一种基于频散特征的低频水声脉冲信号距离的测量方法

摘要

本发明公开了一种基于频散特征的低频水声脉冲信号距离的测量方法，包括步骤10）单个水听器接收低频水声脉冲信号，然后对该低频水声脉冲信号的频散特征进行具有自适应径向高斯核函数的时频分布进行表征；步骤20）提取时频分布中传播模式的频散曲线，得到模式间的到达时间差，步骤30）根据各频点下提取出的模式之间的时间差，测算声源的距离：首先使用简正波模型测算出所提取出的模式，在各自频点下所对应的理论群速度值；然后在模式mc和模式nc相同的频率范围内，估计各频点下声源的距离；最后对各频点所估计出的距离进行算数平均值测算，得到声源的距离。该测量方法能够利用单个水听器实现浅海低频水声脉冲信号距离的准确测量。

主权项

1.一种基于频散特征的低频水声脉冲信号距离的测量方法，其特征在于：该测量方法包括以下步骤：步骤10）单个水听器接收低频水声脉冲信号，然后对该低频水声脉冲信号的频散特征进行具有自适应径向高斯核函数的时频分布进行表征，包括如下的步骤：步骤101）对单个水听器接收到的低频水声脉冲信号，根据式（1）确定相应的二维频偏—时滞域上的模糊函数A_d(m,n)；$A_d(m,n)=T_s\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{y}^{*}({\mathrm{kT}}_s-{\mathrm{nT}}_s)y({\mathrm{kT}}_s+{\mathrm{nT}}_s)e^{i2\mathrm{\pi mk}/N}$式（1）其中，N表示接收信号的点长；m表示直角坐标系下的离散化的频偏索引；n表示直角坐标系下的离散化的时滞索引；T_S表示采样时间间隔；y表示单水听器所接收到的水声脉冲信号；y^*表示y的共轭；i表示虚数单位，步骤102）首先设置离散化频偏的总点数P和离散时滞的总点数Q，其中，Q=N；然后从r=0至产生P个离散化的极径，从y=0至π产生Q个离散化的径向角，r表示极径，y表示径向角；步骤103)以离散化的时滞和离散化的频偏采用二维插值的方法，通过式（2）的坐标变换公式，将直角坐标系下的模糊函数A_d(m,n)转换为极坐标系下的模糊函数A_u(p,q)：$\left\{\begin{array}{c}X=r·\cos \left(\psi \right)\\ Y=r·\sin \left(\psi \right)\end{array}\right.$式（2）其中，p表示极坐标系下的离散化频偏索引，q表示极坐标系下的离散化时滞索引，X表示转换后的频偏坐标，Y表示转换后的时滞坐标；步骤104）采用迭代算法测算最优扩展函数σ，确定低频水声脉冲信号的时频分布I(t,f)，其中，t表示时频分布的时间，f表示时频分布的频率；步骤20）提取时频分布中传播模式的频散曲线，得到模式间的到达时间差，包括以下步骤：步骤201）根据步骤104）所得到的时频分布I(t,f)进行峰值搜索，确定接收信号的中心频率以及相应的瞬时时间，如式（15）所示，$[t_0,f_0]=\underset{t,f}{\arg \max }I(t,f)$式（15）其中，f₀表示峰值位置处所对应的中心频率，t₀表示相应的瞬时时间；表示I(t,f)最大值时的时间和频率；步骤202）由步骤201）确定的峰值所对应的时间t₀和频率f₀，得到时频分布I(t,f)上最高的能量模式m_c，并由m_c在时频分布I(t,f)上所显示的范围，确定其所对应的最低下限频率和对应时间以及最高上限频率和对应时间步骤203）在模式m_c的时频显示范围内，沿频率方向对时频分布I(t,f)进行最大值搜索，确定每个搜索频率所对应的瞬时时间，从而得到模式m_c所对应的频散曲线的估计值其中，表示模式m_c的瞬时时间，表示模式m_c的瞬时频率；在此过程中，如果满足则对得到的瞬时时间进行校正，校正如式（16）所示：${\hat{t}}_{j+1}=\arg \mathrm{sub}\max \left(I(t_l^{m_c}:t_h^{m_c},f_{j+1})\right)$其中，表示第j次最大值搜索所得到的瞬时时间，表示第j+1次最大值搜索所得到的瞬时时间，表示的绝对值，S表示时频域上模式间的时间判断门限，表示时频分布I(t,f)沿频率f_j+1方向从到所得到的次大值所对应的时间；步骤204）由模式m_c频散曲线的估计值确定二值掩模滤波矩阵M(t,f)；步骤205）将二值掩模滤波矩阵M(t,f)进行膨胀处理，并将膨胀之后的掩模滤波矩阵M'(t,f)与时频分布矩阵I(t,f)相乘，得到掩模后的时频分布矩阵I′(t,f)；步骤206）对掩模后的时频分布I′(t,f)进行峰值搜索，确定掩模后的时频分布I′(t,f)峰值所对应的时间和频率，从而得到时频分布I(t,f)上次高的能量模式n_c，对掩模后的时频分布I′(t,f)执行同步骤203）相同的方法，得到模式n_c所对应频散曲线的估计值其中，表示模式n_c的瞬时时间，表示模式n_c的瞬时频率；步骤207）测算模式m_c和模式n_c估计得到的频散曲线各频点下的时间差ΔT(f)，若${\hat{t}}^{m_c}>{\hat{t}}^{n_c},$则$\mathrm{\Delta T}\left(f\right)={\hat{t}}^{m_c}-{\hat{t}}^{n_c};$若${\hat{t}}^{m_c}<{\hat{t}}^{n_c},$则$\mathrm{\Delta T}\left(f\right)={\hat{t}}^{n_n}-{\hat{t}}^{m_c};$步骤30）根据步骤20）得到的各频点下提取出的模式之间的时间差，测算声源的距离，包括如下的步骤：步骤301）使用简正波模型kraken测算出所提取出的模式，在各自频点下所对应的理论群速度值和其中，表示模式m_c在频率f处的群速度值，表示模式n_c在频率f处的群速度值；步骤302）在模式m_c和模式n_c相同的频率范围内，采用式（16）估计各频点下声源的距离：$\hat{r}\left(f\right)=\frac{v_g^{m_c}\left(f\right)v_g^{n_c}\left(f\right)}{|v_g^{n_c}\left(f\right)-v_g^{m_c}\left(f\right)|}·\mathrm{\Delta T}\left(F\right)$式（16）其中，表示频点f处的声源距离的估计值，表示与之差的绝对值；步骤303）对各频点所估计出的距离进行算数平均值测算，得到声源的距离