[發(fā)明專利]一種水下聲源功率譜特征獲取方法、系統(tǒng)及應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110563547.2
• 申請日: 2021-05-24
• 公開（公告）號: CN113325399A
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王好忠;王良;高偉;李小雷
• 申請（專利權(quán)）人: 中國海洋大學(xué)
• 主分類號: G01S7/537
• 分類號: G01S7/537;G10L25/18
• 代理公司: 北京匯捷知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11531
• 代理人: 盛君梅

1.一種水下聲源功率譜特征獲取方法，其特征在于，所述水下聲源功率譜特征獲取方法包括以下步驟：

水平陣接收目標(biāo)輻射信號及傅里葉變換預(yù)處理；

計算距離-頻率域的聲強(qiáng)干涉結(jié)構(gòu)；

確定聲功率譜與聲強(qiáng)干涉結(jié)構(gòu)的關(guān)系；

利用插值算法沿干涉亮紋提取聲強(qiáng)值；

進(jìn)行聲源功率譜估計。

2.如權(quán)利要求1所述的水下聲源功率譜特征獲取方法，其特征在于，所述水平陣接收目標(biāo)輻射信號及傅里葉變換預(yù)處理，包括：利用包含N個等間隔陣元的水平陣，接收目標(biāo)輻射聲信號，陣元間距為d；水平陣布放方式為海底固定的方式；假設(shè)第n個陣元接收信號為y_n(t)，對接收信號作傅里葉變換對應(yīng)的頻譜為Y_n(ω)，淺海信道的聲傳輸函數(shù)為G(ω；r_n,z_s,z_r)，目標(biāo)輻射信號的頻譜為S(ω)，則接收信號的頻譜可以表示為：

Y_n(ω)＝S(ω)G(ω；r_n,z_s,z)+N_n(ω) n＝1,2,...,N；

對于密度均勻的分層介質(zhì)來說，聲傳輸函數(shù)可以用簡正波求和來表示：

其中，k_m(ω),α_m(ω)分別為第m號簡正波在頻率為ω時的本征水平波數(shù)的實部和虛部，是第m號簡正波的本征函數(shù)，z_s為聲源的深度，z為接收器的深度，r為聲源和接收器之間的水平距離；

假設(shè)聲源的頻譜為：

在高信噪比條件下，忽略環(huán)境噪聲的影響，接收器位置接收到的聲信號的頻域表達(dá)式為：

其中，r_n為第n個陣元到目標(biāo)聲源的距離；

當(dāng)測量距離滿足遠(yuǎn)場條件，但測量距離遠(yuǎn)大于水平陣有效孔徑時，A_m可近似表示為：

其中，r₀為聲源到水平陣陣中心的距離。

3.如權(quán)利要求1所述的水下聲源功率譜特征獲取方法，其特征在于，所述計算距離-頻率域的聲強(qiáng)干涉結(jié)構(gòu)，包括：

定義水平陣第n個陣元接收信號的強(qiáng)度為：

其中，

式聲強(qiáng)度分為兩部分：相干成分和非相干成分：

其中式右邊第一項為非相干成分，第二項為相干成分。

4.如權(quán)利要求1所述的水下聲源功率譜特征獲取方法，其特征在于，所述確定聲功率譜與聲強(qiáng)干涉結(jié)構(gòu)的關(guān)系，包括：

由分層介質(zhì)中的波導(dǎo)不變量理論可得：

Δk_ml(ω)＝γ_mlω^-1/β；

其中，γ_ml跟簡正波號數(shù)和海洋環(huán)境參數(shù)有關(guān)，隨頻率基本不變；β為波導(dǎo)不變量，用來刻畫聲場的干涉結(jié)構(gòu)和頻散特性，使得聲場的干涉結(jié)構(gòu)可以利用較少的參數(shù)來表示；

當(dāng)兩號簡正波的相位差滿足：

則此兩號簡正波相長干涉；

對于均勻的測量環(huán)境，水體密度、水體聲速近似為常數(shù)，此時簡正波的本征函數(shù)幾乎隨頻率不變；聲源和接收器的水平位置和深度一定時，聲強(qiáng)干涉亮紋軌跡滿足：

對于遠(yuǎn)距離測量時，僅有低號簡正波對聲場其主要貢獻(xiàn)，近似有k_m(ω)≈ω/c，c為水體內(nèi)平均聲速，沿式表示的干涉條紋有：

其中，D₂為常數(shù)，跟目標(biāo)深度、水聽器深度、目標(biāo)-水平陣間距和測試海洋環(huán)境有關(guān)，在干涉亮紋上的強(qiáng)度分布為：

亦即：

公式與距離無關(guān)，這樣沿干涉曲線就可以近似估計目標(biāo)聲源的輻射功率譜。