基于浮标系统的声速剖面反演方法技术方案

本发明专利技术提供了一种声速剖面的反演方法，它包括以下步骤：利用多个浮标组合作为信号的接收系统，每个浮标包括一个接收阵，浮标布放在海面上，接收阵连接在浮标的下方，浮标通过接收阵的接收水听器接收声源发射的声信号，采集并记录接收信号的数据；利用声信号由声源传播到达接收阵元的传播时间进行反演计算；采用遗传算法进行优化计算。本发明专利技术的方法可以快速的反演得到海水中的声速剖面，使用多个浮标组合作为信号的接收系统，浮标的结构较为简单，使用比较方便。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是水声传播
，具体涉及一种。
技术介绍
近年来，利用声学方法反演感兴趣的海洋环境参数已经成为一个十分重要的研究课题。由于实际的海洋环境条件复杂多变，声信号在海洋信道中传播时会受到各种环境因素的影响。为了对海洋中的声传播进行研究，掌握声信号在海洋信道中传播规律，能快速有效的获取海洋环境的相关参数是十分必要的。使用相应的仪器设备对海洋环境的相关参数直接进行测量一般需要较长的时间，用声学方法反演感兴趣的海洋环境参数是快速获取海洋环境参数一个比较方便、有效的途径，通常可以同时反演获取较大范围的海洋环境参数。由于不需要逐点对相关的环境参数进行直接的测量，可以节省大量的人力物力，并且可以进行比较长时间的连续监测。用声学方法反演获取海洋环境参数主要是通过在海水中布放的水听器阵对声场进行观测，然后对水听器接收到的声信号进行分析处理反演得到相应的海洋环境参数。海水中的声速是比较重要的海洋环境的声学参数，对海洋中的声传播有比较大的影响。目前，用声学方法反演海水中的声速剖面已经进行了一些理论和实验的研究工作([1]Tolstoy A，DiachokO，Frazer L N.Acoustic tomography via matched field processing，JASA 1991，89(3)，pP.1119-1127.[2]Goncharov V V，Voronovich A G. An experiment on matched-field acoustictomography with continuous wave signals in the Norway Sea.JASA，1993，93(4)，pp.1873-1881)，这些方法一般要求接收阵的长度与海深至少是可相比拟的，因此需要使用较长的基阵，花费较大，也不便于使用。并且由于实际的海洋环境复杂多变，各种复杂的环境因素也会对接收的信号产生影响，这些因素往往也会对反演结果带来影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以快速的反演获得海水中的声速剖面，利用多个浮标组合作为信号的接收系统，接收系统的结构较为简单、使用比较方便的声速剖面的反演方法。本专利技术的目的是这样实现的它包括以下步骤1.1、利用多个浮标组合作为信号的接收系统，每个浮标包括一个接收阵，浮标布放在海面上，接收阵连接在浮标的下方，浮标通过接收阵的接收水听器接收声源发射的声信号，采集并记录接收信号的数据；1.2、利用声信号由声源传播到达接收阵元的传播时间进行反演计算；1.3、采用遗传算法进行优化计算。本专利技术还有这样一些技术特征1、所述的接收阵为短垂直阵；2、采用遗传算法进行计算时代价函数为F(C,T→)=1Σi,j[tij(r→i,r→j,Tj)-τij]2]]>其中i，j分别为接收点与声源信号的序号， 为接收点与声源的坐标，Tj为各次声源信号的发射时刻， 为各次声源信号发射时刻的数组表示，C为海水中的声速剖面，tij，τij分别为不同接收点接收到信号时刻的计算值与观测值；3、声速剖面用经验正交函数描述，任意一点的声速值可以表示为c(x,y,zi)=c‾(zi)+Σm=1Mαmfm(zi)i=1,2···M]]>其中， 为平均声速剖面，fm(zi)为各阶经验正交函数向量，αm是各阶经验正交函数的修正系数；本专利技术利用多个浮标组合作为信号的接收系统，每个浮标包括一个接收阵，接收阵为短垂直阵。浮标布放在海面上，接收阵连接在浮标的下方，在接收阵的最下端悬挂了一个重锤，各个浮标在各自的位置接收由声源发射的声信号，采集并记录接收信号的数据。整个浮标系统的结构较为简单，使用比较方便。其中，声速剖面反演应用遗传算法进行优化计算，计算的步骤包括1、进行参数的编码；2、生成初始的群体；3、根据代价函数来确定群体中个体的适应值；4、根据群体中个体的适应度运用遗传算子产生新一代的种群；5、反复进行步骤3和步骤4直到代价函数收敛，得到问题的最优解。本专利技术的方法利用声信号由声源传播到达接收点的传播时间反演海水中的声速剖面。根据声信号的发射时刻和接收时刻可以得到声信号由声源传播到达接收点的传播时间ΔT＝τ-T其中，声源的发射信号的时刻为T，信号前沿到达接收水听器的时刻为τ。假设浮标的接收阵包括N个接收水听器，每个浮标通过接收阵接收由声源传播到达的声信号，各个水听器接收到信号的到达时刻为τn(n＝1，…，N)。根据声源发射信号的时刻T，应用射线理论可以计算不同参数对应的声速剖面下声信号由声源传播到达各个浮标相应接收水听器的时刻。计算的代价函数F(C,T→)=1Σi,j[tij(r→i,r→j,Tj)-τij]2]]>其中i，j分别为接收点与声源信号的序号， 为接收点与声源的坐标，Tj为各次声源信号的发射时刻， 为各次声源信号发射时刻的数组表示，C为海水中的声速剖面，tij，τij分别为不同接收点接收到信号时刻的计算值与观测值。声速剖面用经验正交函数描述，任意一点的声速值可以表示为c(x,y,zi)=c‾(zi)+Σm=1Mαmfm(zi)i=1,2···M]]>其中， 为平均声速剖面，fm(zi)为各阶经验正交函数向量，经验正交函数向量包括M个离散深度上的声速值，αm是各阶经验正交函数的修正系数。用经验正交函数描述声速剖面通常用前几阶经验正交函数就可以足够精确的表示海水中的声速剖面。用经验正交函数描述声速剖面可以达到较好的精度，并且所需的参数数目较少，降低了解空间的范围，可以提高反演算法的性能。本专利技术的方法利用多个浮标组合作为信号的接收系统，由于浮标可以在海面上自由漂浮，接收阵为短垂直阵，在海水中的布放深度不大，并且又在基阵的最下端悬挂重锤，可以使接收阵基本上保持垂直的状态，因此可以不需要对接收点的位置进行测量，也不需要进行阵形的修正。各个接收点的水平位置与浮标的位置相同，根据浮标的位置就可以得到各个接收点的水平位置。整个浮标系统的结构较为简单，使用比较方便。利用传播时间反演海水中的声速剖面，采用遗传算法进行优化计算。在实际的海洋环境条件下信号传播时间的测量容易得到较为精确的结果。在反演过程中不需要考虑信号的幅度信息，可以减少复杂的海洋环境因素对反演结果的影响。附图说明图1为本专利技术实施例的浮标布放的相对位置图；图2为本专利技术实施例的声速剖面反演流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步具体描述结合图1-2，在本专利技术所述的声速剖面反演方法中，利用多个浮标组合使用作为声信号的接收系统。假设在海面上分别布放四个浮标，它们的位置成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于浮标系统的声速剖面反演方法，其特征是：它包括以下步骤：１．１、利用多个浮标组合作为信号的接收系统，每个浮标包括一个接收阵，浮标布放在海面上，接收阵连接在浮标的下方，浮标通过接收阵的接收水听器接收声源发射的声信号，采集并记录接 收信号的数据；１．２、利用声信号由声源传播到达接收阵元的传播时间进行反演计算；１．３、采用遗传算法进行优化计算。

【技术特征摘要】
1.一种基于浮标系统的声速剖面反演方法，其特征是它包括以下步骤1.1、利用多个浮标组合作为信号的接收系统，每个浮标包括一个接收阵，浮标布放在海面上，接收阵连接在浮标的下方，浮标通过接收阵的接收水听器接收声源发射的声信号，采集并记录接收信号的数据；1.2、利用声信号由声源传播到达接收阵元的传播时间进行反演计算；1.3、采用遗传算法进行优化计算。2.根据权利要求1所述的基于浮标系统的声速剖面反演方法，其特征是所述的接收阵为短垂直阵。3.根据权利要求1所述的基于浮标系统的声速剖面反演方法，其特征是采用遗传算法进行计算时代价函数为F(C,T→)=1Σi,j[tij(r→i,r→j,Tj)-&...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨士莪，唐俊峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]