一种海面反向散射强度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种海面反向散射强度测量方法。该测量方法包括：通过水下观测系统接收海面反向散射信号；根据所述散射信号，获取平均非相干散射信号；计算所述平均非相干散射信号对应的掠射角散射面积；根据所述掠射角散射面积，采用声呐方程计算海面反射强度。本发明专利技术对声源和水听器的要求相对较低，不需要对发射和接收系统指向性进行繁琐的校准。海上实验操作简便，成本较低。且对海域水深要求不高，只需满足基本的声场远场条件和防止多途干扰即可。本发明专利技术通过一次测量就能够同时获得较宽掠射角范围内的海面反向散射强度，大大提高了测量效率和准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种海面反向散射强度测量方法
本专利技术涉及海面反向散射领域，特别是涉及一种海面反向散射强度测量方法。
技术介绍
所谓海面反向散射，就是声源向海面发射一束声波，在与海面发生作用后，散射信号返回声源位置，并被该位置处的水听器接收到。海面反向散射的物理机制有：海表面的粗糙散射、近海面的气泡散射以及水中生物、杂质等的散射作用。其中粗糙散射和气泡散射起主导作用。同时，海面反向散射强度与入射掠射角、风速及声波频率等呈现出一定的变化规律和依赖关系。海面声散射是海洋混响的重要组成部分，对水下声场产生重要的影响。在浅海声通讯中，会造成发射信号的叠加干扰，引起时间域的拖尾效应。水声通讯误码率的降低和数据传输效率的提高有赖于包括声波与海面相互作用在内的精确声传播模型的建立。海面散射还是对海面目标进行探测和识别时混响背景的主要来源，浅海混响背景下的声呐性能预报离不开海面散射强度的准确预测。而且由于在实际应用中主动声呐多采用单基地布放方式，主要受海面反向散射特性的影响。综上，海面声散射的研究对于海洋混响、水下目标探测、声通讯及军事应用均具有重要的研究意义和应用价值。在海面散射特性实验研究中，通常采用两种观测方式。1.中高频多在浅海使用指向性声源和水听器，但对观测系统姿态和声源级要求较高，需要对发射和接收系统的指向性进行精确地校正。此外为了获得多个掠射角的海面散射数据，还需要设计精准的角度控制系统及相应的姿态监视系统。整个观测系统复杂繁琐且测量效率低下。2.低频海面声散射为满足角分辨率及远场条件的要求，同时避免海底散射等多途干扰，多采用爆炸声源在深远海中进行，测量成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种海面反向散射强度测量方法，用以快速、准确地测量海面反向散射强度。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种海面反向散射强度测量方法，所述测量方法包括：通过水下观测系统接收海面反向散射信号；根据所述散射信号，获取平均非相干散射信号；计算所述平均非相干散射信号对应的掠射角散射面积；根据所述掠射角散射面积，采用声呐方程计算海面反射强度。可选的，所述水下观测系统包括：用绳索依次连接固定的浮球、水听器、声源以及重块，所述声源用于发射脉冲信号，所述水听器用于接收经过海面散射后的脉冲信号。可选的，所述根据所述散射信号，获取平均非相干散射信号，具体包括：对所述散射信号进行去相干，得到非相干散射信号；求取所述非相干信号的包络信号；根据所述包络信号确定平均非相干散射信号。可选的，所述计算所述平均非相干散射信号对应的掠射角散射面积，具体包括：获取海水声速、所述水听器的深度以及所述声源的深度；获取所述脉冲信号沿短斜距从声源经海面散射后返回水听器的双程传播时间，为第一时间；获取所述脉冲信号沿长斜距从声源经海面散射后返回水听器的双程传播时间，为第二时间；根据所述海水声速、水听器深度、声源深度、所述第一时间以及所述第二时间，计算掠射角散射面积。可选的，所述根据所述海水声速、水听器深度、声源深度、所述第一时间以及所述第二时间，计算掠射角散射面积，具体包括：根据所述声源深度、所述水听器深度以及所述海水声速计算标准时间；判断所述第一时间是否大于所述标准时间；若是，根据所述海水声速、水听器深度、声源深度、所述第一时间以及所述第二时间，计算掠射角散射面积；若否，获取近垂直入射时的入射掠射角；根据所述水听器深度、所述声源深度以及所述近垂直入射时的入射掠射角，计算掠射角散射面积。可选的，所述标准时间的计算公式如下：其中，T表示标准时间，H1表示水听器深度，H2表示声源深度，cw表示海水声速。可选的，当所述第一时间大于所述标准时间时，掠射角散射面积的计算公式如下：其中，A表示掠射角散射面积，cw表示海水声速，H1表示水听器深度，H2表示声源深度，T1表示脉冲信号沿短斜距从声源经海面散射后返回到水听器的双程传播时间，T2表示脉冲信号沿短长斜距从声源经海面散射后返回到水听器的双程传播时间。可选的，当所述第一时间小于所述标准时间时，掠射角散射面积的计算公式如下：其中，A表示掠射角散射面积，H1表示水听器深度，H2表示声源深度，θ表示掠射角。可选的，所述根据所述掠射角散射面积，采用声呐方程计算海面反射强度，具体包括：获取所述秒冲信号的平均入射斜距和平均散射斜距；根据所述平均入射斜距计算所述声源到海面的信号传输损失，为第一损失；根据所述平均散射斜距，计算海面到所述水听器的信号传输损失，为第二损失；获取所述平均非相干散射信号的有效电压值；根据所述有效电压值以及水听器的灵敏度计算接收信号强度；根据所述掠射角散射面积、所述接收信号强度、所述第一损失以及所述第二损失，计算海面反射强度。可选的，所述掠射角散射面积的计算公式如下：BS(θ)＝RL-SL+TLin+TLout-10log10(A)其中，BS(θ)是掠射角θ的反向散射强度，RL是接收信号强度，SL是声源级，TLout表示声源到海面信号传输损失，TLin表示海面到水听器的信号传输损失。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术对声源和水听器的要求相对较低，不需要对发射和接收系统指向性进行繁琐的校准。海上实验操作简便，成本较低。且对海域水深要求不高，只需满足基本的声场远场条件和防止多途干扰即可。本专利技术通过一次测量就能够同时获得较宽掠射角范围内的海面反向散射强度，大大提高了实验测量效率。此外，本专利技术分别给出了中小掠射角和近垂直入射两种情况下，准确的有效照射区域面积计算公式，降低了海面散射强度的计算误差。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例海面反向散射强度测量方法的流程图；图2为本专利技术实施例水下观测系统的结构示意图；图3为本专利技术实施例掠射角散射面积示意图；图4为本专利技术实施例10kHz接收信号100次平均包络示意图；图5为本专利技术实施例10kHz实验数据计算海面反向散射强度与理论对比示意图；其中，1-浮球，2-声源，3-水听器，4-重块，5-海面，6-海底，7-直达波，8-海面垂直反射信号，9-船和海底反射回波，10-海面反向散射波。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海面反向散射强度测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：/n通过水下观测系统接收海面反向散射信号；/n根据所述散射信号，获取平均非相干散射信号；/n计算所述平均非相干散射信号对应的掠射角散射面积；/n根据所述掠射角散射面积，采用声呐方程计算海面反射强度。/n

【技术特征摘要】
1.一种海面反向散射强度测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：
通过水下观测系统接收海面反向散射信号；
根据所述散射信号，获取平均非相干散射信号；
计算所述平均非相干散射信号对应的掠射角散射面积；
根据所述掠射角散射面积，采用声呐方程计算海面反射强度。


2.根据权利要求1所述的海面反向散射强度测量方法，其特征在于，所述水下观测系统包括：用绳索依次连接固定的浮球、水听器、声源以及重块，所述声源用于发射脉冲信号，所述水听器用于接收经过海面散射后的脉冲信号。


3.根据权利要求1所述的海面反向散射强度测量方法，其特征在于，所述根据所述散射信号，获取平均非相干散射信号，具体包括：
对所述散射信号进行去相干，得到非相干散射信号；
求取所述非相干信号的包络信号；
根据所述包络信号确定平均非相干散射信号。


4.根据权利要求2所述的海面反向散射强度测量方法，其特征在于，所述计算所述平均非相干散射信号对应的掠射角散射面积，具体包括：
获取海水声速、所述水听器的深度以及所述声源的深度；
获取所述脉冲信号沿短斜距从声源经海面散射后返回水听器的双程传播时间，为第一时间；获取所述脉冲信号沿长斜距从声源经海面散射后返回水听器的双程传播时间，为第二时间；
根据所述海水声速、水听器深度、声源深度、所述第一时间以及所述第二时间，计算掠射角散射面积。


5.根据权利要求4所述的海面反向散射强度测量方法，其特征在于，所述根据所述海水声速、水听器深度、声源深度、所述第一时间以及所述第二时间，计算掠射角散射面积，具体包括：
根据所述声源深度、所述水听器深度以及所述海水声速计算标准时间；
判断所述第一时间是否大于所述标准时间；
若是，根据所述海水声速、水听器深度、声源深度、所述第一时间以及所述第二时间，计算掠射角散射面积；
若否，获取近垂直入射时的入射掠射角；
根据所述水听器深度、所述声源深度以及所述近垂直入射时的入射掠射角，计算掠射角散射面积。

【专利技术属性】
技术研发人员：阚光明，刘保华，戚乐华，杨志国，于盛齐，于凯本，李官保，王景强，裴彦良，刘晨光，
申请(专利权)人：自然资源部第一海洋研究所，国家深海基地管理中心，
类型：发明
国别省市：山东;37