一种基于简正波模态群延迟的水下目标距离精确估计方法

技术领域

本发明属于信号与信息处理技术领域，涉及一种基于简正波模态群延迟的水下目标距离精确估计方法，适用于声纳信号处理。

背景技术

水下目标距离估计，一直是水声学领域的一个关键问题。根据水声传播的简正波理论，声源在水下会激发多阶模态，接收点处的声压由各阶模态叠加而成，而声源的距离信息就包含于接收信号之中。

由于简正波为频散波导，各阶简正波在传播过程中会产生模间频散和模内频散，将接收信号表示在时频分布图上可观察到这种现象，其频散程度与声源和接收端的相对距离直接相关。关于时频分布技术可参考文献《Source depth estimation using modaldecomposition and time-frequency representations》，其中有关于简正波理论与时频分析的相关理论。李晓曼等在一种基于单水听器的浅海水下声源被动测距方法中，针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题，在群延迟理论的基础上，利用任意两阶简正波模态到达水听器的时延差与其群速度之间的关系，实现对水下目标的距离估计。

在对接收信号进行时频处理时，由于简正波模态能量与声源及水听器深度之间的相关性，可能使得声源信号的部分模态到达水听器的能量接近为零，经时频处理得到的模态频散曲线也会存在相应的缺失情况，此时经声学计算软件获取的群速度所对应的模态阶数将无法判断，直接影响水下目标距离计算的精度。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种基于简正波模态群延迟的水下目标距离精确估计方法，该方法利用接收数据的时频分布，判断是否存在模态缺失，并确定模态的具体阶数，利用所有模态实现水下目标距离的精确估计。

本发明的技术方案是：

利用简正波时频分布相邻两阶模态到达水听器时延差为等差数列特性，通过接收信号的时频分布获取各阶模态到达水听器的时间值，将最后一阶模态与第一阶模态的时延差与等差数列求和公式计算值进行比较，确定时间值与模态阶数的对应情况，再将各参数代入水下目标距离计算公式，实现对距离的精确估计。

根据简正波理论，在声场传播时，各阶模态的群速度各不相同，第n阶模态信号传播至距离r处的到达时间t

t

其中c

上式中c

显然，该式适用于单频脉冲声源的距离估计，而对于拥有ω

由于在同一频率下、由全部相邻两阶模态的时间差组成的数列{ΔT

U

其中t

将S

当判明水听器接收的频散曲线存在模态缺失情况时，利用原等差数列的子项仍为等差数列的特性，依次检验原等差数列中的连续3项，直至搜索到的连续3项的S

本发明的有益效果：本发明在使用简正波群延迟理论计算水下目标距离的基础上，判断接收信号的时频分布是否存在模态缺失情况，且能够在模态缺失条件下精确计算水下目标的距离。

附图说明

图1本发明精确估计水下目标距离流程图。

图2本发明使用的浅海波导环境模型。

图3表示接收信号频散曲线的模态缺失情况；其中，(a)是未考虑模态缺失时的曲线与阶数对应情况，(b)是经模态缺失判断后的模态阶数与频散曲线对应情况。

图4是考虑模态缺失与未考虑缺失时距离计算结果对比图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提出一种基于简正波模态群延迟的水下目标距离精确估计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：获取单水听器接收信号的时频分布。

根据简正波理论，经过海洋波导传播在水听器处接收信号表示为：

其中，j为虚数，r为接收点与声源的水平距离，z为接收点深度，z

对接收信号进行时频处理得到简正波各阶模态的M条频散曲线。

步骤2：计算在频率ω

将步骤1得到的实际接收的时域信号进行时频分析，得到频率ω

步骤3：通过声场计算软件获取此时接收信号全部N阶模态的群速度c

步骤4：分别计算接收信号时频分布最后一条时频曲线与第一条时频曲线到达水听器时间值之差U

U

步骤5：计算U

步骤6：终止条件判断。视情对检验因子

步骤7：若满足终止条件

步骤8：在ω

步骤9：计算步骤8所有r

r即为最终的目标距离估计值，算法终止。

步骤10：分别提取初始时延差数列的连续3项{ΔT

步骤11：令X＝4。

步骤12：计算时延差数列{ΔT

U

步骤13：计算U

步骤14：终止条件判断。判断

步骤15：若不满足终止条件

步骤16：将S

ΔT

求得a

步骤17：将a

步骤18：将初始频散曲线的时间值t

步骤19：在ω

步骤20：假设缺失的模态数量为k阶，计算步骤19中所有r

即为最终的目标距离估计值。