本發(fā)明涉及海洋聲場建模技術領域，尤其涉及一種頻散特性提取方法、裝置及系統(tǒng)。

背景技術：

隨著人類海洋意識的提高，探索、研究海洋已經成為時下最熱門的話題之一。由于聲波是目前唯一已知能夠在海洋中遠距離傳播的能量輻射形式，因此研究聲波信號在海洋中的傳播規(guī)律，進而將其應用于水下目標探測、水下目標識別、水下通訊、海洋環(huán)境監(jiān)測等實際工程領域就稱為了近代水聲技術的基本研究內容。

由于淺海波導效應，聲信號尤其是低頻聲信號在水下傳播時會產生明顯的頻散現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為簡正波本征波數(shù)隨頻率變化和脈沖信號的展寬、重疊，這些特性在一定程度上制約了水聲技術的發(fā)展和應用。近十幾年來研究人員開始嘗試正面利用頻散特性，并已將其成功應用于對淺海環(huán)境參數(shù)的獲取和對水下目標的被動估計中。

在應用淺海頻散特性的研究中，如何準確提取不同號簡正波的頻散曲線是分析這一問題的關鍵。傳統(tǒng)對淺海簡正波頻散曲線的提取多利用時-頻分析方法，如短時傅里葉變換(STFT)、Wigner-Ville分布、自適應最優(yōu)核時頻分布等，通過討論信號在不同時間、不同頻率處的能量強弱分析其傳播過程中的頻散特征。但上述時-頻分析方法均要求遠場測量條件，當聲源與接收點間距較近時，上述時-頻分析方法很難準確分辨多階簡正波的頻散特征。

技術實現(xiàn)要素：

為克服相關技術中存在的問題，本發(fā)明提供一種頻散特性提取方法、裝置及系統(tǒng)，以解決聲源與接收點間距較近時，多階簡正波頻散特性分辨不準確的問題。

根據(jù)本發(fā)明實施例的第一方面，提供一種頻散特性提取方法，包括：

接收設置于水下的至少一個接收水聽器采集的多個水聲信號，當所述接收水聽器為至少兩個時，至少兩個接收水聽器水平、等間隔按陣列方式布放；當所述接收水聽器為一個時，多個所述水聲信號為該接收水聽器在不同的位置點上接收得到，任意相鄰的兩個所述位置點是由所述接收水聽器與所述發(fā)射換能器之間的距離為在不同時刻沿直線等間隔變化得到的；

構建包含多個所述水聲信號的信號矩陣；

對所述信號矩陣中不同時刻、相同位置點的水聲信號從時間域變換至頻率域；并且，對所述信號矩陣中相同時刻、不同位置點的所述水聲信號從空間域變換至波數(shù)域；

建立關于所述頻率域和所述波數(shù)域的頻率-波數(shù)坐標系，提取變換后的所述信號矩陣在所述坐標系中的極大值點；

根據(jù)所述極大值點在頻率-波數(shù)坐標系上的坐標位置計算水聲信號的各個頻率分量在水下的傳播速度，進而得到所述水聲信號在水下傳播過程中的頻散特征。

可選地，所述對所述信號矩陣中不同時刻、相同位置點的水聲信號從時間域變換至頻率域，包括：

對所述信號矩陣中不同時刻、相同位置點的水聲信號分別利用傅立葉變換算法從時間域變換至頻率域，得到所述信號矩陣中水聲信號的頻譜。

可選地，所述對所述信號矩陣中相同時刻、不同位置點的所述水聲信號從空間域變換至波數(shù)域，包括：

對所述信號矩陣中相同時刻、不同位置點的所述水聲信號對應的頻譜分別利用傅立葉變換算法從空間域變換至波數(shù)域，得到信號矩陣中水聲信號的波數(shù)譜。

可選地，相鄰兩個所述位置點之間的水平距離小于等于預設波長，所述預設波長為所述水聲信號的發(fā)射帶寬對應的最小波長的一半。

根據(jù)本公開實施例的第二方面，提供一種可在水池條件下應用本提取方法的提取裝置，包括：

接收模塊，用于接收設置于水下的至少一個接收水聽器采集的多個水聲信號，當所述接收水聽器為至少兩個時，至少兩個接收水聽器水平、等間隔按陣列方式布放；當所述接收水聽器為一個時，多個所述水聲信號為該接收水聽器在不同的位置點上接收得到，任意相鄰的兩個所述位置點是由所述接收水聽器與所述發(fā)射換能器之間的距離為在不同時刻沿直線等間隔變化得到的；

構建模塊，用于構建包含多個所述水聲信號的信號矩陣；

變換模塊，用于對所述信號矩陣中不同時刻、相同位置點的水聲信號從時間域變換至頻率域；并且，對所述信號矩陣中相同時刻、不同位置點的所述水聲信號從空間域變換至波數(shù)域；

建立提取模塊，用于建立關于所述頻率域和所述波數(shù)域的頻率-波數(shù)坐標系，提取變換后的所述信號矩陣在所述坐標系中的極大值點；

計算模塊，根據(jù)所述極大值點在頻率-波數(shù)坐標系上的坐標位置計算水聲信號的各個頻率分量在水下的傳播速度，進而得到所述水聲信號在水下傳播過程中的頻散特征。

可選地，所述變換模塊，還用于：

對所述信號矩陣中不同時刻、相同位置點的水聲信號分別利用傅立葉變換算法從時間域變換至頻率域，得到所述信號矩陣中水聲信號的頻譜。

可選地，所述變換模塊，還用于：

對所述信號矩陣中相同時刻、不同位置點的所述水聲信號對應的頻譜分別利用傅立葉變換算法從空間域變換至波數(shù)域，得到信號矩陣中水聲信號的波數(shù)譜。

可選地，相鄰兩個所述位置點之間的水平距離小于等于預設波長，所述預設波長為所述水聲信號的發(fā)射帶寬對應的最小波長的一半。

根據(jù)本公開實施例的第三方面，提供一種可使本提取方法在水池條件下應用的系統(tǒng)，包括：用于執(zhí)行如本公開實施例的第一方面提供的頻散特性提取方法的處理機和移動平臺，以及，設置于水池內部的發(fā)射換能器、接收水聽器、海底模擬板和固定支架；

所述移動平臺設置于所述水池上方，所述發(fā)射換能器固定于所述移動平臺上，所述接收水聽器與所述移動平臺滑動連接，所述接收水聽器用于在不同的位置點上接收水聲信號，任意相鄰的兩個所述位置點是由所述接收水聽器與所述發(fā)射換能器之間的距離在不同時刻等間隔、水平變化得到的；

所述海底模擬板設置于所述固定支架頂部，所述固定支架與所述水池的底部固定；

所述處理機用于接收設置于水下的至少一個接收水聽器采集的多個水聲信號，當所述接收水聽器為至少兩個時，至少兩個接收水聽器水平、等間隔按陣列方式布放；當所述接收水聽器為一個時，多個所述水聲信號為該接收水聽器在不同的位置點上接收得到，任意相鄰的兩個所述位置點是由所述接收水聽器與所述發(fā)射換能器之間的距離為在不同時刻沿直線等間隔變化得到的；構建包含多個所述水聲信號的信號矩陣；對所述信號矩陣中不同時刻、相同位置點的水聲信號從時間域變換至頻率域；并且，對所述信號矩陣中相同時刻、不同位置點的所述水聲信號從空間域變換至波數(shù)域；建立關于所述頻率域和所述波數(shù)域的頻率-波數(shù)坐標系，提取變換后的所述信號矩陣在所述坐標系中的極大值點；根據(jù)所述極大值點在頻率-波數(shù)坐標系上的坐標位置計算水聲信號的各個頻率分量在水下的傳播速度，進而得到所述水聲信號在水下傳播過程中的頻散特征。

本發(fā)明的實施例提供的技術方案可以包括以下有益效果：

本發(fā)明通過水平陣(或模擬水平陣)接收等間隔水平傳播距離上的多道水中聲傳播信號，利用二維傅里葉變換將接收的包含多個水聲信號的信號矩陣從時間-空間域坐標系，變換成頻率-波數(shù)域為坐標系，通過在頻率-波數(shù)域上尋找極大值點，可實現(xiàn)對接收信號中所包含的波導頻散特性的提取。克服了其在近場無法分離多階簡正波頻散曲線的缺點，可在近場測量距離內實現(xiàn)對多階簡正波的分離、提取。更易于對淺海海洋環(huán)境中頻散特性的利用。

應當理解的是，以上的一般描述和后文的細節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本發(fā)明。

附圖說明

此處的附圖被并入說明書中并構成本說明書的一部分，示出了符合本發(fā)明的實施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。

圖1是根據(jù)一示例性實施例示出的一種頻散特性提取方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例中淺海海洋環(huán)境水中聲壓場的示意圖；

圖3是根據(jù)一示例性實施例示出的一種頻散特性提取裝置的結構圖；

圖4為本發(fā)明一示例性實施例示出的水池用頻散特性提取系統(tǒng)的結構示意圖；

圖5為本發(fā)明一示例性實施例示出的發(fā)射信號的頻譜示意圖；

圖6為本發(fā)明一示例性實施例示出的信號矩陣的頻譜示意圖；

圖7為本發(fā)明一示例性實施例示出的水聲信號變換示意圖；

圖8為本發(fā)明一示例性實施例示出利用品三特性提取方法處理圖6數(shù)據(jù)后的結果示意圖。

具體實施方式

這里將詳細地對示例性實施例進行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時，除非另有表示，不同附圖中的相同數(shù)字表示相同或相似的要素。以下示例性實施例中所描述的實施方式并不代表與本發(fā)明相一致的所有實施方式。相反，它們僅是與如所附權利要求書中所詳述的、本發(fā)明的一些方面相一致的裝置和方法的例子。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供一種頻散特性提取方法，包括以下步驟。

在步驟S101中，接收設置于水下的至少一個接收水聽器采集的多個水聲信號。

在本發(fā)明實施例中，當所述接收水聽器為至少兩個時，至少兩個接收水聽器水平、等間隔按陣列方式布放；當所述接收水聽器為一個時，多個所述水聲信號為該接收水聽器在不同的位置點上接收得到，任意相鄰的兩個所述位置點是由所述接收水聽器與所述發(fā)射換能器之間的距離為在不同時刻沿直線等間隔變化得到的，例如，可以控制接收水聽器沿著水平方向勻速移動，在奇數(shù)時刻到來時接收水聽器發(fā)送到水聲信號，可以理解的是，接收水聲信號的接收時刻可以根據(jù)實際需要設定，本發(fā)明實施例中不做限定，相鄰兩個所述位置點之間的水平距離小于等于預設波長，所述預設波長為所述水聲信號的發(fā)射帶寬對應的最小波長的一半。

如圖2所示的典型淺海Pekeris波導海洋環(huán)境，時域上水下坐標位置(r,z)的聲壓場p(r,z,t)可表示為：

其中，E(ξ，ω)＝β₁cosβ₁H-ibβ_pK sinβ₁H；

k₁＝ω/c₁、k_p＝ω/c_p、k_s＝ω/c_s、b＝ρ₁/ρ_b，E(ξ)＝0時即為圖1模型中對應的波導頻散方程；k_m＝ω/c_m，m＝1、p、s，c₁、c_p和c_s分別為模型中的水中聲速、海底縱波聲速和海底橫波聲速；ρ₁、ρ_b分別為模型中的水中密度和海底密度；ω＝2πf為角頻率，f為聲源頻率；z、z_s為接收水聽器布放深度和發(fā)射換能器布放深度；r為水下發(fā)射換能器與接收水聽器間水平間距；H為海底深度；ξ為水平波數(shù)；H₀⁽¹⁾、H₀⁽²⁾分別表示0階第1類Hankel函數(shù)和0階第2類Hankel函數(shù)。

在步驟S102中，構建包含多個所述水聲信號的信號矩陣。

在步驟S103中，對所述信號矩陣中不同時刻、相同位置點的水聲信號從時間域變換至頻率域；并且，對所述信號矩陣中相同時刻、不同位置點的所述水聲信號從空間域變換至波數(shù)域。

在本發(fā)明實施例中，借由傅里葉變換，可將式(1)在時域T上、水下接收點(r,z)處的聲場表達式p(r,z,t)變換為頻域F上、水下接收點(r,z)處的聲場表達式p(r,z,ω)，可以為：

從(2)式的表達式中可以看到，對不同時刻、單一接收點(r,z)處接收到的水聲信號進行傅立葉變換，即實現(xiàn)信號從時間域T到頻率域F的變換，可獲得每個接收信號的頻譜。

在該步驟中，對所述信號矩陣中不同時刻、相同位置點的水聲信號分別利用傅立葉變換算法從時間域變換為頻率域，得到所述信號矩陣中水聲信號的頻譜。

并且，利用公式(3)對所述信號矩陣中相同時刻、不同位置點的所述水聲信號從空間域變換至波數(shù)域，得到信號矩陣中水聲信號的波數(shù)譜。

在本發(fā)明實施例中，利用兩組傅立葉變換，可實現(xiàn)聲信號從時間-空間域到頻率-波數(shù)域的轉換：

在步驟S104中，建立關于所述頻率域和所述波數(shù)域的頻率-波數(shù)坐標系，提取變換后的所述信號矩陣在所述坐標系中的極大值點。

在本發(fā)明實施例中，在頻率-波數(shù)域中，聲場的極大值點處于分母項E(ξ,ω)＝0處，即對應頻散方程的根。

在步驟S105中，根據(jù)所述極大值點在頻率-波數(shù)坐標系上的坐標位置計算水聲信號的各個頻率分量在水下的傳播速度，進而得到所述水聲信號在水下傳播過程中的頻散特征。

在本發(fā)明實施例中，根據(jù)簡正波理論，當波導環(huán)境參數(shù)確定時，各頻率聲信號在其中的傳播速度可由對頻散方程的求解得到，即可獲得聲信號傳播過程中的頻散特征。而在頻率-波數(shù)域中，通過對其二維域上極大值點的提取則可實際獲得聲信號在傳播中的頻散特征。

如圖3所示，在本發(fā)明的又一實施例中，提供一種頻散特性提取裝置，包括：接收模塊11、構建模塊12、變換模塊13、建立提取模塊14和計算模塊15。

接收模塊11，用于接收設置于水下的至少一個接收水聽器采集的多個水聲信號，當所述接收水聽器為至少兩個時，至少兩個接收水聽器水平、等間隔按陣列方式布放；當所述接收水聽器為一個時，多個所述水聲信號為該接收水聽器在不同的位置點上接收得到，任意相鄰的兩個所述位置點是由所述接收水聽器與所述發(fā)射換能器之間的距離為在不同時刻沿直線等間隔變化得到的；

構建模塊12，用于構建包含多個所述水聲信號的信號矩陣；

變換模塊13，用于對對所述信號矩陣中不同時刻、相同位置點的水聲信號從時間域變換至頻率域；并且，對所述信號矩陣中相同時刻、不同位置點的所述水聲信號從空間域變換至波數(shù)域；

所述變換模塊，還用于：

對所述信號矩陣中不同時刻、相同位置點的水聲信號分別利用傅立葉變換算法從時間域變換至頻率域，得到所述信號矩陣中水聲信號的頻譜。

所述變換模塊，還用于：

對所述信號矩陣中相同時刻、不同位置點的所述水聲信號對應的頻譜分別利用傅立葉變換算法從空間域變換至波數(shù)域，得到信號矩陣中水聲信號的波數(shù)譜。

建立提取模塊14，用于建立關于所述頻率域和所述波數(shù)域的頻率-波數(shù)坐標系，提取變換后的所述信號矩陣在所述坐標系中的極大值點；

計算模塊15，用于根據(jù)所述極大值點在頻率-波數(shù)坐標系上的坐標位置計算水聲信號的各個頻率分量在水下的傳播速度，進而得到所述水聲信號在水下傳播過程中的頻散特征。

以上方法實施例可以應用于如圖4所示的水池用頻散特性提取系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括：處理機7、移動平臺6、水池3，以及，設置于水池3內部的發(fā)射換能器5、接收水聽器4、海底模擬板1和固定支架2；

所述移動平臺6設置于所述水池3上方，所述發(fā)射換能器5固定于所述移動平臺6上，所述接收水聽器4與所述移動平臺6滑動連接，所述接收水聽器4用于在不同的位置點上接收水聲信號，任意相鄰的兩個所述位置點是由所述水聽4器與所述發(fā)射換能器5之間的距離在不同時刻等間隔、水平變化得到的；

所述海底模擬板1設置于所述固定支架2頂部，所述固定支架2與所述水池4的底部固定；

所述處理機7用于接收設置于水下的至少一個接收水聽器采集的多個水聲信號，當所述接收水聽器為至少兩個時，至少兩個接收水聽器水平、等間隔按陣列方式布放；當所述接收水聽器為一個時，多個所述水聲信號為該接收水聽器在不同的位置點上接收得到，任意相鄰的兩個所述位置點是由所述接收水聽器與所述發(fā)射換能器之間的距離為在不同時刻沿直線等間隔變化得到的；構建包含多個所述水聲信號的信號矩陣；對所述信號矩陣中不同時刻、相同位置點的水聲信號從時間域變換至頻率域；并且，對所述信號矩陣中相同時刻、不同位置點的所述水聲信號從空間域變換至波數(shù)域；建立關于所述頻率域和所述波數(shù)域的頻率-波數(shù)坐標系，提取變換后的所述信號矩陣在所述坐標系中的極大值點；根據(jù)所述極大值點在頻率-波數(shù)坐標系上的坐標位置計算水聲信號的各個頻率分量在水下的傳播速度，進而得到所述水聲信號在水下傳播過程中的頻散特征。

在實際應用中，模擬圖2所示典型淺海海洋環(huán)境，測量設備布放圖如圖4所示，測量時，利用一塊PVC板1模擬海底并放置于水池3的固定支架2上。寬帶高頻發(fā)射換能器5與接收水聽器4均用支架固定于PVC板1上方。測量過程中保持寬帶高頻發(fā)射換能器5與接收水聽器4布放深度不變。

測量過程中保持寬帶高頻發(fā)射換能器5不動，接收水聽器4水平等間隔向遠離聲源方向移動(如圖4所示)，由于實驗中發(fā)射信號(如圖5所示)中心頻率位于155kHz附近，帶寬為130kHz-180kHz，信號帶寬內最小波長約為8mm，實驗中設定接收水聽器4完成一接收位置測量后每次向遠離聲源位置水平移動2mm至下一個接收點，由移動平臺6控制實現(xiàn)。

隨著高頻發(fā)射換能器5與接收水聽器4之間距離等間隔不斷變化，多道接收信號可模擬為一水平信號矩陣(如圖6所示)。在獲得信號矩陣后，在對不同時刻、同一接收位置處接收到的水聲信號進行傅立葉變換，即實現(xiàn)信號從時間域T到頻率域F的變換，可獲得每個接收信號的頻譜；對同一時刻、水平方向上等間隔不同接收位置處接收到的水聲信號進行傅立葉變換，可實現(xiàn)信號從空間域R到波數(shù)域K的變換；利用兩組傅立葉變換，可實現(xiàn)聲信號從時間-空間域到頻率-波數(shù)域的轉換(如圖7所示)。

圖8給出了利用本發(fā)明方法處理圖6數(shù)據(jù)后的結果，圖中黑線是結合實驗環(huán)境參數(shù)計算得到的實驗環(huán)境下各階簡正波理論頻散曲線早頻率-波數(shù)域上的分布特征。從圖中可以看到，實測頻散曲線與理論計算結果吻合較好，證明了本發(fā)明方法在提取近場流體中各階簡正波頻散曲線時的有效性和可行性。

本領域技術人員在考慮說明書及實踐這里公開的發(fā)明后，將容易想到本發(fā)明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由所附的權利要求指出。

應當理解的是，本發(fā)明并不局限于上面已經描述并在附圖中示出的精確結構，并且可以在不脫離其范圍進行各種修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由所附的權利要求來限制。