水平阵信号压缩感知用于简正波分离
发布时间：2021-03-04 21:17
针对水平阵信号简正波分离过程中常规波束形成分辨率低以及warping模态滤波不适用于复杂声信号的问题,提出水平阵信号压缩感知用于简正波分离的方法。利用压缩感知在方位估计中的高分辨特性,通过估计水平阵接收信号在频率方位角上的二维分布,分离得到各阶简正波的方位谱,并逆Fourier变换得到时域波形。仿真孔径1 km、阵元间隔10 m水平阵接收20～200 Hz伪随机声信号和脉冲声信号,所提方法分离出的各阶简正波与理论波形的相关系数在0.97～1.0。对2011年北黄海声学实验中的海底28元水平阵接收的气枪信号,在合成至1 km孔径后使用压缩感知方法分离简正波,其与warping模态滤波分离得的前5阶简正波相关系数在0.82～0.93。仿真与实验都说明了水平阵信号压缩感知简正波分离方法的有效性。
【文章来源】：声学学报. 2020,45(05)北大核心
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
图２２方位谱散点拟合（左侧纵坐标取为方位角的余弦值）并根据式（８）换算??为相速度（右侧纵坐标刻度），黑虚线为曲线拟合的结果）??表２对ＣＳ恢复分离的方位谱上的二维平面坐标点作曲线拟合，拟合函数形式为０?＝??模态曲线阶数??拟合参数６）及均方根误差ＲＭＳＥ?（保留４有效数字）??ａ??ｂ??ＲＭＳＥ?（
５期??梁玉权等：水平阵信号压缩感知用于简正波分离??６１１??图１浅海波导及ＨＬＡ??（ｎ）与声源和接收器深度以及水平波数??ｆｔｒｔｎ有关，在阵列孔径远远小ｆ收发距离的情况下??的）随距离ｎ缓变，可近似为??ｗＵｍ），简记为ｓ为开展波束形成，引入频率??不变的水介质中的波数＿?ｆｃ、：参考声速．表箫第??ｍ阶简正波的相速度，表示第ｍ阶简正波的俯仰??角，由子不同简正波的相速度不同，且随频率变化，??会导致波束形成结果中不同号的简正波相对ＨＬＡ端??射方向的夹角存在差异、且随频率变化，记为??Ｕ的相互关系如下＊??，２７Ｔ／??ｋ?＝——，??⑹??Ｃ??ｒ，?ｋｒｍ??ｃｏｓ＾ｍ?＝?—??１?ｃｏｓ?＝?ｓｉｎ?０ｍ?ｃｏｓ?０〇，??（ｎ??２ｎｆ??ｃｏｓ??（＆）??＾ｒｍ??ＣＯＳ?０ｍ??从式（７）和式（８）可以看出简正波等效方位角‘是??目标方位％和简正波俯仰角私》或相速度的函??数，波束域对应的与波数域对应的Ａｖ？具有一??一映射关系??ＨＬＡ接收位置的声场表达式可进一步转化为阵??元接收时延？，；的函数：??Ｐ（ｌ｝?（９）：??ｍ＝ｌ?ｍ＝ｌ??其中，＝＇（ｔｅ〇ＱＳ＿Ｄ／〇＿．表．示阵元Ｚ接收的第Ｗ阶??简正波时延。假设ＨＬＡ阵元各向同性且具有相同的??灵敏度和频率响应，ＨＬＡ接收的简正波信号模型如??图２所浅海点声源激发的财阶简疋波在１３ＬＡ上??的接收可以看作．Ｍ个不同方位角入射平面波．的叠加??输出Ｍ。第ｚ个阵元接收到频率为／的信号模型为：??Ｍ??ｙｉ（ｆ）＝?＾２?尤ｍ（／）ｅｊ２７ｔ／ｗ?十叫（／），Ｚ?＝?１，２，．．．，Ｌ，??ｍ＝ｌ?
梁玉权等：水平阵信号压缩感知用于简正波分离??６１３??频率（Ｈｚ）?频率（Ｈｚ）??频率（Ｈｚ）??０．５??１．０??１．５??时间（ｓ）??２．０??２．５??３．０??２０?５０?１００?１５０?２００??频率（Ｈｚ）??图３?ＣＳ方位谱估计及简正波分离流程图（（ａ）?ＣＳ方位谱估计；（ｂ）阈值法提取二维点坐标；??（ｃ）?ＫＮＮ聚类；（ｄ）将分离的单模方位谱投影到频率轴求和输出分离的简正波频谱；（ｅ）分离的简??正波频谱与理论频谱的相关系数ｐ及反Ｆｏｕｒｉｅｒ变换恢复简正波波形，黑实线为理论波形，蓝虚线??为分离恢复的简正波波形，虚红线框为局部放大的效果）??５期??（３）对步骤（２）得到的（心／ｔ）采用Ｋ近（Ｋ??脑喊操ｉｇＷ爾（．聚类：算法原理网进行模式??聚类，??ｈ，ｍ）?＝?Ｃｌｕｓｔｅｒ?｛ｉｖ，?Ｘｖ＾，ＹＶｘｌ，?（０Ｔ，?ｆＴ）｝，??ｍ??其中，表Ｂ模式聚类函数，ｍｅ．高Ａｆ］??为模式阶数，瓦为邻近点数（本文在进行ｋｎｎ聚??类时取凡＝卟１／为＿练样本数，Ｘ为Ｆｘ＞２维的??训练样本集，Ｙ为Ｆｘｌ维的样本标签，其元素取??值为ｍｅ?［１，２，．．?表示简正波类别，对输入的??点（知，办）进行聚类得到分离的不同模式的坐标点??（０Ｔ，ｒｎＪＴ，ｍ），?３（ｃ）?ｆｆ／Ｋ，??时需要输入对波导环境参数确切巳知的??情况，可以通过Ｋｒａｋａｉ程序＿计算模式频散曲线??并报据式（７）计笄的简正波频率－方位曲线??Ｍ／）作为输入的训练祥本集；对波导环境参数未知??的情况，通过在ＣＳ方位谱平面人为粗糙划分模式??Ｋ域，提取其中的亮点进行曲线拟合，将拟合的曲线??１（／）作为
【参考文献】：
期刊论文
[1]孔径扩展中相位修正因子估计的改进算法[J]. 王域,宫在晓,张仁和. 声学学报. 2018(04)
[2]利用线谱起伏实现目标测距[J]. 高大治,翟林,王好忠,高博,王宁. 声学学报. 2017(06)
[3]一种基于模态域波束形成的水平阵被动目标深度估计[J]. 李鹏,章新华,付留芳,曾祥旭. 物理学报. 2017(08)
[4]A new method of passive ranging for underwater target:distance information extraction based on wave guide invariant[J]. LI Qihu. Chinese Journal of Acoustics. 2015(02)
[5]频散、声场干涉结构、波导不变量与消频散变换[J]. 王宁,高大治,王好忠. 哈尔滨工程大学学报. 2010(07)
[6]浅海低频本地海底混响的波导不变性结构及抑制方法研究[J]. 郭国强,杨益新,孙超,李博. 声学学报(中文版). 2009(06)
[7]利用波导不变性提高声场的水平纵向相关[J]. 苏晓星,张仁和,李风华. 声学学报. 2006(04)
[8]Inversion for the sea bottom acoustic parameters by using the group time delays and amplitude of normal mode[J]. LI Zhenglin YAN Jin LI Fenghua GUO Lianghao(National Laboratory of Acoustics, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences Beijing 100080). Chinese Journal of Acoustics. 2003(02)
本文编号：3063937
【文章来源】：声学学报. 2020,45(05)北大核心
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
图２２方位谱散点拟合（左侧纵坐标取为方位角的余弦值）并根据式（８）换算??为相速度（右侧纵坐标刻度），黑虚线为曲线拟合的结果）??表２对ＣＳ恢复分离的方位谱上的二维平面坐标点作曲线拟合，拟合函数形式为０?＝??模态曲线阶数??拟合参数６）及均方根误差ＲＭＳＥ?（保留４有效数字）??ａ??ｂ??ＲＭＳＥ?（
５期??梁玉权等：水平阵信号压缩感知用于简正波分离??６１１??图１浅海波导及ＨＬＡ??（ｎ）与声源和接收器深度以及水平波数??ｆｔｒｔｎ有关，在阵列孔径远远小ｆ收发距离的情况下??的）随距离ｎ缓变，可近似为??ｗＵｍ），简记为ｓ为开展波束形成，引入频率??不变的水介质中的波数＿?ｆｃ、：参考声速．表箫第??ｍ阶简正波的相速度，表示第ｍ阶简正波的俯仰??角，由子不同简正波的相速度不同，且随频率变化，??会导致波束形成结果中不同号的简正波相对ＨＬＡ端??射方向的夹角存在差异、且随频率变化，记为??Ｕ的相互关系如下＊??，２７Ｔ／??ｋ?＝——，??⑹??Ｃ??ｒ，?ｋｒｍ??ｃｏｓ＾ｍ?＝?—??１?ｃｏｓ?＝?ｓｉｎ?０ｍ?ｃｏｓ?０〇，??（ｎ??２ｎｆ??ｃｏｓ??（＆）??＾ｒｍ??ＣＯＳ?０ｍ??从式（７）和式（８）可以看出简正波等效方位角‘是??目标方位％和简正波俯仰角私》或相速度的函??数，波束域对应的与波数域对应的Ａｖ？具有一??一映射关系??ＨＬＡ接收位置的声场表达式可进一步转化为阵??元接收时延？，；的函数：??Ｐ（ｌ｝?（９）：??ｍ＝ｌ?ｍ＝ｌ??其中，＝＇（ｔｅ〇ＱＳ＿Ｄ／〇＿．表．示阵元Ｚ接收的第Ｗ阶??简正波时延。假设ＨＬＡ阵元各向同性且具有相同的??灵敏度和频率响应，ＨＬＡ接收的简正波信号模型如??图２所浅海点声源激发的财阶简疋波在１３ＬＡ上??的接收可以看作．Ｍ个不同方位角入射平面波．的叠加??输出Ｍ。第ｚ个阵元接收到频率为／的信号模型为：??Ｍ??ｙｉ（ｆ）＝?＾２?尤ｍ（／）ｅｊ２７ｔ／ｗ?十叫（／），Ｚ?＝?１，２，．．．，Ｌ，??ｍ＝ｌ?
梁玉权等：水平阵信号压缩感知用于简正波分离??６１３??频率（Ｈｚ）?频率（Ｈｚ）??频率（Ｈｚ）??０．５??１．０??１．５??时间（ｓ）??２．０??２．５??３．０??２０?５０?１００?１５０?２００??频率（Ｈｚ）??图３?ＣＳ方位谱估计及简正波分离流程图（（ａ）?ＣＳ方位谱估计；（ｂ）阈值法提取二维点坐标；??（ｃ）?ＫＮＮ聚类；（ｄ）将分离的单模方位谱投影到频率轴求和输出分离的简正波频谱；（ｅ）分离的简??正波频谱与理论频谱的相关系数ｐ及反Ｆｏｕｒｉｅｒ变换恢复简正波波形，黑实线为理论波形，蓝虚线??为分离恢复的简正波波形，虚红线框为局部放大的效果）??５期??（３）对步骤（２）得到的（心／ｔ）采用Ｋ近（Ｋ??脑喊操ｉｇＷ爾（．聚类：算法原理网进行模式??聚类，??ｈ，ｍ）?＝?Ｃｌｕｓｔｅｒ?｛ｉｖ，?Ｘｖ＾，ＹＶｘｌ，?（０Ｔ，?ｆＴ）｝，??ｍ??其中，表Ｂ模式聚类函数，ｍｅ．高Ａｆ］??为模式阶数，瓦为邻近点数（本文在进行ｋｎｎ聚??类时取凡＝卟１／为＿练样本数，Ｘ为Ｆｘ＞２维的??训练样本集，Ｙ为Ｆｘｌ维的样本标签，其元素取??值为ｍｅ?［１，２，．．?表示简正波类别，对输入的??点（知，办）进行聚类得到分离的不同模式的坐标点??（０Ｔ，ｒｎＪＴ，ｍ），?３（ｃ）?ｆｆ／Ｋ，??时需要输入对波导环境参数确切巳知的??情况，可以通过Ｋｒａｋａｉ程序＿计算模式频散曲线??并报据式（７）计笄的简正波频率－方位曲线??Ｍ／）作为输入的训练祥本集；对波导环境参数未知??的情况，通过在ＣＳ方位谱平面人为粗糙划分模式??Ｋ域，提取其中的亮点进行曲线拟合，将拟合的曲线??１（／）作为
【参考文献】：
期刊论文
[1]孔径扩展中相位修正因子估计的改进算法[J]. 王域,宫在晓,张仁和. 声学学报. 2018(04)
[2]利用线谱起伏实现目标测距[J]. 高大治,翟林,王好忠,高博,王宁. 声学学报. 2017(06)
[3]一种基于模态域波束形成的水平阵被动目标深度估计[J]. 李鹏,章新华,付留芳,曾祥旭. 物理学报. 2017(08)
[4]A new method of passive ranging for underwater target:distance information extraction based on wave guide invariant[J]. LI Qihu. Chinese Journal of Acoustics. 2015(02)
[5]频散、声场干涉结构、波导不变量与消频散变换[J]. 王宁,高大治,王好忠. 哈尔滨工程大学学报. 2010(07)
[6]浅海低频本地海底混响的波导不变性结构及抑制方法研究[J]. 郭国强,杨益新,孙超,李博. 声学学报(中文版). 2009(06)
[7]利用波导不变性提高声场的水平纵向相关[J]. 苏晓星,张仁和,李风华. 声学学报. 2006(04)
[8]Inversion for the sea bottom acoustic parameters by using the group time delays and amplitude of normal mode[J]. LI Zhenglin YAN Jin LI Fenghua GUO Lianghao(National Laboratory of Acoustics, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences Beijing 100080). Chinese Journal of Acoustics. 2003(02)
本文编号：3063937
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