(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211226929.7 (22)申请日 2022.10.09 (71)申请人 哈尔滨工程大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南 通大街145号 (72)发明人 王燕　朱文博　邹男　王晋晋　 邱龙皓　郝宇　张光普　齐滨　 王逸林　付进　梁国龙　 (74)专利代理 机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 专利代理师 岳泉清 (51)Int.Cl. G01S 15/42(2006.01) G01S 15/46(2006.01) G06F 17/16(2006.01) (54)发明名称 基于模态滤波的浅水低频声源深度判决方 法 (57)摘要 一种基于模态滤波的浅水低频声源深度判 决方法， 属于浅水低频水面水下目标判决技术领 域。 本发明针对现有水听器阵列孔径受限时判决 声源深度采用的现有基于模态滤波技术的水面 水下深度分辨方法， 不能同时兼顾无子空间重叠 和模态空间的完整的问题。 包括建立声场p(r, zr,zs)关于观测矩阵V与模态幅度矩阵a的表达 式； 将观测矩阵V分为陷波子空间V0和自由子空 间V1并进行奇异值 分解， 得到减秩子空间U0和U1， 构成矩阵A， 再得到正交矩阵β， 确定空间H和空 间S， 将投影在陷波子空间的能量与投影在整个 正交模态空间的能量做比值得到检测统计量， 与 选定门限进行对比， 判决声源深度。 本发明用于 声源深度判决。 权利要求书4页 说明书9页 附图2页 CN 115542329 A 2022.12.30 CN 115542329 A 1.一种基于模态滤波的浅水低频声源深度判决方法， 其特 征在于包括， 设定声源的水下深度为zs， 在水下深度zr处的水平面上通过水听器阵列采集获得与声 源zs水平距离为r处的声场p(r,zr,zs)， 所述声场p(r,zr,zs)为关于观测矩阵V与模态幅度矩 阵a的表达式； 将观测矩阵V分为陷波子空间V0和自由子空间V1； 对陷波子空间V0进行奇异值分解， 得 到线性独 立的减秩子空间U0， 对自由子空 间V1进行奇异值分解， 得到线性独 立的减秩子空间 U1； 减秩子空间U0和减秩子空间U1构成矩阵A； 对矩阵A进行处理获得正 交矩阵β； 根据 减秩子空间U0和减秩子空间U1的大小， 将正 交矩 阵β划分为空间H和空间S， 空间H对应正交化后陷波子空间， 空间S对应正交化后自由子空 间； 计算空间H的投影矩阵PH和空间S的投影矩阵PS； 再计算得到水听器阵列接收信号W投影 在空间H的信号能量EH和投影在 空间S的信号能量ES； 所述信号能量EH为投影在陷波子空间 的能量， EH+ES的和为投影在整个正交模态 空间的能量； 将投影在陷波子空间的能量与投影 在整个正交模态空间的能量做比值得到检测统计量， 与选定门限进行对比， 若检测统计量 大于选定门限， 则判定声源为淹没源， 否则为表面源。 2.根据权利要求1所述的基于模态滤波的浅水低频声源深度判决方法， 其特征在于， 水 下深度zr大于水下深度zs。 3.根据权利要求1或2所述的基于模态滤波的浅水低频声源深度判决方法， 其特征在 于， 声场p(r,zr,zs)的表达式为： 式中X(f)为声场在频率f处的幅度， j为虚数， ρ(zs)为声源处水密度， M为声场在环境中 传播的模态数， m为模态的序数； 为模态m关于深度的模态函数， krm为模态m的水平波数。 4.根据权利要求3所述的基于模态滤波的浅水低频声源深度判决方法， 其特 征在于， 模态m的水平波数krm为： 式中k为常数， ω为声源信号的角频率， c为声速梯度中的最大声速， ω＝2 π f， 为模态m的垂直波数。 5.根据权利要求 4所述的基于模态滤波的浅水低频声源深度判决方法， 其特 征在于， 设定水听器阵列为N元水平阵， 在距离声源r1,r2,…,rN位置对声场进行采样， 水 听器阵 列接收信号 W为声场p的向量： W＝Va； ri＝r1+(i‑1)dcosθ,i ＝1,2,…,N， 式中d为阵元间距， θ 为声源与水听器阵列在水平方向夹角；权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115542329 A 2将观测矩阵V分为陷波子空间V0和自由子空间V1， 并且将模态 幅度矩阵a分为与陷波子 空间V0对应的模态幅度a0和与自由子空间V1对应的模态幅度a1， 得到： 其中观测矩阵V的列向量vm为： 式中R为ri组成的向量； 模态幅度矩阵a为： a＝[a1,a2,…,aM]T, 式中κ 为常数： 6.根据权利要求5所述的基于模态滤波的浅水低频声源深度判决方法， 其特 征在于， 将水听器阵列接收信号W看作各模态对应的am的加权和， 每个模态的权矢量为观测矩阵 V的列向量vm； 假设陷波子空间V0的模态数为M0， 则： 式中 为对应于陷波子空间V0的M0个列向量， 为对应于模态幅度a0的M0 个元素； 为对应于自由子空间V1的M‑M0个列向量， 为对应于模态幅度 a1的M‑M0个元素； 对陷波子空间V0进行奇异值分解， 得到线性独立的减秩子空间U0： U0∈CN×q， 式中C为复矩阵集 合， q为减秩子空间U0的列数； 对自由子空间V1进行奇异值分解， 得到线性独立的减秩子空间U1： U1∈CN×t， 式中t为减秩子空间U1的列数； 进而得到矩阵A： A＝[U0 U1]。 7.根据权利要求6所述的基于模态滤波的浅水低频声源深度判决方法， 其特 征在于， 为消除减秩子空间U0和减秩子空间U1的重叠部分， 对两个减秩子空间进行正 交处理， 使 减秩子空间U0和减秩子空间U1的列向量张成观测空间的一组正交基：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115542329 A 3