件下也适用。

技术研发人员：翁晋宝,戚聿波,杨燕明,文洪涛,周鸿涛
受保护的技术使用者：自然资源部第三海洋研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17