一种基于模态相位的单水听器低频宽带匹配场测距方法

1.本发明属于水声信号处理方法，涉及一种基于模态相位的单水听器低频宽带匹配场测距方法。涉及水听器(水中使用的声电换能器)接收声压信号的处理，特别涉及一种利用单个水听器接收宽带声压信号进行测距的匹配场方法。


背景技术：

2.在实际需求的推动下，在海洋中，如何定位水中声源一直是研究热点。因成本优势及某些特殊应用场景的需求，单水听器定位受到了持续而广泛的关注，并在矢量声场定位、海洋哺乳动物叫声定位、地声参数反演等多个方面获得应用。
3.单水听器定位中，一种经典的定位方法是匹配场。由于水声传播的复杂特性，当前声场模型只能依据环境参数预测信道特性及接收波形，而无法依据接收波形反向计算环境参数。因此，1976年bucker提出，将声源位置作为参数，利用声场模型预测不同声源位置条件下的接收声压作为拷贝场，通过遍历所有可能的声源位置，找到使得拷贝场与测量场之间匹配程度最高的声源位置，即为对测量场声源位置的估计，这就是著名的匹配场定位技术(bucker,homer p.use of calculated sound fields and matched-field detection to locate sound sources in shallow water[j].the journal of the acoustical society of america,1976,59(2):368.)。1990年，frazer对单水听器的宽带声压匹配场定位方法做了较为详细的讨论(frazer l n,pecholcs p i.single-hydrophone localization[j].the journal of the acoustical society of america,1990,88(2):995
–
1002.)。由于海洋环境变化可通过声场模型反映在拷贝场之中，理想地，匹配场技术可适应任何复杂海洋环境。
[0004]
在实际应用当中，计算效率低下和环境失配时稳健性较差一直是困扰匹配场定位的难题。声场模型通常使用几何环境参数(声源深度、接收深度、收发水平距离)、海水环境参数(声速剖面、海水深度)和海底环境参数(地声参数及分层结构)三类共十余个参数表征实际复杂海洋环境。除海水环境参数可通过现场测量或历史数据获取外，几何环境参数和海底环境参数通常未知。由于环境参数之间互相耦合，即使用户只关心几何环境参数(即声源位置信息)，计算中也必须搜索最佳的海底环境参数以保证定位结果的稳健性。搜索海底环境参数极大地增加了匹配场定位过程中的计算量，即使借助遗传算法、贝叶斯优化等优化算法降低计算量，在普通的计算机上完成一次宽带匹配场定位可能仍然需要花费数个小时。如果进一步考虑距离有关环境下的声传播，匹配场定位的计算量将进一步增加。
[0005]
bonnel将warping变换引入模态分离(也叫简正波分离)，实现了基于频散曲线的单水听器测距，由于该方法无需考虑声源深度，所以提高了测距的计算效率(bonnel j,thode a,wright d,et al.nonlinear time-warping made simple:a step-by-step tutorial on underwater acoustic modal separation with a single hydrophone[j].the journal of the acoustical society of america,2020,147(3):1897.)。但是研究表明，目前各种频散曲线提取方法均需要一定程度的人工辅助，且在近距离接收或低信噪
比等不利情况下提取频散曲线较为困难(liang n,yang y,zhou j,et al.a time-frequency analysis approach to dispersion curve estimation for single-hydrophone acoustic signals in shallow water[j].jasa express letters,2021,1(1):016005.)。因此，基于频散曲线测距的方法在应用中存在一定的不便利性。
[0006]
本发明提出了一种基于模态相位的稳健高效单水听器匹配场测距方法(mp-mfp)，可用于距离有关环境下快速、稳健地估计声源距离。


技术实现要素：

[0007]
要解决的技术问题
[0008]
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于模态相位的单水听器低频宽带匹配场测距方法，基于模态相位的稳健高效单水听器匹配场测距方法(mp-mfp)所采用的技术方案。
[0009]
技术方案
[0010]
一种基于模态相位的单水听器低频宽带匹配场测距方法，其特征在于步骤如下：
[0011]
步骤1：将接收水下声源目标的声音信号并转换成电信号，电信号经过滤波放大后用数据采集仪器记录该信号，同时记录实测海洋环境中的声速剖面和海底地形参数；
[0012]
步骤2：通过傅里叶变换将接收到的时域信号变换到频域，得到频率为f时的测量声压p
mea
(f)；不考虑噪声，则海洋波导中的测量声压为：
[0013]
p
mea
(f)＝s(f)g
mea
(f)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0014]
式中s(f)表示发射信号频谱；g
mea
(f)表示实测的海洋波导格林函数。由于声源位置信息仅包含在g
mea
(f)中，因此将实测的海洋波导格林函数g
mea
(f)作为测量场；
[0015]
通过解卷积从p
mea
(f)去除测量声压中发射信号频谱，得到g
mea
(f)：
[0016][0017]
式中，g
mea
(f)表示测量场格林函数；*表示共轭；|
·
|表示取绝对值；∈取0.01max|s(f)|；
[0018]
步骤3、确定测量场格林函数中主导模态的阶数：
[0019]
根据简正波理论，格林函数由若干阶模态组成：
[0020][0021]
式中m表示模态数量，am(f)和φm(f)分别表示第m阶模态的幅度和相位；
[0022]
在格林函数中，不同阶模态的幅度am(f)通常具有较大差别，为了保证测距结果的准确性，需要确定幅度最大的若干阶模态的阶数。这些模态的信号能量占据了格林函数中大部分的信号能量，因此称这些模态为主导模态，记主导模态的阶数为m
′
。确定m
′
时，根据实际海洋环境参数仿真计算出一个参考信号(建议以群速度作为参考信号)，参考信号的模态阶数在仿真中是已知的，通过比对测量场格林函数和参考信号的异同，确定主导模态的阶数。
[0023]
步骤4、通过声场模型计算拷贝场：在几何参数中，根据绝热简正波理论，模态幅度主要对深度敏感，对距离相对不敏感，而模态相位对深度不敏感，对距离非常敏感，因此可
以忽略模态深度以提高匹配场测距的计算效率。
[0024]
在拷贝场g
rep
(f)中，令公式(3)中各阶模态的幅度am(f)恒为1，
[0025][0026]
式中m
′
为步骤3中主导模态的阶数；r表示声源距离；km表示水平波数的实部，使用简正波声场模型计算；这里使用km直接积分合成任意阶模态的相位以提高计算速度。
[0027]
为进一步降低拷贝场计算量，可对声场模型进行一定的简化。海底模型中，使用半无限空间代替分层介质假设；海洋中大部分海底为软质海底，因而可忽略横波；又因为模态相位与海底衰减无关，海底环境参数只包含纵波声速和密度两项，根据hamilton经验关系，纵波声速cb与密度c
ρ
有如下关系：
[0028][0029]
式中1.25g/cm3＜ρb＜2.10g/cm3，即密度和纵波声速近似一一对应；
[0030]
因此，海底环境参数中仅需搜索纵波声速(仅搜索密度也可以)。几何参数中，由于模态相位仅与声源距离有关，因此仅需搜索声源距离。海水环境参数声速剖面和海底地形是较为容易获取的物理参数，因此假设已知。综上，拷贝场中仅包含纵波声速和声源距离两个未知参数，从而能够以较小的搜索量完成测距。
[0031]
步骤5、计算纵波速度-距离模糊平面：
[0032]
根据步骤2和步骤4获得的拷贝场和测量场，计算纵波速度-距离模糊平面：
[0033][0034]
式中a(r,cb)表示纵波速度-距离模糊平面；|
·
|表示取绝对值；||
·
||2表示向量2范数；g
mea
表示长度为n的测量场格林函数向量[g
mea
(f1) g
mea
(f2)
ꢀ…ꢀgmea
(fn)]；g
rep
(r,cb)表示长度为n的拷贝场向量[g
pha
(f1；r,cb)g
pha
(f2；r,cb)g
pha
(fn；r,cb)]
t
，n表示带宽范围内的频率点数；
[0035]
步骤6、估计声源距离：纵波速度-距离模糊平面最大值所在的距离，即为声源距离估计值，即
[0036]
在步骤6之前，检查纵波速度-距离模糊平面是否存在计算错误，纵波速度和距离的范围是否需要调整，主导模态的阶数是否正确选择，如有必要，重新执行步骤3到步骤5。
[0037]
有益效果
[0038]
本发明提出的一种基于模态相位的单水听器低频宽带匹配场测距方法，在海底地形和声速剖面已知情况下，mp-mfp仅需要搜索纵波速度和收发水平距离两个参数，因而具有较高的计算效率。此外，由于仅考虑模态相位而忽略模态幅度，mp-mfp对噪声的抑制能力略有牺牲，但其对环境失配的容忍度显著提升，因而更加实用。
附图说明
[0039]
图1 gebco2020数据集提供的收发信号之间的海底地形变化。
[0040]
图2实测声速剖面。
[0041]
图3解卷积后接收信号的短时傅里叶时频图。
[0042]
图4左图为某实测格林函数的短时傅里叶时频图，右图为仿真计算的前5阶模态的群速度。
[0043]
图5纵波速度-距离模糊平面。
[0044]
图6 12个实验信号的声源距离估计值。蓝色圆圈表示mfp方法的估计值，红色圆圈表示mp-mfp方法的估计值。
具体实施方式
[0045]
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0046]
为了演示mp-mfp算法在实际应用场景中的实施过程，对2021年7月南海实验的数据进行了处理。
[0047]
步骤1：利用传感器获取低频宽带声源信号并记录声速剖面和海底地形；
[0048]
海上实验地点位于(e109.1
°
,n17.8
°
)附近，此处海底地形从南到北逐渐升高，呈上斜坡状。实验中，接收水听器深度约52米，声源深度约11米，声源位于接收水听器正北约14.7km。根据gebco2020数据集，接收水听器和声源之间的地形变化如图1所示。可见在14.7km的距离上，海深从79米变浅到66米，深度相对变化率约16.5％。实测温深数据获取的声速剖面如图2所示，是典型的夏季声速剖面，具有明显的等温层与负跃变层。图中实线表示温深仪实测数据，由于此次测量温深仪没有沉底，所以根据实验中其他时间段测量的声速剖面，对该声速剖面靠近海底的部分进行了修补，即图中虚线部分。实验中在120秒内连续发射了12次相同的线性调频信号，调频带宽20-200hz，信号时宽5秒，相邻两个线性调频信号首尾间隔5秒。信号采样率为1000hz。
[0049]
步骤2：解卷积得到测量场格林函数；
[0050]
图3所示为解卷积后测量信号(即测量场格林函数)的短时傅里叶时频图。由图可知，100hz以下存在严重的噪声干扰，所以匹配场处理中仅以100-200hz带宽内的信号作为测量场。图中12道竖线表示12个测量场格林函数，根据观察，这些竖线的时间长度不超过0.35秒，因此以0.35秒的时间窗长度将他们在时间域上截取出来，得到12个时间域的测量场格林函数。对每个时间域测量场格林函数做1000点长度的傅里叶变换，然后仅提取100-200hz内的101个频率点的信号，组成长度为101点的12个测量场向量g
mea
。
[0051]
步骤3：确定测量场格林函数中主导模态的阶数；
[0052]
以第二个测量场格林函数为例确定测量场格林函数中主导模态的阶数。图4中左图所示为该测量场格林函数的短时傅里叶时频图，右图所示为实际海洋波导环境下仿真得到的群速度(根据经验，仿真中纵波速度取1600m/s)。以群速度作为参考，可见100-200hz内可能存在5阶模态，其中实线所示第3阶和第4阶模态与左图实际信号中信号能量较强的两阶模态(即主导模态)较为吻合，因此主导模态的阶数应为m
′
＝3,4。
[0053]
步骤4：通过声场模型计算拷贝场；
[0054]
采用krakrn模型(一种常见的简正波模型)计算km，然后依据公式(4)合成拷贝场。设定距离搜索范围为[0.1,30]km，间隔0.1km，共300个离散点；纵波速度搜索范围为[1560,1640]m/s，间隔5m/s，共17个离散点。故拷贝场(距离、纵波速度两个参数)共有300
×
17＝5100种组合，得到5100个长度为101的拷贝场向量g
rep
(r,cb)。
[0055]
步骤5：计算纵波速度-距离模糊平面；
[0056]
依据公式(6)计算纵波速度-距离模糊平面；作为示例，第二个测量场格林函数的纵波速度-距离模糊平面如图5所示。
[0057]
步骤6：检查纵波速度-距离模糊平面；
[0058]
模糊平面正常，无需重新计算。
[0059]
步骤7：估计声源距离；
[0060]
依据公式(7)，模糊平面上最大值所在的距离即为最终估计的声源距离。
[0061]
与测量场和拷贝场均为格林函数的传统匹配场算法(简记为mfp)对比说明mp-mfp的优势。在基于mfp的测距中，计算拷贝场时假设已知声源深度和接收深度(mp-mfp无需已知这两个深度参数)，其余参数设置与步骤4计算mp-mfp拷贝场相同。由于海底地形随距离变化，mfp中使用ram声场模型直接计算拷贝场格林函数。
[0062]
mfp和mp-mfp的计算时间分析如表1所示。对于mfp，由于假设声场互易定理成立，声源位置和接收位置可以互换，故无需在300个距离点上逐个计算格林函数，因此获取所有参数组合下的拷贝场格林函数仅需调用ram计算1717次。对于mp-mfp，由于kraken支持宽带计算，因此无需在101个频率点上逐个计算格林函数；将距离搜索范围内的地形深度离散到18个深度点上，然后基于这18个深度点的水平波数，利用插值获取任意深度的水平波数，即可通过公式(4)合成模态相位，因此距离维度上仅需要调用kraken模型18次；故mp-mfp获取所有参数组合的格林函数仅需调用kraken计算306次。基于运行在windows10系统上的matlab软件，在一台cpu型号intel(r)core(tm)i7-4710mq、内存8gb的笔记本电脑上对两种算法的计算时间进行了记录。如表1所示，mfp和mp-mfp两种测距算法调用声场模型计算拷贝场分别用时0.67小时、0.23小时，即计算相同数量的拷贝场，mp-mfp的计算用时仅为mfp计算用时的34％,可见mp-mfp的计算优势非常突出。
[0063]
图6所示为两种方法给出的12个声源距离估计值。显然，两种方法所得的声源距离估计结果均以真实距离14.7km为中心。但mfp方法所得估计值非常离散，分布在[5.4 23.8]km之间。mp-mfp方法所得估计值离散程度非常小，仅分布在[13.6 14.9]km之间，显著优于mfp方法，给出了稳健的估计结果。
[0064]
表1拷贝场计算时间
[0065]