一种基于warping变换的浅海脉冲声源被动测距方法

浅海脉冲声源被动测距是水声学领域中的一个关键技术，它指的是在不直接使用声源发出的信号的情况下，通过分析声源信号到达接收点的特征来推算声源与接收点之间的距离。被动测距技术相较于主动测距技术而言，具有隐蔽性好、不易被敌方察觉和干扰等优点，因而在军事侦察、水下监视等领域有着广泛的应用前景。 现有的被动测距方法多种多样，包括三点几何测距、匹配场处理方法和基于波导不变量的被动测距方法等。其中，三点几何测距技术要求高精度时延估计，需要较大型的基阵和刚性结构，且其远程测距精度不高，对信号的平面波假设也限制了其在浅海测距中的性能。匹配场处理方法虽然充分考虑了声场的多途相干特性，但其测距效果严重依赖于准确的海洋环境参数和声场计算模型，技术实现难度较大，且计算量巨大。基于波导不变量的处理方法通过声场距离-频率干涉条纹进行测距，但波导不变量并不是恒定不变的，其实际应用范围受到限制。 为了克服这些方法的局限性，本文提出了一种基于warping变换的浅海脉冲声源被动测距方法。Warping变换是一种信号处理方法，最初由Baraniuk等人在信号处理领域提出。在水声学中，warping变换利用简正波频散特性，将各号简正波的非线性相位变换为线性相位，从而实现简正波的分离。这种方法已经应用于声源被动测距、海洋环境参数反演、气泡脉动消除和温跃层结构浅海中简正波间干涉和波导不变量起伏的分析等。 Warping变换的频谱特征可以应用于被动测距，包括利用自相关函数warping变换频谱匹配的方法实现被动测距。本文中提到的方法通过接收信号的能量密度函数进行warping变换，得到的频谱中含有与声源和接收器位置无关的不变性频率特征。这些特征频率实际上等同于理想波导中相干的两号简正波的截止频率差，它们与海底的参数无关，仅需要知道海水中的平均声速和海水深度就可以计算出特征频率值。这种方法的优点在于当声源距离未知时，可以通过提取的特征频率值与真实特征频率之间的关系来实现快速测距，极大地提高了计算速度。 为了验证新方法的有效性，作者对2011年11月在黄海海域进行的水声实验数据进行了处理，结果表明测距结果与实测距离符合良好，平均测距误差在8%以内，证实了该方法在实际应用中的可行性和准确性。 基于warping变换的浅海脉冲声源被动测距方法在声场模型的建立和海底参数的依赖性上都有所减少，相比传统方法，在技术实现难度和计算速度上均有所提升。这对于提高水下目标探测的效率和精度，特别是在复杂的浅海环境中具有重要意义。随着研究的深入和技术的发展，该方法有望在军事、海洋资源勘探等多个领域发挥更大的作用。