[發明專利]基于模態分解的水下目標殼體徑向振動低頻聲輻射信號快速估計方法

有效

• 申請號: 201310597616.7
• 申請日: 2013-11-22
• 公開（公告）號: CN103593571B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 方世良;安良;程強
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 馮慧

技術領域

本發明涉及一種基于模態分解的水下目標殼體徑向振動聲輻射信號模擬方法，屬于水下目標聲輻射技術領域。

背景技術

基于模態分解理論的聲輻射信號研究在水下目標分析中被廣泛應用。理論認為只有軸向和周向模態都選取無窮階疊加時才能真正模擬輻射信號。但是關于水下目標分析，實時性又是其重要指標，而無窮階疊加就做不到實時性的要求。同時關于模態階數選取的問題一直沒有解決，沒有一個靈活多變的模態階數方法，導致水下目標聲輻射信號計算復雜度較高和準確性較低。

發明內容

本發明針對上述問題的不足，提出一種基于模態分解的水下目標殼體徑向振動低頻聲輻射信號快速估計方法，本發明不僅能夠根據研究頻段以及研究模型的不同，靈活的選取模態階數，用最少的模態模擬最真實的輻射信號，而且其計算復雜度低、準確性高。

本發明為解決上述技術問題提出的技術方案是：一種基于模態分解的水下目標殼體徑向振動低頻聲輻射信號快速估計方法，其特征包括以下步驟：第一步：根據研究對象的模型結構，確定研究對象的頻段范圍；第二步：基于模態分解理論，確定該研究對象所對應模型結構的模擬聲壓方程；第三步：基于模態截斷理論，分別計算周向模態階數、軸向模態階數，其中，采用較高的周向模態階數，計算合適的較低階軸向模態階數；采用較高的軸向模態階數，計算合適的較低階周向模態階數；第四步：由第一步中所確定的研究對象的頻段范圍、第二步中確定的聲壓方程、第三步中確定的軸向模態階數、周向模態階數仿真計算出水下目標的聲輻射信號；通過對聲輻射信號進行分析，實現研究對象的目標識別。

優選的：在第一步中，當所述研究對象的模型涉及到少數肋骨、加肋平板、艙板時，所述頻段選用高頻段，此時所述頻率范圍為波長????????????????????????????????????????????????對應頻率到20KHz；當所述研究對象的模型涉及到在剛性柱面障板上的柱形殼體共振的重要性時，所述頻段選用中頻段，此時所述頻率范圍為波長到波長相對應頻率；當所述研究對象的模型涉及整個船體、剛體平移或旋轉梁的彎曲振動、手風琴式振動時，所述頻段選用低頻段，此時所述頻率范圍為1Hz到波長對應頻率；其中代表目標的長度，代表有效橫截面積半徑，頻率與波長對應關系為：，為聲音在水中傳播速度。

優選的：在第二步中，采用單層圓柱殼體作為水下目標聲輻射模擬的基本模型，在基本模型上附加子結構即構成研究對象的結構模型，所附加的子結構包括肋、艙板；對于前述單層圓柱殼體基本模型，基于模態分解理論，以圓柱殼體的幾何中心為坐標原點，以圓柱殼體的中心軸為軸，以觀測點與軸之間的距離為軸，同時結合觀測角度，該觀測角度角是指觀測點沿圓柱殼體半徑方向與豎直方向的夾角，建立柱坐標系，則觀測點的聲壓方程如下：

???

其中代表聲壓，代表軸向模態的階次，代表周向模態的階次，代表介質密度，表示角頻率，?代表軸向模態階次為周向模態階次為時的徑向振動位移，代表軸向模態為時的方向駐波的波數，代表波長，代表目標在方向的波數，代表周向模態為階時的第二類漢克爾函數，表示的一階導數，代表目標有效橫截面積半徑，代表目標的長度，表示虛數單位。

優選的：在第三步中，確定軸向模態階數的公式為：

?式（1）；

其中代表相鄰階的軸向模態階次，代表頻率，表示軸向模態階數為和軸向模態階數為之間的聲壓級的誤差平方和，表示頻率為時軸向模態階數為的軸向聲壓，表示頻率為時軸向模態階數為的軸向聲壓；此時周向模態數選取為，，然后通過公式（1）得到一條關于軸向模態和誤差的曲線，選取誤差時的軸向模態。

優選的：在第三步中，確定周向模態階數的公式為：

????式（2）；

其中代表相鄰階的周向模態階次，代表頻率，表示周向模態階數為和周向模態階數為之間的聲壓級的誤差平方和，表示頻率為時周向模態階數為的周向聲壓，表示頻率為時周向模態階數為的周向聲壓；確定周向模態時，軸向模態選取為，，然后通過公式（2）得到一條關于周向模態和誤差的曲線，選取誤差時的周向模態。

優選的：所述聲壓采用聲壓級SPL的方式處理，該聲壓級SPL的公式為：

???????????????????

其中代表聲壓，參考級為。