[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

本發明公開了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,包括以下步驟，步驟1、對數據進行常規波束形成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，發現會聚區聲線到達角對頻率不敏感，到達角隨頻率起伏小，表面波導到達角對頻率較敏感，到達角隨頻率起伏大，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。本發明可以實現被動接收到達模式的辨識。

技術領域：

本發明屬于信號處理領域，具體涉及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。

背景技術：

聲信號在深海中的傳播最主要可以分為四種模式：直達波、影區、會聚區和表面波導傳播式，表面波導和會聚區都可實現水聲的遠距離傳播，是深海中重要的遠程傳播模式，因此受到了廣泛關注。

表面波導是由海洋表面等溫層導致聲速剖面微弱正梯度形成的，Baker和Schulkin基于實驗數據給出了表面波導中近距離聲傳播損失的經驗公式；Porter通過改變表面波導的特征參數如梯度、深度、表面聲速等，研究了表面波導的海洋和聲學特性；Duan等基于簡正波模型研究了表面波導中聲傳播的特點，分析了聲納主動發射和被動接收時的最優深度。表面波導是存在強烈時空變異性的不穩定信道，與表面聲道相比，深海聲道受季節變化的影響較小，聲道效應更加趨于穩定。深海中當滿足一定條件時會形成會聚區，Hale最早在海上實驗中觀察到會聚區,并對會聚區進行了一系列研究分析，給出了會聚區平均場強的估算公式；Urick分析了不同聲源深度時會聚區的變化情況，并指出了形成會聚區的必要條件。A.O.Williams基于簡正波理論解釋了會聚區形成的原因，指出會聚現象是大量同相簡正波疊加的結果；張仁和利用簡正波理論和射線理論討論了反轉點會聚區；范培勤等分析了深海會聚區現象的形成機理，給出了會聚區距離計算模型；郭李等將會聚區效應應用于定位，給出了一種基于會聚區聲強匹配的聲源定位方法,會聚區強度、距離等特征隨海洋水聲環境參數的變化，會聚區內信號相關性、到達結構、聲傳播等受到了廣泛關注。聲吶系統探測的會聚區模式基于會聚區聲傳播損失小的特點，可以探測會聚區內的水下目標。聲吶在深海中需根據實際的海洋環境，利用不同的聲傳播模式實現遠程水聲通信和探測。

但是，目前沒有尚未有表面波導和會聚區傳播模式辨識的研究。

發明內容：

本發明所要解決的技術問題是，提供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，該方法可以實現被動接收到達模式的辨識。

本發明的技術解決方案是，提供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,包括以下步驟，

步驟1、對數據進行常規波束形成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，發現會聚區聲線到達角對頻率不敏感，到達角隨頻率起伏小，表面波導到達角對頻率較敏感，到達角隨頻率起伏大，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、考慮到波達角隨頻率變化會因為噪聲的干擾或常規波束形成估計不準產生波動，因此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。

作為優選，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：