一种浅海宽带声源测距方法、介质及系统

本发明属于声源测距，具体而言，涉及一种浅海宽带声源测距方法、介质及系统。

背景技术：

1、在复杂的海洋环境中，特别是浅海水域，波导特性受到气候变化、声速分布不均等多元因素的影响，表现为一个时空动态变化的复杂声学传输通道。这一现象给准确和实时地获取并解析环境参数带来了极大的挑战，不仅耗时冗长，而且需要投入大量的人力物力资源。传统的声源测距方法，诸如匹配场处理技术和虚拟时间反转技术，其有效性和准确性高度依赖于精确无误的环境参数设定以及细致详尽的声场模型构建。然而，在实际应用中，由于环境参数的复杂多变性，这些方法的性能往往会遭受显著折损。

2、近年来，随着对宽带信号频散特性的深入探索和研究，一种基于模态信息的新一代测距技术逐渐崭露头角，并在诸多领域中得到了广泛应用。这类技术大致可以分为两大类别：第一类是通过对信号进行时频分析，分离并提取各阶主导模态信息，然后依据匹配到的模态特征来进行精确测距。但该方法存在一定的局限性，即当水体环境出现温跃层结构时，各阶模态间的相互作用会在时频域产生交叉干扰效应，进而导致测距精度急剧下滑。

3、第二类则是利用距离-频率域内的模态相干叠加原理，通过观察干涉条纹的形态和分布来实现目标测距。这种方法巧妙地利用了波导内在的物理特性，但在实际应用上具有一定的条件约束，主要适用于声速均匀稳定的等声速波导环境。同时，该方法的有效实施还需要预先掌握与特定波导环境密切相关的不变量参数，这无疑在一定程度上限制了它在更为复杂多变的实际应用场景中的普适性和灵活性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供的一种浅海宽带声源测距方法、介质及系统，基于模态相位补偿技术，摒弃了传统方法对于环境先验信息的依赖，不要求声速剖面恒定，计算方便快捷。

2、本发明是这样实现的：

3、本发明的第一方面提供一种浅海宽带声源测距方法，其中，包括以下步骤：

4、s10，在海底底部布放一条平行于海平面的水平线列阵进行观测；

5、s20，对接收到的宽带信号进行多频点划分，得到频点信号；

6、s30，对各个所述频点信号进行空域傅里叶变换，得到各频点信号的水平波数幅度谱；

7、s40，将所述水平波数幅度谱中各模态能量大小与水平波数值的估计精度相联系，得到模态能量占比；

8、s50，设置模态能量占比阈值，筛选出所述频点信号的水平波数有效值；

9、s60，判断所述水平波数有效值所对应的模态符号，利用所述水平波数有效值和所述模态符号，得到所述频点信号的距离模糊函数；

10、s70，将所述距离模糊函数求和平均取模值，获得宽带声源的距离模糊函数，峰值处对应的距离即为估计的宽带声源距离。

11、本发明提供的一种浅海宽带声源测距方法的技术效果如下：由于水平线列阵孔径有限，水平波数幅度谱中各模态会出现能量泄露现象，对于能量较小的模态干扰较大，会影响其水平波数估计精度，从而引入较大的模态相位误差。为了获取较为准确的水平波数值，定义模态能量占比，通过设置合适的模态能量占比阈值筛选出各频点信号中能量较大的模态所对应的水平波数值，并将筛选出的水平波数值定义为水平波数有效值。

12、在上述技术方案的基础上，本发明的一种浅海宽带声源测距方法还可以做如下改进：

13、其中，所述s10步骤具体包括：

14、所述水平线列阵接收远场宽带信号；

15、根据简正波理论，点声源激发的声场在远场用简正波表示为：

16、；

17、式中，表示声源与远场之间的信道传递函数；表示声源频率；表示声源与接收阵列之间的水平距离；和分别表示声源深度和接收阵列深度；表示水体密度；表示该环境下单频声源激发的模态阶数；和分别表示第阶模态的模态函数和水平波数值；为虚数单位；

18、布放在深度处的元水平线列阵中第个阵元与远场声源间的水平距离表示为：

19、；

20、式中，表示声源中心与第1号阵元间的水平距离；表示声源中心与第1号阵元和第n号阵元之间的水平距离差值，表示阵元间距，表示声源方位。

21、根据所述声源与远场之间的信道传递值，计算水平线列阵接收数据、声源辐射信号和背景噪声，其中，定义单频点信噪比为单阵元上的接收信号能量与噪声功率之比。

22、进一步的，所述s20具体步骤包括：

23、第次频域快拍下水平线列阵的接收宽带信号为：

24、；

25、式中，表示频域快拍，、和均为维列向量，分别表示第次频域快拍下的声源辐射信号、水平线列阵接收数据和接收噪声；表示各频点信号的频谱；表示频点个数；

26、所述第次频域快拍下的水平线列阵接收噪声为空间白噪声，服从，其中表示单个阵元上的噪声功率，表示维的单位矩阵；

27、定义单频点信噪比为单阵元上的接收信号能量与噪声功率之比，其分贝表示形式为：

28、；

29、式中，表示向量范数。

30、进一步的，所述s30步骤具体包括：

31、对所述频点信号进行空域傅里叶变换得到各频点信号的水平波数幅度谱：

32、；

33、式中，表示离散水平波数；为维列向量，表示空域加权系数，上标表示转置；表示个频域快拍平均；上标表示共轭转置；

34、；

35、表示第阶模态幅度；表示各频点信号水平波数幅度谱的背景噪声。

36、进一步的，所述s40~s50具体内容包括：

37、定义模态能量占比：

38、；

39、式中，表示水平波数幅度谱中前个幅度最大值对应的模态阶数；设置模态能量占比阈值为，若，则定义此为水平波数有效值，记为。

40、进一步的，所述s50步骤还包括：

41、筛选出的阶模态的水平波数有效值与阶模态中前阶模态的水平波数值相等，即；

42、定义维的模态域波束形成加权矩阵：

43、；

44、对相应频点的接收数据进行模态域波束形成可得：

45、；

46、式中，和均为维列向量，分别表示第次频域快拍下各频点信号进行模态域波束形成的输出值和背景噪声。进一步的，所述s60步骤具体为：

47、利用所述频点信号的水平波数有效值构建所述频点信号的模态域波束形成加权矩阵，通过对所述频点信号进行模态域波束形成，获得模态域波束输出结果；

48、判断所述水平波数有效值所对应的模态符号，利用所述频点信号的水平波数有效值和模态符号构建所述频点信号的模态相位加权向量，对所述模态域波束输出结果进行相位补偿，得到所述频点信号的距离模糊函数。

49、进一步的，所述s60~s70步骤包括：

50、定义模态幅度符号为：

51、；

52、利用阶模态的水平波数有效值定义维的模态相位加权向量：

53、；

54、式中，表示搜索距离；

55、对所述模态域波束输出结果进行相位补偿，构建距离模糊函数：

56、；

57、式中，表示各频点信号距离模糊函数的背景噪声；

58、通过信号带宽平均增强主瓣项，抑制旁瓣项，此时宽带声源的距离模糊函数为：

59、；

60、则宽带声源距离估计结果为：。

61、本发明的第二方面提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质内存储有程序指令，所述程序指令运行时，用于执行上述的一种浅海宽带声源测距方法。

62、本发明的第三方面提供一种浅海宽带声源测距系统，其中，包括上述的计算机可读存储介质。

63、与现有技术相比较，本发明提供的一种浅海宽带声源测距方法、介质及系统的有益效果是：针对浅海环境参数未知时的应用场景，根据模态的相位分量仅随声源距离和水平波数变化而与其它参数无关的特性，本发明提出了一种基于模态相位补偿的宽带声源测距方法。所提方法直接对水平阵观测数据进行空域傅里叶变换获得水平波数幅度谱，根据模态能量占比定义水平波数有效值，通过模态域波束形成分离出水平波数有效值所对应的模态分量，进一步对分离模态进行相位补偿处理达到相干叠加的目的，从而获得距离峰值。该方法无需环境先验信息，不要求声速剖面恒定，计算方便快捷，在信噪比较低时具有一定的稳健性。