[發明專利]一種基于聲波到達角寬帶起伏特性的深海傳播模式辨識方法

在審

• 申請號: 202211217282.1
• 申請日: 2022-10-02
• 公開（公告）號: CN115639520A
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發明（設計）人: 朱方偉;鄭廣贏;郭小瑋;劉福臣;張巧力
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七一五研究所
• 主分類號: G01S3/80
• 分類號: G01S3/80;G01S7/52
• 代理公司: 杭州興知捷專利代理事務所(特殊普通合伙) 33338
• 代理人: 林振興

1.一種基于聲波到達角寬帶起伏特性的深海傳播模式辨識方法,其特征在于：包括以下步驟，

步驟1、對數據進行處理得到不同頻率下的陣列響應，得到波達角-頻率關系；

步驟2、基于推導，在波達角-頻率關系的基礎上提取波達角隨頻率的起伏變化曲線；

步驟3、對波達角隨頻率的起伏變化曲線做平滑處理以減少非周期性干擾；

步驟4、通過計算波達角隨頻率變化的均方差來量化目標到達角隨頻率的波動程度作為會聚區和表面波導辨識的依據。

2.根據權利要求1所述的基于聲波到達角寬帶起伏特性的深海傳播模式辨識方法，其特征在于：步驟2的設計過程中，表面波導到達角起伏特性的推導為：

根據簡正波理論，遠場的聲壓表示為一系列簡正波的疊加：

式中，(r_s,z_s)和(r,z)分別為目標和接收的位置，為第m號簡正波的模態函數，k_m為對應模態的水平波數；M為模態數；r_s可假設為0；垂直線列陣各陣元接收的信號表示為：

x＝[p(r,z₁；z_s),p(r,z₂；z_s),K,p(r,z_N；z_s)]^T (2)

式中，z_i為陣元深度，N表示陣元數，()^T為轉置運算符；陣列波束形成輸出表示為：

y＝w(θ)^Hx (3)

式中，w(θ)為陣列加權系數，θ為導向角，()^H為共軛轉置運算符，期望方向上，加權向量表示為：

w(θ)＝[1,e^ikdsinθ,e^ik2dsinθ,K,e^{ik(N-1)dsinθ}]^T (4)

式中，k為信號波數，d為陣元間距；常規波束形成的輸出能量表示為

P(θ)＝yy^H＝w(θ)^Hxx^Hw(θ) (5)

將式(1)和式(2)代入式(3)可得

記

式(6)表示為

式中，A_m為第m個模態的幅度，Ψ_m為對第m個模態的空間采樣；將式(9)代入式(5)，可得

式(10)可以轉換為兩部分：

式中，第一部分為陣列對所有模態的響應，第二部分為模態的耦合響應；從式(11)可得

當i＝j時，只包含1/r和1/k_i兩個變量，所以該項對波達角沒有影響；當i≠j時，和為復數，包含隨距離和水平波數差變化的簡諧項因此在距離不變時，波達角將會隨(k_i-k_j)波動，將共軛項合并表示為余弦函數：

T_i,j＝C_i,jcos((k_i-k_j)r+φ_i,j) (13)

式中，C_i,j為幅度，φ_i,j為初始相位，表達式分別為

式(11)可表示為

上式第一項表達波達角隨距離和頻率變化的平均值，第二項表示隨距離和水平波數差起伏大??；頻率與水平波數差的關系表示為

式中，θ_i和θ_j分別為第i個和第j個模態的波達角；

當目標距離不變時，由公式(16)第二項可得，波達角起伏周期為

k_i-k_j＝2π/r (18)

將式(18)代入式(17)可得

式中，f_i,j為對應第i階和第j階模態的起伏周期，可以認為f_i,j為對應波達角的起伏周期。