[发明专利]基于分布式声波传感技术的水下声源定位及信号获取方法

权利要求书

1.基于分布式声波传感技术的水下声源定位及信号获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在布放在待测水域的传感光缆上定义多个传感阵列，每个传感阵列均含有若干满足声源远场条件的连续传感通道，每个传感阵列之间不满足声源远场条件；

(2)对采集到的传感光缆的后向散射光信号进行解调，获得各传感阵列的差分相位信号及其自相关矩阵；差分相位信号包括传感阵列上M个连续传感通道的空间差分相位信号其中，t是采样时间；

所述的差分相位信号X(t)的自相关矩阵R＝E[X(t)X^H(t)]，其中，E表示数学期望，X^H(t)是X(t)的共轭转置矩阵；

将具有M个传感通道的传感阵列以滑动方式分成L个互相重叠的传感子阵列，相邻的传感子阵列在空间上相差1个传感通道，每个传感子阵列有N＝M-L+1个传感通道；

第J个前向空间滑动传感子阵列差分相位信号包括第J个、第J+1个、……、第J+N-1个连续传感通道的空间差分相位信号，其自相关矩阵其中，是差分相位信号X(t)的自相关矩阵R中第J行J列到第J+N行J+N列N×N矩阵，J∈[1,2,...,L]；

第J个后向空间滑动传感子阵列差分相位信号包括第M-J+1个、第M-J个、……、第L-J+1个连续传感通道的空间差分相位信号，其自相关矩阵其中，J_N为N×N交换矩阵，是的共轭矩阵，J∈[1,2,...,L]；

对前后双向空间平滑相位信号自相关矩阵分别做互相关后再加和平均可以获得空间平滑矩阵，空间平滑矩阵

(3)对每个传感阵列的若干传感通道做前后双向空间平滑处理，构建前后双向空间平滑传感子阵列，获得前后双向空间平滑传感子阵列的差分相位信号及其自相关矩阵；

(4)对前后双向空间平滑传感子阵列的差分相位信号的自相关矩阵做互相关后加和平均，获得空间平滑矩阵，对空间平滑矩阵做特征值分解确定声源方向；具体包括：

对获得的空间平滑矩阵进行特征值分解其中，Σ＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_L)表示由L个特征值组成的对角矩阵，u_i表示为特征值λ_i对应的特征向量；

将特征值从大到小排序λ₁≥λ₂≥…≥λ_k≥…≥λ_L；

根据信息论方法最小描述长度准则变换特征值：其中，k∈[1,2,...,L]，S是采样数，是最大似然函数；

特征值按先减小后增大排列声源数目的估计值为其中，表示最小λ在序列中的顺序；

前K个特征值及其对应的特征向量构建信号子空间U_S，后M-K个特征值及其对应的特征向量可构建噪声子空间U_N；构建空间谱函数在方向向量解的空间内进行峰值搜索，获得声源方向估计值，其中，a(θ)为声源相对传感阵列的方向向量，其中，λ是水下声波波长，Δd是传感通道间距，M为传感阵列上传感通道的个数，且θ∈[-90°，90°]；

(5)根据每个传感阵列的空间位置和获得的声源方向确定声源的空间位置；

(6)对各传感通道信号进行延迟补偿，确定声源信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于二维空间声源定位，所述的步骤(5)具体为：

取空间分布在同一条直线上的两个传感阵列，两个传感阵列的空间距离为D₁；

第k个声源相对第一个传感阵列的方向估计值为θ_k1，第k个声源相对第二个传感阵列的方向估计值为θ_k2；

以第一个传感阵列的中心为坐标原点，且两个传感阵列所在直线为X轴，正方向由第一个传感阵列指向第二个传感阵列，构建右手空间二维坐标系，设第一个传感阵列所在的空间坐标为(0,0,0)，第二个传感阵列所在的空间坐标为(D₁,0,0)；

根据这两个传感阵列的空间坐标，对声源的方向估计值，和与声源的距离即可计算出声源的空间坐标为