[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

权利要求书

1.一种基于模态相位的单水听器低频宽带匹配场测距方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将接收水下声源目标的声音信号并转换成电信号，电信号经过滤波放大后用数据采集仪器记录该信号，同时记录实测海洋环境中的声速剖面和海底地形参数；

步骤2：通过傅里叶变换将接收到的时域信号变换到频域，得到频率为f时的测量声压p_mea(f)；不考虑噪声，则海洋波导中的测量声压为：

p_mea(f)＝s(f)g_mea(f) (1)

式中s(f)表示发射信号频谱；g_mea(f)表示实测的海洋波导格林函数。由于声源位置信息仅包含在g_mea(f)中，因此将实测的海洋波导格林函数g_mea(f)作为测量场；

通过解卷积从p_mea(f)去除测量声压中发射信号频谱，得到g_mea(f)：

式中，g_mea(f)表示测量场格林函数；*表示共轭；|·|表示取绝对值；∈取0.01max|s(f)|；

步骤3、确定测量场格林函数中主导模态的阶数：

根据简正波理论，格林函数由若干阶模态组成：

式中M表示模态数量，a_m(f)和φ_m(f)分别表示第m阶模态的幅度和相位；

步骤4、通过声场模型计算拷贝场：

在拷贝场g_rep(f)中，令公式(3)中各阶模态的幅度a_m(f)恒为1，

式中M′为步骤3中主导模态的阶数；r表示声源距离；k_m表示水平波数的实部，使用简正波声场模型计算；

海底环境参数只包含纵波声速和密度两项，根据Hamilton经验关系，纵波声速c_b与密度c_ρ有如下关系：

式中1.25g/cm³＜ρ_b＜2.10g/cm³，即密度和纵波声速近似一一对应；

步骤5、计算纵波速度-距离模糊平面：

根据步骤2和步骤4获得的拷贝场和测量场，计算纵波速度-距离模糊平面：

式中A(r,c_b)表示纵波速度-距离模糊平面；|·|表示取绝对值；||·||₂表示向量2范数；g_mea表示长度为N的测量场格林函数向量[g_mea(f₁) g_mea(f₂) … g_mea(f_N)]；g_rep(r,c_b)表示长度为N的拷贝场向量[g_pha(f₁；r,c_b) g_pha(f₂；r,c_b) … g_pha(f_N；r,c_b)]^T，N表示带宽范围内的频率点数；

步骤6、估计声源距离：纵波速度-距离模糊平面最大值所在的距离，即为声源距离估计值，即

2.根据权利要求1所述基于模态相位的单水听器低频宽带匹配场测距方法，其特征在于：在步骤6之前，检查纵波速度-距离模糊平面是否存在计算错误，纵波速度和距离的范围是否需要调整，主导模态的阶数是否正确选择，如有必要，重新执行步骤3到步骤5。