[发明专利]基于时频分布相关的水下瞬态声源深度距离估计方法

说明书

本发明属于信号与信息处理技术领域，公开了基于时频分布相关的水下瞬态声源深度距离估计方法。利用简正波在距离上的频散特性和深度上模态振幅的分布，通过对接收信号的时频表示提取声源的深度和距离信息，最后对实际接收信号的时频分布与模拟接收信号的时频分布图作相关实现对声源的深度距离估计。对时频分布图作相关时，利用向量相关方法间接相关时频分布图对目标定位。利用向量化时频矩阵向量的信号子空间代替向量化时频矩阵向量与接收信号向量化时频矩阵的噪声子空间作相关对目标定位。直接求取实际接收信号和模拟接收信号原始时频矩阵的协方差矩阵，分别计算其噪声子空间和信号子空间，对以上两种子空间作相关实现声源深度距离估计。

技术领域

本发明属于信号与信息处理技术领域，特别涉及到一种利用水听器接收瞬态信号时频分布估计水下目标深度和距离的方法，适用于声纳信号处理。

背景技术

水下目标深度距离估计，一直是水声学领域的一个关键问题。根据水声传播的简正波理论，声源在水下会激发多阶模态，接收点处的声压由各阶模态叠加而成，而声源深度信息和距离信息就包含于接收信号之中。同时，由于简正波为频散波导，各阶简正波在传播过程中会产生模间频散和模内频散，将接收信号表示在时频分布图上可观察到这种现象。频散程度与声源和接收端的相对距离有关，各阶模态在接收端的振幅与声源激发的模态幅度直接相关。

关于时频分布技术可参考文献《Source depth estimation using modaldecomposition and time-frequency representations》，其中有关于简正波理论与时频分析的相关理论。

假定声源位于水下某距离和深度处，则此位置激发的模态到达接收端，所呈现出的时频分布结果，与实际接收信号的时频分布结果相关性强。而其它距离和深度的位置，如果有声源，到达接收端所呈现出的时频分布结果，与实际接收信号的时频分布结果相关性弱。因此，可以以此作为依据，选择合适的算法，以相关性强弱实现水下目标深度距离估计。

发明内容

本发明为了能同时确定水下声源的深度和距离，提供了一种基于时频分布相关的水下瞬态声源深度距离估计方法。利用简正波在距离上的频散特性和深度上模态振幅的分布，通过对接收信号的时频表示提取声源的深度和距离信息，最后对实际接收信号的时频分布与模拟接收信号的时频分布图作相关实现对声源的深度距离估计。

水下瞬态声源在水下激发出不同阶次的模态，各阶模态的振幅与声源的深度有关，声波以各阶模态所对应的波向远处传播。同时，经声场传播之后，各阶模态具有不同的速度，导致在接收端会出现频散现象，从低到高的各阶模态传输速度逐渐变慢，导致第一阶模态最先到达，其它各阶模态传输速度相对变慢，依次到达。随着收发两端相对距离的增大，模态之间的频散现象越来越明显。

利用接收瞬态信号的时频分布，可以观察到各阶模态的分布情况，时频分布图中，模态的振幅和模态的频散特性对于不同深度和距离的水下目标，呈现的时频分布结果将有差异。可以以时频分布的相关性，作为水下目标的定位标准。

本发明的技术方案是：

基于时频分布相关的水下瞬态声源深度距离估计方法，包括步骤如下：

步骤1：根据海洋环境模型对声源目标区域进行网格化处理；

步骤2：计算接收信号；

根据简正波理论，在深度z_s处宽带声源发射一个低频宽带信号，频率带宽为f₁～f₂，经过海洋波导传播至距离r和深度z处对应的接收信号x(r,z,t)为：