[發明專利]一種基于積分方程的三維含卷浪海面聲散射特性分析方法

有效

• 申請號: 202011149868.X
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112364487B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 柴水榮;魏儀文;李科;李娟;孟肖;郭立新
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T17/00
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 張舉

1.一種基于積分方程的三維含卷浪海面聲散射特性分析方法，其特征在于，包括：

建立三維卷浪起伏模型；

將Elfouhaily海譜中的短波譜對應的海面起伏加入到三維卷浪起伏模型中，建立具有一定粗糙度的卷浪起伏模型；

通過布爾運算對具有一定粗糙度的卷浪起伏模型與海面模型進行拼接，建立三維含卷浪局部海面模型；

采用積分方程方法，對三維含卷浪局部海面模型，進行含卷浪海面聲散射特性分析；

所述建立三維卷浪起伏模型，具體包括：

考慮風速因素，在Fournier卷浪模型的基礎上對海浪的波長和高度進行改進，改進后三維卷浪起伏模型如下式所示：

其中，H和L分別代表波浪的有效波高及波長；并且H和L與風速之間的關系為：

S＝H/L,

式中，S代表坡陡，u₁₀為海面上方10米處風速；S的取值范圍為0≤s≤1，在S的特定范圍內引入s₁和s₂，具體取值如下：

當0≤s≤0.5時，s₁和s₂表示為

當0.5≤s≤1.0時，s₁和s₂表示為

式中，k₁～k₇為引入的另外一組物理量，其取值不僅與s相關，還與時間t有關；

另外，r和φ表示為：

所述建立具有一定粗糙度的卷浪起伏模型，具體包括：

利用蒙特卡洛方法，在頻域對Elfouhaily海譜中的短波譜進行濾波，再做逆傅里葉變換，得到幾何起伏模型：

其中，為三維海浪波的功率譜密度函數，δk_x＝2π/L_x和δk_y＝2π/L_y和分別表示x和y方向的采樣間隔，為空間波數矢量，γ(k)為滿足高斯分布的復高斯隨機序列，上標*代表取復共軛運算；表示無限深水域的線性海浪波的色散關系，將空間頻率k＝|k|和時間頻率聯系起來，k_m＝363.2rad/m，g₀為重力加速度；

根據三維卷浪起伏模型和幾何起伏模型，確定具有一定粗糙度的卷浪起伏模型z′＝z+Δz；

所述Elfouhaily海譜中的短波譜，具體包括：

S(k)＝k^-3B_H(k)

其中，α_m為小尺度波廣義平衡參數，表示為

且u_f為海表面摩擦風速，海表面摩擦風速u_f和海面上方高度z處的風速U(z)存在如下關系：

所述采用積分方程方法，對三維含卷浪局部海面模型，進行含卷浪海面聲散射特性分析，具體包括：

假設有一聲波照射到海面上，海面的輪廓函數為z＝f(x,y)，滿足f(x,y)＝0；θ_inc和θ_sca分別代表入射角和散射角，定義位置矢量為

海面中總聲場表示為：

p(r)＝p_i(r)+p_s(r)

其中，p_s(r)代表散射聲場函數，且總聲場滿足亥姆霍茲方程為：

式中，k表示聲波波數；

格林函數G(r,r′)滿足：其中，Λ(r-r′)是脈沖函數，且

式中，R＝|r-r′|表示源點r′與場點r的距離；根據格林定理有：

式中，是海面上源點r′位置處的單位法矢量，dS′為海面上任意一個面元的面積；

根據絕對軟邊界條件，當r趨于海面時：p(r)＝0，所以有

令b(r)＝p_i(r)，將這兩式帶入上式得

∫_sG(r,r′)U(r′)dS′＝b(r)

剖分檢驗后為：

其中，

A_mn＝ΔSG(r_m,r_n)

得到U_n后，通過下式得到散射波：

散射截面定義為：

2.如權利要求1所述的基于積分方程的三維含卷浪海面聲散射特性分析方法，其特征在于，還包括：

在通過布爾運算對具有一定粗糙度的卷浪起伏模型與海面模型進行拼接時，對具有一定粗糙度的卷浪起伏模型與海面模型的連接處進行插值處理，使其連接處一階導和二階導均連續。