[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

说明书

本发明公开了一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法，利用i个加速度计分别采集冰层中声源发出的A0模态冲击信号；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；对每个加速度计对应A0模态频散曲线均执行如下操作，得到声源到每个加速度计的距离：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；计算每个频点组合的群慢度差；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；最后根据声源到每个加速度计的距离求解得到声源坐标。本发明具有更高的接收频带，避免低频噪声干扰，更具有实用性和更好的定位精度。

技术领域

本发明属于声学探测领域，涉及一种冰声定位方法，特别是一种基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法。

背景技术

冰声定位方法立足于北极科学考察活动安全、北极航道安全保障以及潜在目标的定位需求。比如对水下航行目标撞击冰层事件、冰层之间相互运动挤压碰撞事件等定位需求。声波是海水中能够远距离传播的唯一媒介，其他诸如无线电、光波因海水吸收而迅速衰减，无法进行远距离应用。现有的水声学定位手段是基于海水纵波的传播理论，并采用长基线、短基线以及超短基线等声呐设备实现。由于北极海域常年被数米厚的冰层阻隔，导致现有的声学定位方法和设备无法直接应用于极地场景，存在冰下实施布放和坐标校准，冰层声发射及同步等方面的困难。

研究发现，由于极地冰层的板状构型，在冰层中存在较为明显的导波模态。在最新同类技术发明专利中，《一种针对极地冰层的震源定位方法》提出了一种基于单个三分量检波器的冰层声源定位方法，利用冰层中S0模态和SH模态之间的时延关系确定声源位置。《一种基于弯曲波的冰上震源定位方法》提出了利用希尔伯特黄变换(HHT)提取基于200Hz带宽内A0模态不同频率间到达时间差确定声源位置的方法，通过仿真数据进行验证。

由于冰层和海水之间的相互运动及人类作业活动，实际环境中存在较高的背景噪声和脉冲干扰，采集设备在极地恶劣环境下也会受到自噪声影响，采集的信号信噪比较低，导致S0模态、SH模态和A0模态被淹没在噪声中而无法被有效检测到。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种适合极地冰区海域的、基于冰层模态群慢度差特征的冰声定位方法，避免低频噪声干扰，提高冰声定位方法的实用性。

为解决上述技术问题，本发明的一种冰声定位方法，包括以下步骤：

步骤1：利用设置在冰层上的i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。

进一步的，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：