基于簡正波模態(tài)消頻散變換的聲源距離深度估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于簡正波模態(tài)消頻散變換的聲源距離深度估計(jì)方法，利用了淺海接收信號(hào)通過消頻散變換后在距離?頻散參數(shù)二維平面上出現(xiàn)聲壓聚焦的現(xiàn)象，只有當(dāng)接收信號(hào)的傳播距離參數(shù)等于目標(biāo)聲源距離時(shí)，各號(hào)簡正波的聲壓幅度均達(dá)到最大值，由此可以估計(jì)出目標(biāo)聲源的距離參數(shù)。并且接收信號(hào)通過消頻散變換后，前幾階模態(tài)在時(shí)域上明顯地分離開來，可以準(zhǔn)確地估計(jì)出各階模態(tài)的能量，采用多模態(tài)能量匹配的方式，可以確定目標(biāo)聲源的深度。
【專利說明】
基于簡正波模態(tài)消頻散變換的聲源距離深度估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種淺海聲源深度距離估計(jì)方法，特別是設(shè)及一種利用簡正波消頻散 變換的聲源距離深度估計(jì)方法，適用于水平變化比較平穩(wěn)的淺海海域，屬于水聲學(xué)和水聲 信號(hào)處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明主要用于淺海聲源深度距離估計(jì)。淺海環(huán)境中，由于水聲環(huán)境非常復(fù)雜，聲 源定位一直是水聲領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)鍵問題。針對(duì)淺海中傳播的低頻寬帶信號(hào)而言，受海洋 媒質(zhì)的影響，會(huì)產(chǎn)生簡正波的疊加與頻散。水聲信道的頻散主要由波導(dǎo)特性決定，表現(xiàn)為簡 正波本征波數(shù)隨頻率的變化。雖然淺海信道的頻散特性對(duì)信號(hào)的分析和處理增加了難度， 但是信道的頻散特性蘊(yùn)含了關(guān)于海洋環(huán)境和信號(hào)的相關(guān)信息，通過分析頻散波導(dǎo)中所接收 到的水聲信號(hào)，可W獲得目標(biāo)的距離深度等位置信息。
[0003] 目前主要的定位方法有匹配場處理、基于波導(dǎo)不變量處理等方法。匹配場處理方 法可W參見《An overview of matched field methods in ocean acoustics》，該文 1993 年發(fā)表于《I邸E Journal of Oceanic !Engineering》第18期，起始頁碼為401。匹配場處理 通過將聲場傳播模型計(jì)算的拷貝聲場與實(shí)際接收的聲場進(jìn)行相關(guān)處理來實(shí)現(xiàn)水聲目標(biāo)的 定位問題，它比較依賴于海洋環(huán)境參數(shù)和聲場計(jì)算模型，計(jì)算量很大，且實(shí)際應(yīng)用中往往會(huì) 存在各種環(huán)境失配所帶來的性能下降甚至是失效問題。波導(dǎo)不變量方法可W參見《水下目 標(biāo)被動(dòng)測距的一種新方法:利用波導(dǎo)不變量提取目標(biāo)距離信息》，該文2015年發(fā)表于《聲學(xué) 學(xué)報(bào)》第40期，起始頁碼為138。波導(dǎo)不變量方法利用的是淺海波導(dǎo)中聲場在距離和頻率二 維平面上具有穩(wěn)健性的干設(shè)結(jié)構(gòu)特征來進(jìn)行處理，雖然波導(dǎo)不變量對(duì)于目標(biāo)的測距有一定 的效果，但是波導(dǎo)不變量對(duì)聲源深度參數(shù)不敏感，不能有效地估計(jì)出聲源的深度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 要解決的技術(shù)問題
[0005] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于簡正波模態(tài)消頻散變換的聲 源距離深度估計(jì)方法。
[0006] 技術(shù)方案
[0007] -種基于簡正波模態(tài)消頻散變換的聲源距離深度估計(jì)方法，其特征在于步驟如 下：
[000引步驟1:估計(jì)淺海海區(qū)消頻散變換參數(shù)和波導(dǎo)不變量：
[0009] 步驟la:在淺海理想波導(dǎo)中，一個(gè)深度為Zs的聲源發(fā)射一個(gè)寬帶脈沖信號(hào)，經(jīng)過海 洋波導(dǎo)傳播后，在距離為r、深度為Zr的接收點(diǎn)處的聲壓場表達(dá)為：
[0010]
(1)
[OOW 式中CO是聲波頻率，M是總的傳播模態(tài)數(shù)池是第m階模態(tài)的模態(tài)函數(shù)，krm( W )是第 m階模態(tài)的水平波數(shù)；系數(shù)
是一個(gè)常量，P(Zs)表示在聲源深度處的海水 密度值，S(CO)為發(fā)射信號(hào)的譜；由公式（1)可知，接收點(diǎn)處的聲場是由各階簡正波模態(tài)的疊 加所組成的，對(duì)于每一階模態(tài)，定義如下的相速度為：
[0012]
[0013] 步驟化:用波導(dǎo)不變量統(tǒng)一各號(hào)簡正波水平波數(shù)差的表達(dá)式為：
[0014]
(3)
[0015] 式中krm( ? )和krn( ? )分別是第m階和第n階的水平波數(shù)，kmn( ? )是第m階和第n階 模態(tài)的水平波數(shù)差，丫 m和丫 n為第m階和第n階頻散參數(shù)，丫 n"為第m階和第n階頻散參數(shù)差， 是一個(gè)與簡正波號(hào)數(shù)有關(guān)的常量，對(duì)于一個(gè)已知的淺海波導(dǎo)環(huán)境，在高頻情況下，近似滿足
，CO為水中平均聲速，結(jié)合上式，由分析可得
[0016]
(4)
[0017] 步驟Ic:將公式(4)代入公式(2)可得：
[0018]
(5)
[0019] 步驟Id:通過比較模型計(jì)算出來的相速度曲線與由公式(5)計(jì)算出來的相速度曲 線，并且利用下式尋優(yōu)，估計(jì)出淺海海區(qū)頻散參數(shù)和波導(dǎo)不變量;尋優(yōu)代價(jià)函數(shù)為：
[0020]
， (6)
[0021] 式中表示淺海波導(dǎo)不變量的變化范圍，媒為由Kraken模型計(jì)算相應(yīng)頻點(diǎn) 的第m階模態(tài)的相速度，嗦為利用公式(6)計(jì)算出的第m階模態(tài)的相速度，誠k和端gx分別表 示計(jì)算時(shí)第m階模態(tài)相速度的最小頻率和最大頻率;么:、#為代價(jià)函數(shù)最小的估計(jì)值；
[0022] 步驟2:由估計(jì)出的頻散參數(shù)和波導(dǎo)不變量定義消頻散變換：
[0023]
(7)
[0024] 式中{V，丫 M為消頻散變換的兩個(gè)變換參數(shù);將公式（1)中的PO，r，z：r)代入公 式(7)并展開得：
[0025]
(8)
[0026] 步驟3:利用消頻散變換對(duì)聲源進(jìn)行測距與定深：
[0027] 步驟3a:對(duì)于聲源的距離估計(jì)，由公式(8)可知，對(duì)于第m階頻散模態(tài)，只有當(dāng)滿足 r/ =r、y/ =rym時(shí)，公式(8)的指數(shù)項(xiàng)部分被完全抵消，即變換后的接收信號(hào)在距離-頻散 參數(shù)二維平面上會(huì)出現(xiàn)聲壓聚焦的現(xiàn)象，模態(tài)的頻散項(xiàng)被完全抵消時(shí)對(duì)應(yīng)的距離即為聲源 的距離，由此確定出聲源的距離參數(shù)；當(dāng)準(zhǔn)確地定出聲源距離后，消頻散變換時(shí)的頻散參數(shù) 域Y /與消頻散變換的時(shí)域t的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
[002引
（9)
[0029] 式中r/為估計(jì)出的聲源距離，《0為發(fā)射信號(hào)的中屯、頻率；
[0030] 步驟3b:通過對(duì)分離開來的各階模態(tài)的能量進(jìn)行匹配的方法進(jìn)行聲源的深度估 計(jì):第m階模態(tài)的能量按如下的公式進(jìn)行計(jì)算：
[0031]
( 10)
[0032] 式中y(t)表示接收信號(hào)經(jīng)過消頻散變換后的時(shí)域波形，技和《分別表示接收信號(hào) 經(jīng)過消頻散變換后在時(shí)域上第m階模態(tài)的起始時(shí)刻與結(jié)束時(shí)刻；由此構(gòu)造如下的代價(jià)函數(shù)：
[0033]
(11)
[0034] 式中為實(shí)際接收信號(hào)經(jīng)過消頻散變換后第m階模態(tài)的能量，為拷貝信號(hào)經(jīng)過 消頻散變換后提取出的第m階模態(tài)的能量;通過公式(11)的代價(jià)函數(shù)，在聲源深度范圍內(nèi)進(jìn) 行峰值捜索，確定出聲源的深度。
[0(X3日]有益效果
[0036] 本發(fā)明提出一種基于簡正波模態(tài)消頻散變換的聲源距離深度估計(jì)方法，有益效果 體現(xiàn)在:本發(fā)明首先通過利用波導(dǎo)不變量和消頻散參數(shù)定義的模態(tài)相速度和由kraken模型 計(jì)算模態(tài)相速度進(jìn)行對(duì)比尋優(yōu)估計(jì)出海域的波導(dǎo)不變量和各階消頻散參數(shù)，通過將波導(dǎo)不 變量作為未知參數(shù)，能夠提高消頻散變換精度。然后通過定義消頻散變換，淺海接收信號(hào)通 過消頻散變換后在距離-頻散參數(shù)二維平面上出現(xiàn)聲壓聚焦的現(xiàn)象，只有當(dāng)接收信號(hào)的傳 播距離參數(shù)等于目標(biāo)聲源距離時(shí)，各號(hào)簡正波的聲壓幅度均達(dá)到最大值，由此可W估計(jì)出 目標(biāo)聲源的距離參數(shù)，通過運(yùn)種方法對(duì)距離進(jìn)行估計(jì)非常的簡單可靠。并且接收信號(hào)通過 消頻散變換后，前幾階模態(tài)在時(shí)域上明顯地分離開來，可W準(zhǔn)確地估計(jì)出各階模態(tài)的能量， 采用多模態(tài)能量匹配的方式，可W確定目標(biāo)聲源的深度。本發(fā)明方法充分利用消頻散變換 的信息，實(shí)現(xiàn)測距的同時(shí)對(duì)聲源進(jìn)行定位。本發(fā)明的核屯、思想是對(duì)海域波導(dǎo)不變量和消頻 散參數(shù)的估計(jì)，進(jìn)而利用估計(jì)的參數(shù)定義消頻散變換，并由此對(duì)聲源距離深度進(jìn)行估計(jì)。淺 海水聲環(huán)境非常復(fù)雜，聲源定位一直是水聲領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)鍵問題，所W本方法通過消頻 散變換實(shí)現(xiàn)了對(duì)淺海寬帶聲源的深度距離估計(jì)，實(shí)現(xiàn)簡單有效，對(duì)近海作戰(zhàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的 基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0037] 圖1是本發(fā)明方法所使用的淺海典型化keris波導(dǎo)環(huán)境模型。
[0038] 圖2是本發(fā)明方法中利用公式(5)計(jì)算出的相速度和由kraken模型計(jì)算的相速度 對(duì)比圖。
[0039] 圖3是本發(fā)明方法在圖1 Pekeris波導(dǎo)環(huán)境下聲源深度25m、接收深度36m、接收距 離15km處接收到的低頻寬帶脈沖信號(hào)的時(shí)域波形(a)和時(shí)頻圖(b)。
[0040] 圖4是本發(fā)明方法接收到的信號(hào)經(jīng)過消頻散變換后的距離-頻散參數(shù)二維平面圖。
[0041] 圖5是本發(fā)明方法消頻散變換后接收信號(hào)的時(shí)域波形(a)和時(shí)頻圖化）。
[0042] 圖6是本發(fā)明方法目標(biāo)聲源深度估計(jì)變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0044] 為了充分利用模態(tài)頻散曲線消頻散變換后的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源深度距離估計(jì)，一 種利用距離-頻散參數(shù)二維平面聚焦測距與匹配模態(tài)能量定深的目標(biāo)聲源定位方法，用于 實(shí)現(xiàn)對(duì)淺海海域聲源距離深度估計(jì)。該發(fā)明方法利用了淺海接收信號(hào)通過消頻散變換后在 距離-頻散參數(shù)二維平面上出現(xiàn)聲壓聚焦的現(xiàn)象，只有當(dāng)接收信號(hào)的傳播距離參數(shù)等于目 標(biāo)聲源距離時(shí)，各號(hào)簡正波的聲壓幅度均達(dá)到最大值，由此可W估計(jì)出目標(biāo)聲源的距離參 數(shù)。并且接收信號(hào)通過消頻散變換后，前幾階模態(tài)在時(shí)域上明顯地分離開來，可W準(zhǔn)確地估 計(jì)出各階模態(tài)的能量，采用多模態(tài)能量匹配的方式，可W確定目標(biāo)聲源的深度。
[0045] (1)參照?qǐng)DIJekeris波導(dǎo)是一個(gè)具有兩層分層結(jié)構(gòu)的海洋波導(dǎo)，它與實(shí)際的海洋 環(huán)境比較接近。其中，水深H=40m，海水的聲速和密度分別為ci = 1500m/s、化= 1.0g/cm3,海 底的聲速和密度分別為C2=1800m/s、化= 1.7g/cm3,聲源深度為25m，接收深度和接收距離 分別為36m和15km。
[0046] (2)參照?qǐng)D1、圖2和表1，在圖1所示的化keris波導(dǎo)環(huán)境下，通過公式(6)估計(jì)出相 應(yīng)的波導(dǎo)不變量/，估計(jì)時(shí)利用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。前4階模態(tài)的頻散參數(shù)W及利用估 計(jì)值計(jì)算出的相速度均方根誤差如下表1所示。由于波導(dǎo)不變量是一個(gè)與模態(tài)數(shù)無關(guān)的物 理量，所W消頻散變換時(shí)利用的波導(dǎo)不變量估計(jì)值為前4階模態(tài)估計(jì)出的波導(dǎo)不變量的均 值。由表1可知，由模型計(jì)算的相速度和由公式(5)計(jì)算出的相速度的均方根誤差非常小，量 級(jí)在1(T2,說明通過公式(6)估計(jì)出的頻散參數(shù)值和波導(dǎo)不變量值比較準(zhǔn)確。具體做法為：
[0047] ①在淺海理想波導(dǎo)中，一個(gè)深度為zs = 25m的聲源發(fā)射一個(gè)寬帶脈沖信號(hào)，求解 時(shí)，脈沖寬度設(shè)置為200HZ-300HZ，中屯、頻率250Hz。，經(jīng)過海洋波導(dǎo)傳播后，在距離為r = 15km、深度為zr = 36m的接收點(diǎn)處的聲壓場可W表達(dá)為：
[004引
…
[0049] 式中CO是聲波頻率，M是總的傳播模態(tài)數(shù)，是第m階模態(tài)的模態(tài)函數(shù)，krm( CO)是第 m階模態(tài)的水平波數(shù)。系i
是一個(gè)常量，P(Zs)表示在聲源深度處的海水 密度值，S(CO)為發(fā)射信號(hào)的譜。由公式（1)可知，接收點(diǎn)處的聲場是由各階簡正波模態(tài)的疊 加所組成的。對(duì)于每一階模態(tài)，可W定義如下的相速度為：
[0050]
^2)
[0051] ②G.A.Grachev曾給出用波導(dǎo)不變量統(tǒng)一各號(hào)簡正波水平波數(shù)差的表達(dá)式為：
[0052]
(3)
[0053] 式中krm(。）和krn(。）分別是第m階和第n階的水平波數(shù)，kmn(。）是第m階和第n階 模態(tài)的水平波數(shù)差，丫 m和丫 n為第m階和第n階頻散參數(shù)，丫 n"為第m階和第n階頻散參數(shù)差， 是一個(gè)與簡正波號(hào)數(shù)有關(guān)的常量。對(duì)于一個(gè)已知的淺海波導(dǎo)環(huán)境，在高頻情況下，近似滿足
為水中平均聲速。結(jié)合上式，由分析可得
[0054]
(4)
[0055] ③將公式(4)代入公式(2)可得 WW]
巧）
[0057]④通過比較模型計(jì)算出來的相速度曲線與由公式(5)計(jì)算出來的相速度曲線，并 且利用下式尋優(yōu)，估計(jì)出淺海海區(qū)頻散參數(shù)和波導(dǎo)不變量。尋優(yōu)代價(jià)函數(shù)為：
[005引
（6)
[0化9]式中表示淺海波導(dǎo)不變量的變化范圍，V;.為由Kraken模型計(jì)算相應(yīng)頻點(diǎn) 的第m階模態(tài)的相速度，《為利用公式(6)計(jì)算出的第m階模態(tài)的相速度，巧l=2;rx200和 端,、=2;^ x300分別表示計(jì)算時(shí)第m階模態(tài)相速度的最小頻率和最大頻率。計(jì)算時(shí)，只計(jì)算前 4階模態(tài)即可，即m=l、2、3、4。以、I為代價(jià)函數(shù)最小的估計(jì)值;身取值為前m階的估計(jì)值的 平均值，我,取的是各階估計(jì)值。如表1所示。
[0060]表1頻散參數(shù)和波導(dǎo)不變量估計(jì)結(jié)果 [00611
[0(
[0063] (3)參照?qǐng)D3,由估計(jì)出的頻散參數(shù)和波導(dǎo)不變量定義消頻散變換。具體做法為：
[0064] 本發(fā)明方法定義的消頻散變換為：
[00化]
。）
[0066]式中Ir/，丫 M為消頻散變換的兩個(gè)變換參數(shù)。將公式（1)中的P( CO，r，zr)代入公 式(7)并展開得：
[0067]
(8;
[0068] (4)參照?qǐng)D4、圖5、圖6,利用消頻散變換對(duì)聲源進(jìn)行測距與定深。具體做法為：
[0069] ①對(duì)于聲源的距離估計(jì)，由公式(8)可知，對(duì)于第m階頻散模態(tài)，只有當(dāng)滿足r^=r、 丫 / =r 丫 m時(shí)，公式(8)的指數(shù)項(xiàng)部分被完全抵消，即變換后的接收信號(hào)在距離-頻散參數(shù)二 維平面上會(huì)出現(xiàn)聲壓聚焦的現(xiàn)象，模態(tài)的頻散項(xiàng)被完全抵消時(shí)對(duì)應(yīng)的距離即為聲源的距 離，由此可W確定出聲源的距離參數(shù)。即圖4中橫虛線所示的距離15km即為聲源所在的距 離。當(dāng)準(zhǔn)確地定出聲源距離后，消頻散變換時(shí)的頻散參數(shù)域與消頻散變換的時(shí)域信號(hào)的轉(zhuǎn) 換關(guān)系為：
[0070]
(9)
[0071] 式中r/為估計(jì)出的聲源距離15km，CO o = 250Hz為發(fā)射信號(hào)的中屯、頻率。將接收信 號(hào)進(jìn)行消頻散變換后利用公式(9)得到消頻散變換后的時(shí)域信號(hào)和時(shí)頻圖如圖5所示。
[0072] ②對(duì)于聲源深度的估計(jì)，由于接收信號(hào)的不同模態(tài)具有不同的能量，能量的變化 反應(yīng)了模態(tài)形狀函數(shù)隨深度的變化。通過上述的消頻散變換，各階模態(tài)的能量已經(jīng)完全分 離開來，本方法通過對(duì)分離開來的各階模態(tài)的能量進(jìn)行匹配的方法進(jìn)行聲源的深度估計(jì)。 第m階模態(tài)的能量按如下的公式進(jìn)行計(jì)算：
[007；3]
(10)
[0074] 式中y(t)表示接收信號(hào)經(jīng)過消頻散變換后的時(shí)域波形，即頻散-距離參數(shù)二維平 面中當(dāng)r'=r時(shí)，頻散參數(shù)變化時(shí)對(duì)應(yīng)的剖面幅值。皆和詰分別表示接收信號(hào)經(jīng)過消頻散變 換后在時(shí)域上第m階模態(tài)的起始時(shí)刻與結(jié)束時(shí)刻，所述的起始時(shí)刻為y(t)的絕對(duì)值大于5， 結(jié)束時(shí)刻為y(t)的絕對(duì)值大于5。由此構(gòu)造如下的代價(jià)函數(shù)：
[0075]
' M 、
[0076] 式中巧:為實(shí)際接收信號(hào)經(jīng)過消頻散變換后第m階模態(tài)的能量，巧,為拷貝信號(hào)經(jīng)過 消頻散變換后提取出的第m階模態(tài)的能量。通過公式(11)的代價(jià)函數(shù)，在聲源深度范圍內(nèi)進(jìn) 行峰值捜索，可確定出聲源的深度。本文通過公式（10)和（11)匹配消頻散變換后的能量分 布，得到如圖6所示的深度估計(jì)結(jié)果。由圖6可知，在仿真條件下，目標(biāo)聲源深度估計(jì)曲線在 25m的比較尖銳，深度的估計(jì)結(jié)果比較準(zhǔn)確。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于簡正波模態(tài)消頻散變換的聲源距離深度估計(jì)方法，其特征在于步驟如下： 步驟1:估計(jì)淺海海區(qū)消頻散變換參數(shù)和波導(dǎo)不變量： 步驟Ia:在淺海理想波導(dǎo)中，一個(gè)深度為^的聲源發(fā)射一個(gè)寬帶脈沖信號(hào)，經(jīng)過海洋波 導(dǎo)傳播后，在距離為r、深度為Zr的接收點(diǎn)處的聲壓場表達(dá)為：(1) 式中ω是聲波頻率，M是總的傳播模態(tài)數(shù)，也是第m階模態(tài)的模態(tài)函數(shù)，krm( ω )是第m階 模態(tài)的水平波數(shù);系數(shù)0 是一個(gè)常量，P(Zs)表示在聲源深度處的海水密度 值，S(co)為發(fā)射信號(hào)的譜；由公式（1)可知，接收點(diǎn)處的聲場是由各階簡正波模態(tài)的疊加所 組成的，對(duì)于每一階模態(tài)，定義如下的相速度為：(2) 步驟Ib:用波導(dǎo)不變量統(tǒng)一各號(hào)簡正波水平波數(shù)差的表達(dá)式為：(3) 式中krm( ω )和krn( ω )分別是第111階和第11階的水平波數(shù)，kmn( ω )是第111階和第11階模態(tài) 的水平波數(shù)差，Ym和γ η為第m階和第η階頻散參數(shù)，γ?為第m階和第η階頻散參數(shù)差，是一 個(gè)與簡正波號(hào)數(shù)有關(guān)的常量，對(duì)于一個(gè)已知的淺海波導(dǎo)環(huán)境，在高頻情況下，近似滿足ω -J水中平均聲速，結(jié)合上式，由分析可得(4) 步驟I c:將公式(4)代入公式(2)可得：(5) 步驟Id:通過比較模型計(jì)算出來的相速度曲線與由公式(5)計(jì)算出來的相速度曲線，并 且利用下式尋優(yōu)，估計(jì)出淺海海區(qū)頻散參數(shù)和波導(dǎo)不變量;尋優(yōu)代價(jià)函數(shù)為：6) 式中彡2表示淺海波導(dǎo)不變量的變化范圍乂為由Kraken模型計(jì)算相應(yīng)頻點(diǎn)的第m 階模態(tài)的相速度，< 為利用公式(6)計(jì)算出的第m階模態(tài)的相速度，分別表示計(jì)算 時(shí)第m階模態(tài)相速度的最小頻率和最大頻率;&、#為代價(jià)函數(shù)最小的估計(jì)值； 步驟2:由估計(jì)出的頻散參數(shù)和波導(dǎo)不變量定義消頻散變換：式中Ir'，γΜ為消頻散變換的兩個(gè)變換參數(shù);將公式(1)中的P(c〇，r，Zr)代入公式(7)步驟3:利用消頻散變換對(duì)聲源進(jìn)行測距與定深： 步驟3a:對(duì)于聲源的距離估計(jì)，由公式(8)可知，對(duì)于第m階頻散模態(tài)，只有當(dāng)滿足V = r、γ ' =r γ m時(shí)，公式(8)的指數(shù)項(xiàng)部分被完全抵消，即變換后的接收信號(hào)在距離-頻散參數(shù) 二維平面上會(huì)出現(xiàn)聲壓聚焦的現(xiàn)象，模態(tài)的頻散項(xiàng)被完全抵消時(shí)對(duì)應(yīng)的距離即為聲源的距 離，由此確定出聲源的距離參數(shù)；當(dāng)準(zhǔn)確地定出聲源距離后，消頻散變換時(shí)的頻散參數(shù)域 γ '與消頻散變換的時(shí)域t的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：(9；) 式中V為估計(jì)出的聲源距離，ω 〇為發(fā)射信號(hào)的中心頻率； 步驟3b:通過對(duì)分離開來的各階模態(tài)的能量進(jìn)行匹配的方法進(jìn)行聲源的深度估計(jì):第m 階模態(tài)的能量按如下的公式進(jìn)行計(jì)算：(10)式中y(t)表示接收信號(hào)經(jīng)過消頻散變 換后的時(shí)域波形，4和?分別表示接收信號(hào)經(jīng)過消頻散變換后在時(shí)域上第m階模態(tài)的起始 時(shí)刻與結(jié)束時(shí)亥11 · ·(11) 式中式 1為實(shí)際接收信號(hào)經(jīng)過消頻散變換后第m階模態(tài)的能量，￡丨為拷貝信號(hào)經(jīng)過消頻 散變換后提取出的第m階模態(tài)的能量;通過公式（11)的代價(jià)函數(shù)，在聲源深度范圍內(nèi)進(jìn)行峰 值搜索，確定出聲源的深度。
【文檔編號(hào)】G01S15/46GK106019288SQ201610436638
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月17日
【發(fā)明人】楊坤德, 郭曉樂
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)