[发明专利]一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法

权利要求书

1.一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用设置在冰层上的q个加速度计分别采集冰层中声源发出的A0模态冲击信号，所述加速度计坐标分别为坐标包括加速度计的x-y坐标；

步骤2：分别针对每个加速度计采集的A0模态冲击信号采用图像去模糊时频分析提取A0模态频散曲线；

步骤3：对每个加速度计对应的A0模态频散曲线均执行步骤3.1至步骤3.3，得到声源到每个加速度计的距离；

步骤3.1：在A0模态频散曲线的频率点内选取两个不同频率点构成频点组合，所述频点组合为全部可能的组合，计算每个频点组合的到达时间差；

步骤3.2：计算每个频点组合的群慢度差；

步骤3.3：根据群慢度差和到达时间差求解得到声源到加速度计的距离；

步骤4：根据声源到每个加速度计的距离求解得到声源坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法，其特征在于：所述采用图像去模糊时频分析提取A0模态频散曲线包括：

对A0模态冲击信号采用短时傅里叶变换进行时频分析，获得时频谱图B(n,k)，n和k分别为谱图的时间域第n个采样点和频率域第k个采样点；

通过图像去模糊方法获得时频谱图：

式中表示二维卷积，D^(m+1)(n,k)为优化后的时频谱图，m为迭代次数，当m＝1时，D⁽¹⁾(n,k)＝B(n,k)；F(n,k)对应了短时傅里叶变换中长度为P点的矩形窗函数产生的点散射函数，定义为：

式中，P为矩形窗函数点数，N为离散傅里叶变换点数；

对D^(m+1)(n,k)进行常规阈值化操作：若D^(m+1)(n,k)大于设定阈值，则点X＝(n,k)为A0模态频散的一个离散点，即对应角频率ω_k＝2πkf_s/N的A0模态的到达时间t(ω_k)＝n/f_s，f_s为加速度计采样频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法，其特征在于：所述计算每个频点组合的群慢度差包括：

在已知极地冰声波导参数的情况下，所述参数包括冰层厚度、冰层中声速、冰层密度、海水的声速梯度，求解频点组合中两个频率点ω_i和ω_j的群慢度：

式中，i,j＝1,2,...,K，i≠j，K为A0模态频散曲线的离散点数量，c_p(ω_i)和c_p(ω_j)分别为基于波动方程求解的A0模态相速度；

则群慢度差ΔS_ij为：

ΔS_ij＝S(ω_i)-S(ω_j)。

4.根据权利要求1所述的一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法，其特征在于：所述计算每个频点组合的群慢度差包括：

在极地冰声波导参数存在未知参数的情况下，所述参数包括冰层厚度、冰层中声速、冰层密度和海水的声速梯度，选取一个已知距离R_ref的引导声源，采集引导声源的A0模态冲击信号，对A0模态冲击信号采用图像去模糊时频分析提取A0模态频散曲线，选取引导声源A0模态频散曲线和步骤2得到的A0模态频散曲线频点的交集，在交集的频率点范围内选取两个不同频率点构成全部可能的频点组合，计算每个频点组合的到达时间差，继而获得实际环境每个频点组合的群慢度差：

式中，i,j＝1,2,...,L，i≠j，L为交集的离散点数量，τ_ij,ref为频点的交集中构成的频点组合中频率ω_i和频率ω_j在引导声源A0模态频散曲线中到达时间差。