本申請屬于水聲陣列信號處理，海洋工程和聲納，具體涉及一種基于空域消頻散變換的水平線陣波數(shù)提取方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在淺海波導(dǎo)中，由于存在邊界的和介質(zhì)的不均勻性，導(dǎo)致淺海聲場表現(xiàn)出明顯的多徑效應(yīng)和頻散效應(yīng)，多徑效應(yīng)和頻散效應(yīng)的存在使得許多基于平面波假設(shè)的算法失效。為此可以更準(zhǔn)確地刻畫海洋聲場環(huán)境的簡正波模型被提出，在淺海聲學(xué)中，海洋聲場往往可以用幾個簡正模態(tài)的疊加表示，因此聲場可以用簡正模態(tài)和水平波數(shù)唯象表示，環(huán)境參數(shù)對于聲場的作用也被這些唯象變量概括，因此如果能從觀測到的信號中提取出這些唯象變量，就可以得到海洋波導(dǎo)環(huán)境是對于聲學(xué)信號的如何產(chǎn)生影響的，并可以利用這些提取到的信息，用于環(huán)境自適應(yīng)的水聲信號處理算法中。

2、但是，現(xiàn)有的水平線陣波數(shù)提取方法在較低的信噪比條件下，估計結(jié)果的準(zhǔn)確度不高，同時對環(huán)境波導(dǎo)條件與假設(shè)條件失配的魯棒性較差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)在較低的信噪比條件下，估計結(jié)果的準(zhǔn)確度不高，同時對環(huán)境波導(dǎo)條件與假設(shè)條件失配的魯棒性較差的缺陷。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本申請?zhí)岢隽艘环N基于空域消頻散變換的水平線陣波數(shù)提取方法，包括：

3、步驟1：利用水平線陣得到聲源的時域聲壓信號p(t,rl),l＝0,1,...,n-1，對每個陣元得到的時域聲壓信號做傅里葉變換，得到每個陣元域上的頻域信號p(f,rl),l＝0,1,...,n-1；其中，t代表時間；rl代表陣元和聲源的距離；f表示頻率；l表示陣元編號；n表示陣元數(shù)量；

4、步驟2：利用聚焦波束形成，在每個頻點(diǎn)上，將陣元域上的頻域信號變換到波數(shù)域；

5、步驟3：利用波導(dǎo)不變量理論，對得到的頻率-波數(shù)域信號在波數(shù)軸上做伸縮變換，消除不同頻率下，不同模態(tài)對應(yīng)的水平波數(shù)差異；

6、步驟4：將得到的變換后的頻率-波數(shù)域上的信號在頻率軸上做積累；

7、步驟5：積累得到的信號在波數(shù)軸上出現(xiàn)多個峰值，根據(jù)這些峰指示的值，反伸縮變換回去得到在不同頻點(diǎn)上的水平波數(shù)。

8、作為上述方法的一種改進(jìn)，所述步驟2包括：

9、對陣元域上的頻域信號p(f,rl)做如下變換：

10、

11、其中，k表示波數(shù)；d表示陣元間距；r0表示線陣首陣元與設(shè)定聲源的距離；θ表示線陣首陣元與設(shè)定聲源的方位角；s(f,k)表示陣元域信號變換到波數(shù)域的信號。

12、作為上述方法的一種改進(jìn)，所述步驟3包括：

13、對陣元域信號變換到波數(shù)域的信號在波數(shù)軸上做平移和伸縮變換：

14、stran(f,k)＝s(f,t(k))

15、t(k)＝ω/c0-k(ω/ω0)-1/β

16、其中，ω表示聲源的角頻率，ω＝2πf；c0為水平陣列處聲速；ω0為參考角頻率；β為波導(dǎo)不變量；stran(f,k)表示在波數(shù)軸上做平移和伸縮變換后的結(jié)果。

17、作為上述方法的一種改進(jìn)，所述步驟4包括：

18、對在波數(shù)軸上做平移和伸縮變換后的結(jié)果在頻域上進(jìn)行積累：

19、

20、其中，sfreq(k)表示在頻域上進(jìn)行積累的結(jié)果。

21、作為上述方法的一種改進(jìn)，所述步驟5包括：

22、kem(f)＝ω/c0-kpm(ω/ω0)-1/β

23、其中，kem(f)為在頻率為f時，對第m階水平波數(shù)的估計值；kpm為從累積得到的波數(shù)圖中提取到的第m個峰值對應(yīng)的波數(shù)值。

24、本申請還提供一種基于空域消頻散變換的水平線陣波數(shù)提取系統(tǒng)，基于上述方法實現(xiàn)，所述系統(tǒng)包括：

25、獲取陣元域上頻域信號模塊，用于利用水平線陣得到聲源的時域聲壓信號，對每個陣元得到的時域聲壓信號做傅里葉變換，得到每個陣元域上的頻域信號；

26、聚焦波束形成模塊，用于利用聚焦波束形成，在每個頻點(diǎn)上，將陣元域上的頻域信號變換到波數(shù)域；

27、消除水平波數(shù)差異模塊，用于利用波導(dǎo)不變量理論，對得到的頻率-波數(shù)域信號在波數(shù)軸上做伸縮變換，消除不同頻率下，不同模態(tài)對應(yīng)的水平波數(shù)差異；

28、積累模塊，用于將得到的變換后的頻率-波數(shù)域上的信號在頻率軸上做積累；

29、獲取水平波數(shù)模塊，用于利用積累得到的信號在波數(shù)軸上出現(xiàn)的多個峰值，根據(jù)這些峰指示的值，反伸縮變換回去得到在不同頻點(diǎn)上的水平波數(shù)。

30、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請的優(yōu)勢在于：

31、相比現(xiàn)有的水平線陣波數(shù)提取方法，本發(fā)明方法可以在更低的信噪比條件下實現(xiàn)水平波數(shù)估計，而且在相同條件下，估計結(jié)果的準(zhǔn)確度更好，同時對環(huán)境波導(dǎo)條件與假設(shè)條件失配的魯棒性更高。并且相比現(xiàn)有的水平線陣波數(shù)提取方法，本發(fā)明方法可以在更高的頻率條件下實現(xiàn)對于水平波數(shù)估計。

技術(shù)特征：

1.一種基于空域消頻散變換的水平線陣波數(shù)提取方法，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空域消頻散變換的水平線陣波數(shù)提取方法，其特征在于，所述步驟2包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于空域消頻散變換的水平線陣波數(shù)提取方法，其特征在于，所述步驟3包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于空域消頻散變換的水平線陣波數(shù)提取方法，其特征在于，所述步驟4包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于空域消頻散變換的水平線陣波數(shù)提取方法，其特征在于，所述步驟5包括：

6.一種基于空域消頻散變換的水平線陣波數(shù)提取系統(tǒng)，基于權(quán)利要求1-5任一所述方法實現(xiàn)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請?zhí)峁┝艘环N基于空域消頻散變換的水平陣波數(shù)提取方法及系統(tǒng)，該方法首先將水平陣列接收到的時域信號變換到頻域；其次，將得到的頻域上的信號從陣元域變換到波數(shù)域；然后，在每個頻點(diǎn)上，對得到的頻率?波數(shù)域信號做波數(shù)軸伸縮變換，將不同頻點(diǎn)上同一模態(tài)對應(yīng)的波數(shù)對齊；最后，將變換后的頻域?波數(shù)域上的信號在頻域上積累，累積得到的信號在波數(shù)域上會出現(xiàn)明顯的多個峰值，然后根據(jù)這些峰指示的值，再利用反伸縮變換得到在不同頻點(diǎn)上的水平波數(shù)的估計值。本申請的優(yōu)勢在于：可以在更低的信噪比條件下實現(xiàn)波數(shù)提取，有著更高的提取精度，同時對環(huán)境波導(dǎo)條件與假設(shè)條件失配的魯棒性更高；可以在更高的頻率條件下實現(xiàn)對于水平波數(shù)估計。

技術(shù)研發(fā)人員：張洪晨,周士弘,戚聿波,劉昌鵬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院聲學(xué)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10