[发明专利]一种基于模态相位的单水听器低频宽带匹配场测距方法

说明书

本发明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，在海底地形和声速剖面已知情况下，基于模态相位的稳健高效单水听器匹配场测距方法(MP‑MFP)，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。

技术领域

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

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。

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 detectionto locate sound sources in shallow water[J].The Journal of the AcousticalSociety 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-hydrophonelocalization[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。

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。