[发明专利]一种基于压缩感知的单水听器简正波模态分离方法及系统

说明书

本发明涉及水声信号处理技术领域，具体涉及一种基于压缩感知的单水听器简正波模态分离方法及系统，所述方法包括：根据近似的模态频散关系得到宽带简正波的水平波数值；基于压缩感知理论，由水平波数值构造稀疏求解问题的字典矩阵；根据字典矩阵和单水听器接收到的宽带频域声压矢量，采用压缩感知理论构建稀疏信号模型，并利用压缩感知的实现算法求解计算得到稀疏向量复系数；根据稀疏向量复系数和字典矩阵，恢复出分离之后的各个简正波模态。本发明适用的场景更广，可适用于负梯度水文条件下折射类和反射类简正波同时存在的情况，且无需已知精确的海水声速剖面和海底参数。

技术领域

本发明涉及水声信号处理技术领域，具体涉及一种基于压缩感知的单水听器简正波模态分离方法及系统。

背景技术

在浅海环境中，简正波理论是用来对低频信号进行声传播建模的有力工具。根据简正波理论，远场低频信号主要由少数的传播简正波模态叠加组成。实现各个简正波模态的分离可用于水声学的多种应用，如匹配模声源定位、地声参数反演及声层析。因此，浅海中简正波模态的分离方法一直是水声学的研究热点。

与基于水平或垂直阵列信号提取简正波模态的方法相比，利用单水听器信号的模态分离方法具有设备布放简单、阵形参数失配较小的优点。基于单水听器的简正波模态分离方法一般需要信号形式为脉冲信号或已知调频形式的信号。从现有文献来看，Warping变换及其衍生形式是实现单水听器模态分离的主要方法，也是目前单水听器模态分离最活跃的研究方向之一。其中，时域Warping变换是应用最广的一种变换形式，它将宽带接收的频散信号进行非均匀的重采样。经过时域Warping变换之后，具有非线性时频结构的模态分量被变换为多个单频分量。因此，可以从时频域或频域更容易地分离并过滤出各个模态。分离之后的模态分量再通过Warping逆变换恢复到原始的时域，从而得到分离之后的各阶模态时域信号。时域Warping变换是基于理想波导条件推导出来的，主要适用于反射类简正波(比如海面-海底反射的简正波)。另一类Warping变换的形式是基于波导不变量推导出来的，可用于负梯度水文条件下折射类简正波的变换(比如在海面以下反转的简正波)。目前Warping变换的一个主要应用限制是波导中的简正波同为反射类或同为折射类，即需要具有相同的模态类型。如果模态同时包含反射类和折射类简正波，则Warping变换的分离性能会显著下降，因为两类简正波经变换之后会产生相互的干扰。

发明内容

现有的模态分离方法均不适用于折射类和反射类简正波同时存在的场景，本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种基于压缩感知的单水听器简正波模态分离方法及系统。

为了实现上述目的，本发明的实施例1提出了一种基于压缩感知的单水听器简正波模态分离方法，所述方法包括：

根据近似的模态频散关系得到宽带简正波的水平波数值；

基于压缩感知理论，由水平波数值构造稀疏求解问题的字典矩阵；

根据字典矩阵和单水听器接收到的宽带频域声压矢量，采用压缩感知理论构建稀疏信号模型，并利用压缩感知的实现算法求解计算得到稀疏向量复系数；

根据稀疏向量复系数和字典矩阵，恢复出分离之后的各个简正波模态。

作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：在浅海待测区域布设单水听器，所述单水听器和声源之间的距离为r_s，所述声源的频带为[f₁,f_F]。

作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：如果声源的频带带宽大于40Hz，则将频带划分为多个子频带，每个子频带带宽为20-40Hz。

作为上述方法的一种改进，所述根据近似的模态频散关系得到宽带简正波的水平波数值；具体包括：

根据浅海声传播理论，波导中传播简正波的相速度C_p满足下式：