[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

说明书

本发明公开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，属于水下声源检测领域。包括：将布放在待测水域的传感光缆上定义多个传感阵列；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；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；计算空间平滑矩阵，对空间平滑矩阵做特征值分解确定声源方向；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；对各传感通道信号进行延迟补偿，确定声源信号。本发明通过对分布式声波传感信号做处理，实现了声源准确定位和信号获取。

技术领域

本发明涉及水下声源检测领域，更具体地，涉及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。

背景技术

近年来，随着人们对海洋的关注，海洋探测的重要性越发突显出来，并成为研究的焦点。声音信号是目前已知的唯一能在海水中进行远距离传播的能量形式，利用声波作为信息载体对水下目标声学特性的监测，是水下资源勘探、海洋地震监测以及军事防潜等方面的先进手段。光纤水听器作为先进光纤光电子技术与水声工程技术结合的新产物，具有质量轻、体积小、抗电磁干扰能力强、水下无电、灵敏度高、耐恶劣环境和易于组成大规模阵列等独特的优点，成为目前主流的水下声波探测器。近些年来，分布式声波传感技术因其拥有对环境信息进行大区域连续实时高保真定量感知的能力，在水下大范围分布式声波探测方面具有无可替代的地位。

然而，现有分布式光纤水下声波传感技术仅能对声源在光纤的轴向上进行初步一维定位，无法获取声源的具体方向和空间位置，当存在多个声源时，更无法分离获取出各个声源的信号。实际上，基于分布式声波传感技术的水下声波传感光缆可以等效为由大量传感单元构成的一维连续阵列，其感知数据包含大量空间相关的冗余信息目前都尚未被充分挖掘和利用。

现有技术(Nina Shpalensky,Lihi Shiloh,Haniel Gabai,and Avishay Eyal,Use of distributed acoustic sensing for Doppler tracking of moving sources,Opt.Express 26,17690-17696(2018))描述了一个分布式声波传感系统，该系统利用运动物体产生或反射的声波及其多普勒频移，利用三个空间坐标来检测和定位运动物体，但是该方法不适用用于静态声源和多声源的定位。

现有技术(Zhichao Liu,Liang Zhang,Heming Wei,Zhelan Xiao,Zenghuan Qiu,Ruoqi Sun,Fufei Pang,and Tingyun Wang,Underwater acoustic sourcelocalization based on phase-sensitive optical time domain reflectometry,Opt.Express 29,12880-12892(2021))介绍了一种基于改进的相敏光时域反射仪的水下定位系统，基于到达时间差算法，利用多个传感元件检测信号的时延来定位水下声源，但是该方法不适用于多声源定位，且系统的定位性能受到信号信噪比的影响。

因此，对分布式水下光缆获得的水下声波信号做进一步处理，有望实现水下目标的精确快速定位与跟踪以及高信噪比声源信号的获取。这对分布式声波传感技术在水下资源勘探、海洋地震监测以及军事防潜等方面的应用都具有重要意义。

发明内容

针对现有基于分布式声波传感技术的分布式水下声波传感技术无法获取水下声源的具体方向和空间位置，并且其感知数据包含大量空间相关的冗余信息目前都尚未被充分挖掘和利用的问题，本发明设计了一种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，旨在实现大范围的水下目标的快速精确定位与类型判断，进行位置跟踪，并实现各声源高信噪比信号的恢复与获取。

为了实现上述目的，本发明提供了一种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，包括：