[發(fā)明專(zhuān)利]一種預(yù)報(bào)海洋矢量聲場(chǎng)的方法、系統(tǒng)及介質(zhì)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011083604.9
• 申請(qǐng)日: 2020-10-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112254798B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉巍;王勇獻(xiàn);張理論;程興華;肖汶斌;馬樹(shù)青
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01H3/04
• 分類(lèi)號(hào): G01H3/04;G01H3/10
• 代理公司: 湖南兆弘專(zhuān)利事務(wù)所(普通合伙) 43008
• 代理人: 周長(zhǎng)清;胡君

1.一種預(yù)報(bào)海洋矢量聲場(chǎng)的方法，其特征在于，步驟包括：

S1.獲取待預(yù)報(bào)海洋區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)以及聲源參數(shù)信息，建立水平分層海洋環(huán)境下的柱坐標(biāo)系水聲Helmholtz方程，并經(jīng)過(guò)積分變換后得到以聲壓核函數(shù)為變量的深度方程；

S2.采用傳遞函數(shù)矩陣法求解所述深度方程，獲得各介質(zhì)層分界面的聲壓核函數(shù)與垂直振速核函數(shù)；

S3.根據(jù)所述聲壓核函數(shù)使用Hankel反變換積分式計(jì)算聲壓，根據(jù)所述垂直振速核函數(shù)使用基于Hankel反變換積分式垂直方向?qū)?shù)計(jì)算垂直振速，以及基于Hankel反變換積分式水平方向?qū)?shù)并將零階Bessel函數(shù)的導(dǎo)數(shù)變換成一階Bessel函數(shù)得到水平振速積分式以計(jì)算水平振速，得到振速矢量；

S4.根據(jù)步驟S3求解出的聲壓、振速矢量，計(jì)算出待預(yù)報(bào)海洋的水聲傳播損失與聲強(qiáng)矢量；

所述步驟S1的步驟包括：

S11.按照下式建立所述柱坐標(biāo)系水聲Helmholtz方程：

其中，P(r,z)為頻率域相對(duì)聲壓，ρ為聲傳播介質(zhì)密度，k為波數(shù)且k＝2πf/c，f為聲源頻率，c為介質(zhì)聲速，r為水平方向的坐標(biāo)，z為垂直或深度方向的坐標(biāo)，z_s為聲源深度、δ為狄拉克函數(shù)；

S12.對(duì)水聲傳播介質(zhì)在深度方向上劃分為N層，并將每層內(nèi)近似為均勻介質(zhì)；在劃分的每一層內(nèi)，對(duì)所述柱坐標(biāo)系水聲Helmholtz方程進(jìn)行Hankel變換，以將(r,z)空間的聲壓P(r,z)轉(zhuǎn)換到(k_r,z)空間，即為：

其中，φ(k_r,z)為聲壓核函數(shù)，k_r為水平波數(shù)，J₀為Bessel函數(shù)；

對(duì)所述柱坐標(biāo)水聲Helmholtz方程兩邊同時(shí)作積分可得到深度方程為：

所述步驟S2中求解深度方程時(shí)，包括將聲壓核函數(shù)與垂直振速核函數(shù)形成聯(lián)合矢量的步驟，具體步驟包括：

S211.在任意不含聲源的介質(zhì)層內(nèi)，聲壓核函數(shù)的通解形式為：

其中，φ(k_r,z)為聲壓核函數(shù)，k_z為垂直波數(shù)且A⁺(k_r)表示向下傳播的項(xiàng)，A^-(k_r)表示向上傳播的項(xiàng)，w(k_r,z)為z方向的垂直振速核函數(shù)，且滿(mǎn)足：

其中，Γ＝k_z/(ρω)，ρ為聲傳播介質(zhì)密度，ω＝2πf為聲源振動(dòng)角頻率，f為聲源振動(dòng)頻率；

則將所述聲壓核函數(shù)與所述垂直振速核函數(shù)形成聯(lián)合矢量為：

S212.根據(jù)步驟S211形成的所述聯(lián)合矢量得到第m層的上界面z_m-1處的聯(lián)合矢量為：

以及第m層的下界面z_m處的聯(lián)合矢量為：

S213.將步驟S212得到的第m層的上、下界面聯(lián)合矢量表達(dá)式聯(lián)立、消去后，得到所述聯(lián)合矢量由下至上傳遞公式為：

v_m(k_r,z_m-1)＝M_m(k_r)v_m(k_r,z_m)

其中，M_m(k_r)為第m層介質(zhì)由下至上的傳遞矩陣，若令第m層厚度為h_m＝z_m-z_m-1，則M_m(k_r)的表達(dá)式為：

以及由上至下的傳遞公式及傳遞矩陣為：

所述步驟S2中求解所述深度方程，獲取各介質(zhì)層分界面的聲壓核函數(shù)與垂直振速核函數(shù)的具體步驟包括：

S221.根據(jù)在計(jì)算域上邊界面聲能量只可能向上傳播、向下傳播的項(xiàng)為零，即使用下標(biāo)“0”表示上邊界，得到上邊界處的聲壓核函數(shù)φ₀(k_r,z₀)、垂直振速核函數(shù)w₀(k_r,z₀)分別為：

以及上邊界處的聯(lián)合矢量為：

其中，w₀(k_r,z₀)為上邊界的垂直振速核函數(shù)，矢量(1，B₀)^T為上邊界聲矢量，其中

根據(jù)在計(jì)算域下邊界面聲能量只可能向下傳播、向上傳播的項(xiàng)為零，即使用下標(biāo)“N”表示下邊界，得到下邊界處的聯(lián)合矢量為：

其中，w_N(k_r,z_N)為下邊界的垂直振速核函數(shù)，φ_N(k_r,z_N)為下邊界的聲壓核函數(shù)，(1，B_N)^T為下邊界聲矢量，其中

S222.將聲矢量從下邊界z_N向聲源深度z_s傳遞，即從下邊界z_N開(kāi)始，逐層傳遞計(jì)算聲矢量，直至聲源深度z_s，其中聲源深度緊下方的聯(lián)合矢量計(jì)算式為：

式中，w_N(k_r,z_N)為待定的下邊界垂直振速核函數(shù)，聲源深度緊下方聲矢量

S223.將聲矢量從上邊界z₀向聲源深度z_s傳遞，其中聲源深度緊上方傳遞得到的聯(lián)合矢量計(jì)算式為：

式中，w₀(k_r,z₀)為待定的上邊界垂直振速核函數(shù)，聲源深度緊上方聲矢量

S224.根據(jù)聲源界面條件計(jì)算出下、上邊界垂直振速核函數(shù)，其中在聲源界面滿(mǎn)足：

即v_s+1(k_r,z_s)-v_s(k_r,z_s)＝Δv(k_r,z_s)，展開(kāi)得到：

則求解得到下、上邊界垂直振速核函數(shù)分別為：

S225.根據(jù)計(jì)算出的下、上邊界垂直振速核函數(shù)w_N+1(k_r,z_N)、w₀(k_r,z₀)計(jì)算各介質(zhì)層界面位置的聲壓核函數(shù)φ(k_r,z)、垂直振速核函數(shù)w(k_r,z)的值；

所述步驟S3中求解聲壓時(shí)，具體Hankel反變換積分式為：

將所述Hankel反變換積分式中的水平波數(shù)k_r進(jìn)行離散后得到聲壓離散計(jì)算式為：

其中，Δk_r為水平波數(shù)步長(zhǎng)且Δk_r＝2π/(r_maxn_w)，r_max為聲場(chǎng)最大水平距離，n_w為Bessel函數(shù)在一個(gè)2π振蕩周期內(nèi)最小采樣點(diǎn)數(shù)，k_r,n為離散的水平波數(shù)且k_r,n＝nΔk_r-iε_k，i為虛數(shù)單位，ε_k為復(fù)偏移量且ε_k＝3Δk_r/(2πl(wèi)og₁₀e)，M為離散的水平波數(shù)的最大索引號(hào)且M＝k_max/Δk_r，k_max為截止波數(shù)；

對(duì)聲場(chǎng)各位置(r,z)處采用所述聲壓的離散計(jì)算式進(jìn)行水平波數(shù)積分計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)各位置(r,z)處的聲壓；

所述步驟S3中計(jì)算振速矢量時(shí)，求解垂直振速的步驟包括：

S311.對(duì)Hankel反變換積分式在垂直z方向求導(dǎo)數(shù)，得到第一變換式為：

其中，P(r,z)為頻率域相對(duì)聲壓，φ(k_r,z)為聲壓核函數(shù)，k_r為水平波數(shù)，r為水平方向的坐標(biāo)，z為豎直或深度方向的坐標(biāo)，w(k_r,z)為垂直振速核函數(shù)，J₀為零階Bessel函數(shù)，ρ為聲傳播介質(zhì)密度，ω＝2πf為聲源振動(dòng)角頻率，f為聲源振動(dòng)頻率；

S312.質(zhì)點(diǎn)的振速矢量V(r,z)＝(V_r(r,z)，V_z(r,z))中的垂直振速分量V_z(r,z)根據(jù)所述第一變換式進(jìn)行積分計(jì)算得到：

并對(duì)水平波數(shù)k_r進(jìn)行離散，得到垂直振速的離散積分計(jì)算式為：

S313.對(duì)聲場(chǎng)各位置(r,z)處采用所述垂直振速的離散積分計(jì)算式進(jìn)行水平波數(shù)積分計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)各位置(r,z)處的垂直振速；

所述步驟S3中計(jì)算振速矢量時(shí)，求解水平振速的具體步驟包括：

S321.對(duì)Hankel反變換積分式在水平r方向求導(dǎo)數(shù)，并將零階Bessel函數(shù)的導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換成一階Bessel函數(shù)，即得到第二變換式為：

其中，P(r,z)為頻率域相對(duì)聲壓，φ(k_r,z)為聲壓核函數(shù)，k_r為水平波數(shù)，r為水平方向的坐標(biāo)，z為豎直或深度方向的坐標(biāo)，J₀為零階Bessel函數(shù)，為一階Bessel函數(shù)；

S322.根據(jù)所述第二變換式進(jìn)行積分計(jì)算得到振速矢量中的水平振速分量V_r(r,z)為：

其中，ρ為聲傳播介質(zhì)密度，ω＝2πf為聲源振動(dòng)角頻率，f為聲源振動(dòng)頻率；

并對(duì)水平波數(shù)k_r進(jìn)行離散，得到水平振速的離散積分計(jì)算式為：

S323.對(duì)聲場(chǎng)各位置(r,z)處采用所述水平振速的離散積分計(jì)算式進(jìn)行水平波數(shù)積分計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)各位置(r,z)處的水平振速；

所述步驟S3中，根據(jù)聲壓計(jì)算傳播損失的計(jì)算式具體為：

TL(r,z)＝-20log₁₀|P(r,z)|

以及根據(jù)求解出的聲壓P(r,z)、振速矢量V(r,z)＝(V_r(r,z),V_z(r,z))按照下式計(jì)算聲場(chǎng)各位置(r,z)的時(shí)均聲強(qiáng)矢量；

其中，I(r,z)為時(shí)均聲強(qiáng)矢量，即在垂直于振速方向的平面上，單位面積上通過(guò)的聲能量的時(shí)間平均值，分別表示復(fù)數(shù)聲壓P(r,z)、振速V(r,z)的共軛復(fù)數(shù)。