基于频带分解和距离加权的单矢量水听器浅海被动测距方法研究

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．64，No．15(2015)154303基于频带分解和距离加权的单矢量水听器浅海被动测距方法研究冰朱良明)2)李风华1)t孙梅)3)陈德胜)1)(中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京100190)2)(中国科学院大学物理学院，北京100049)3)(泰山学院物理与电子工程学院，泰安271021)(2015年1月30日收到；2015年3月4日收到修改稿)本文针对浅海环境下中低频宽带脉冲声源被动测距问题，提出了一种声压和水平振速联合处理的被动测距方法．在浅海波导中，声压和质点振速的自相关函数卷绕(warping)谱具有稳

2、定的频率特征．声压和水平振速的白相关卷绕谱具有相同的准线谱特征，垂直振速自相关卷绕谱具有宽谱叠加线谱的特征，与声压自相关卷绕谱相比，其尖峰个数比更多，且尖峰宽度更宽．利用引导源，本文提出了基于频带分解和距离加权的声压和水平振速联合被动测距方法．利用该方法对2008年冬季青岛海域综合实验中单矢量水听器接收的气枪信号进行处理，结果表明，该方法能够实现气枪声源的有效测距．与传统单声压水听器被动测距方法相比，该方法可以有效减小代价函数的主瓣宽度、提高测距精度．关键词：单矢量水听器，被动测距，频带分解，距离加权PACS：43．30．Bp．43．60．Jn．43．30．WiDOI：1

3、0．7498／aps．64．154303较少或无先验环境信息下的被动测距．1引言实际海洋声传播受海面、海底和水体不均匀性等因素的影响，接收信号往往具有多途结构和频散目标声源被动定位一直是水声领域中重要的特征，波导的这些特性增加了水声信号处理和水声研究方向之一，目前主要有匹配场处理、时间反转通信的复杂度．另一方面，信号的多途结构和频散聚焦、基于波导不变量的处理等方法．匹配场处理特征携带了声源位置、波导参数等信息，如果能充计算量大，且容易出现环境和阵形失配问题．基于分理解其规律并加以应用，将有利于我们获取声波导不变量的被动定位方法要求对声场进行大尺源信息和环境参数信息．卷绕f

4、warping)变换的出度的空间采样．Thode等【】将波导不变量和匹配现为其提供了新的思路．Touze等[。】首次提出适用场结合，提高了匹配场定位性能．Gao等[2】提出了一种类似Fourier变换的双参数酉变换，可以同时于浅海Pekeris波导的时域卷绕变换算子，Niu等[]消除多模频散．Zhao等【0J利用声源距离与声场干基于波束位移射线简正波理论对其进行修正，使变涉谱频域周期的关系实现单水听器声源距离估计．换后的特征频率更加接近相应的截止频率．此后，Paulo等[]通过估计接收信号的本征声线到达角，该算子被不断完善，并适用于一般水体环境[]和水再利用声线反传实现了

5、单矢量水听器的声源被动平变化波导[9]．国内外学者还研究了基于该算子的定位．Thode等[】结合虚拟阵元和波导不变量理相关应用，Bonnel等利用该算子进行模态滤波论，提出了基于引导源的测距方法，该方法可实现提取本征函数，其他学者还研究了基于该算子的地国家自然科学基金(批准号：11125420)和山东省博士基金(批准号：BS2012HZ015)资助的课题．十通信作者．E—mail：lfh@mail．ioa．ac．cn@2015中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．hy．ac．c礼广物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．64

6、，No．15(2015)154303声反演[11,12]、气泡二次脉动的去除_13_、宽带声源(n=1，2，⋯，Ⅳ)．(4)定位[14-16]和具有温跃层结构浅海中模态问干涉根据(2)至(4)式可以得到理想波导脉冲信号和波导不变量起伏分析等【17_应用．第n阶简正波的瞬时频率为【]针对匹配场和基于波导不变量被动定位等方法的局限性，结合矢量水听器自身优势，本文提出fn(，(5)一种声压和水平振速联合处理的单矢量水听器被式中，t=r0／c1为脉冲信号第n阶简正波的到达动测距方法．浅海波导中声压和质点振速的自相关时刻．将瞬时频率表达式代入(1)式可将接收信号函数的卷绕谱f下文简

7、称谱)具有稳定的频r㈤表示为率特征，声压和水平振速的自相关FT昕谱具有一Ⅳ致的线谱特征，垂直振速的自相关FT谱具有宽、r()=∑n(t)exp(i2，c厢)，(6)谱叠加线谱的特征，且尖峰的个数比声压多、尖峰的宽度比声压宽．本方法对接收信号进行频带划分：J“一H，’(＼7‘)，从而提取自相关昕谱的单尖峰结构，分别利用式中，，c为第礼号简正波的截止频率．从(6)式可声压和水平振速在子带内估计声源距离，再利用各知接收信号具有随时间的非线性相位，在频率域表估计值与距离平均值的差值构建加权系数，通过各现为宽谱特征．文献【6]提出卷绕变