[發(fā)明專利]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)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01H3/04
• 分類號(hào): G01H3/04;G01H3/10
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務(wù)所(普通合伙) 43008
• 代理人: 周長(zhǎng)清;胡君

本發(fā)明公開(kāi)一種預(yù)報(bào)海洋矢量聲場(chǎng)的方法、系統(tǒng)及介質(zhì)，該方法步驟包括：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，建立柱坐標(biāo)系水聲Helmholtz方程，經(jīng)過(guò)變換后得到深度方程；S2.求解深度方程，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)聲壓核函數(shù)計(jì)算聲壓，根據(jù)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)計(jì)算水平振速；S4.根據(jù)求解出的聲壓、振速矢量，計(jì)算出待預(yù)報(bào)海洋區(qū)域的水聲傳播損失與聲強(qiáng)矢量。本發(fā)明能夠基于海洋環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)振速矢量的預(yù)報(bào)，同時(shí)能夠提高振速矢量預(yù)報(bào)的精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水聲場(chǎng)探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種預(yù)報(bào)海洋矢量聲場(chǎng)的方法、系統(tǒng)及介質(zhì)。

背景技術(shù)

聲波是目前水下通信、海洋環(huán)境與目標(biāo)探測(cè)的主要手段，在軍事與經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域均有重要應(yīng)用價(jià)值。水下聲波的接收傳感器一般稱為水聽(tīng)器，傳統(tǒng)水聽(tīng)器為標(biāo)量水聽(tīng)器，只能測(cè)量聲場(chǎng)中的標(biāo)量參數(shù)(如聲壓)。目前較為先進(jìn)的水聽(tīng)器是矢量水聽(tīng)器，既能夠測(cè)量標(biāo)量參數(shù)，也可測(cè)量聲場(chǎng)中的矢量參數(shù)(如質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，簡(jiǎn)稱振速)，對(duì)提高水下探測(cè)系統(tǒng)的性能具有重要意義。

由于海底地形、海洋環(huán)境(主要為聲速、密度，具有時(shí)變特性)、聲源頻率與位置等因素都對(duì)水聲傳播具有重要影響，在水聽(tīng)器布放選址、陣列形狀優(yōu)化、接收信號(hào)處理與分析等過(guò)程中，都需要對(duì)海洋聲場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，即結(jié)合動(dòng)態(tài)變化的海洋環(huán)境進(jìn)行聲場(chǎng)數(shù)值模擬，并將預(yù)報(bào)結(jié)果融入到水聽(tīng)器信號(hào)處理過(guò)程中，因此海洋聲場(chǎng)預(yù)報(bào)對(duì)提高水聽(tīng)器應(yīng)用水平、增強(qiáng)水下探測(cè)系統(tǒng)性能具有重要作用。

但是傳統(tǒng)的水聲模型(如波數(shù)積分法、簡(jiǎn)正波法等)僅能預(yù)報(bào)標(biāo)量聲場(chǎng)，而若要獲得矢量聲場(chǎng)，需要在聲場(chǎng)內(nèi)布置較密的網(wǎng)格點(diǎn)，在求解出各點(diǎn)聲壓后，再采用有限差分法計(jì)算各點(diǎn)的聲壓導(dǎo)數(shù)，最后將聲壓導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換成振速。上述傳統(tǒng)的采用有限差分法計(jì)算聲場(chǎng)矢量(振速)的方法，存在以下不足：

(1)聲場(chǎng)網(wǎng)格間距受到有限差分法的限制。為了保證導(dǎo)數(shù)差分計(jì)算的正確性需要使網(wǎng)格間距足夠小(聲壓值在相鄰網(wǎng)格點(diǎn)區(qū)間內(nèi)變化不大)，在每個(gè)方向上的網(wǎng)格間距一般都要取參考波長(zhǎng)的若干分之一(如取十分之一)，在僅需要計(jì)算水聽(tīng)器周圍少數(shù)空間位置振速的情況下，該限制條件將對(duì)聲場(chǎng)矢量的計(jì)算量與計(jì)算方法靈活性產(chǎn)生不利影響。

(2)有限差分法計(jì)算聲壓導(dǎo)數(shù)將引入額外的數(shù)值誤差。實(shí)際應(yīng)用中一般采用有限階數(shù)的有限差分法(如二階精度)，在網(wǎng)格間距為有限值時(shí)(不是趨于零)，差分計(jì)算導(dǎo)數(shù)的過(guò)程將引入有限差分法的耗散與色散誤差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種預(yù)報(bào)海洋矢量聲場(chǎng)的方法、系統(tǒng)及介質(zhì)，能夠基于海洋環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)振速矢量的預(yù)報(bào)，并基于直接進(jìn)行水平波數(shù)積分的振速計(jì)算方法可提高振速矢量預(yù)報(bào)的精度。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種預(yù)報(bào)海洋矢量聲場(chǎng)的方法，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。

進(jìn)一步的，所述步驟S1的步驟包括：