基于散射声场分离算法在浅海信道中测量方法技术

本发明专利技术公开了基于散射声场分离算法在浅海信道中测量方法，包括以下步骤：建立基于弹性结构的浅海信道散射声场模型，采用双层柱面阵列进行声压数据采样，提取浅海信道中两同轴柱形全息面上的复声压数据。提取两柱形全息面数据，计算全息面声压角谱。采用柱面声场分离技术对两柱形测量全息面声压数据进行分解，分离得到散射声场。重构散射声场，计算声场重构误差。对重建面的声压角谱进行波数域加窗，对加窗后的重建声压角谱进行傅里叶逆变换获得重建面声压。通过有限元软件对声场进行仿真，获取更为精准的两柱形全息面复声压数据，通过声场分离算法，有效的分离得到入射声和散射声，重构散射声场。重构散射声场。重构散射声场。

【技术实现步骤摘要】
基于散射声场分离算法在浅海信道中测量方法


[0001]本专利技术涉及声全息领域中浅海信道中目标识别的测量方法，特别涉及基于散射声场分离算法在浅海信道中测量方法。

技术介绍

[0002]声全息是将全息照相理论引用到声学领域而形成的声成像技术，根据成像距离的不同分为：近场声全息、远场声全息、常规声全息。与传统的全息技术相比，近场声全息由于测量面位置的选取，使其既包含了远场传播波成分，又包含了近场倏逝波成分，从而突破瑞利距离的限制,可以精确的识别噪声源和可视化空间声场。由于这样的优点和特点，使得近场声全息在声源的分析方面具有广阔的应用前景，成为噪声源识别和定位的重要方法之一。近场声全息技术的核心是其全息变换算法。其基本原理是利用基阵测量得到的目标辐射声场的声压或振速等声学量，利用不同的重构算法，进行声场的可视化重建或预测。
[0003]常规的近场声全息对环境要求比较严格，要求声源都在测量面的同一侧，另一侧为自由场环境。而在实际工程的测量环境下，这一点是很难保障的。此时进行重建的结果会因为存在其他目标的反射、散射等干扰，重建精度难以保障，甚至会出现完全影响判断。因此，对于非自由场的NAH技术研究日益成为关键问题。
[0004]对于目标声散射问题，最原始的是积分方程法，其基本原理是Helmholtz积分公式，理论上可计算任意复杂形状目标的散射声场，但积分方程本身的求解比较困难，但是其有明显的缺点，解的不稳定性和巨大的计算量。Rayleigh提出分离变量，结合边界条件求解简正级数，该方法可对无限长圆柱、球等给出严格解析解，仅适用于规则形状目标，此外，该方法的解为无穷级数形式，导致解的收敛性比较差。已经提出的严格理论解都只适用于一些简单目标。于是，对于复杂目标的散射声场计算，出现了多种数值解法和近似解法。比如：T矩阵法、物理声学计算方法、亮点模型和板块元理论等方法。有限元法是一种十分常见的数值计算方法，通过对区域离散化近似，线性叠加来完成计算，但在单独处理散射声场问题时，尤其是复杂、大尺寸目标和高频计算时，计算速度慢，对计算机硬件的要求高。相较于有限元方法，边界元法计算精度高，计算量减小，但面临大阶次矩阵的求逆计算，因而对具有复杂形状的目标建模十分困难。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供基于散射声场分离算法在浅海信道中测量方法，通过声场分离算法，有效的分离得到入射声和散射声，重构散射声场。为解决目标散射声场特性分析和测量问题提供新的研究途径，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]基于散射声场分离算法在浅海信道中测量方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：建立基于弹性结构浅海信道散射声场模型，采用双层柱面阵列进行声压数据采样，提取浅海信道中两同轴柱形全息面上的复声压数据；
[0009]步骤二：提取两柱形全息面数据，计算全息面声压角谱；
[0010]步骤三：采用柱面声场分离技术对两柱形测量全息面声压数据进行分解，分离得到散射声场；
[0011]步骤四：重构散射声场，计算声场重构误差。对重建面的声压角谱进行波数域加窗。对加窗后的重建声压角谱进行傅里叶逆变换获得重建面声压。
[0012]进一步地，步骤一结合待分析的模型及有限空间三维尺寸，建立弹性结构浅海信道声场模型，并进行网格划分，水域网格按照一个波长内不少于六个点的规则，采用自由四面体网格进行网格划分。
[0013]进一步地，步骤二对于理想流体介质定义为连续并且在运动的过程中不存在能耗问题的介质，三维环境下，声波在理想流体介质中的传播规律方程，表示为三个基本方程：
[0014][0015][0016][0017]式(1)、(2)中，ρ0在声学中表示传播介质密度；式(3)中ρ
′
是密度逾量，表示介质中有声场时密度和无声场时的密度之差，是一个与时间和空间相关的物理变量。式(3)中c0表示介质内的声音传播速度；式(1)、(2)中v和p分别表示声场中的质点振速和声压。
[0018]进一步地，步骤三声源激发的散射场和边界反射激发的散射声场视为目标的散射声场，声源具有声源1和声源2，两声源分布在两个全息面两侧。
[0019]进一步地，步骤四对连续的声压信号进行加窗处理，降低在柱面近场声全息的重构过程中由于对连续的声压信号进行有限截断而产生的频谱泄漏误差。
[0020]进一步地，步骤四的重建的计算过程中对波数域进行加窗，滤除高波数误差，其中，采用的滤波器为低通圆对称指数滤波器：
[0021][0022]其中，α为窗函数的陡峭系数；k
c
为截止波束。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的基于散射声场分离算法在浅海信道中测量方法，通过有限元软件对声场进行仿真，获取更为精准的两柱形全息面复声压数据，通过声场分离算法，有效的分离得到入射声和散射声，重构散射声场。为解决目标散射声场特性分析和测量问题提供新的研究途径。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的方法流程图；
[0025]图2为本专利技术步骤一中所建立的点声源
‑
弹性球浅海信道散射声场模型；
[0026]图3为本专利技术步骤二中所声源和两测量面之间的关系；
[0027]图4(a)为步骤二中声压数据提取主视图；
[0028]图4(b)为步骤二中声压数据提取X
‑
Z面视图；
[0029]图5为本专利技术中选取的声压值对比轴位置；
[0030]图6(a)为全息面距离目标z
H
＝0.17m时，目标在全息面1声压幅值对比；
[0031]图6(b)为全息面距离目标z
H
＝0.2m时,目标在全息面2上声压幅值对比；
[0032]图6(c)为全息面距离目标z
H
＝0.17m时,声源在全息面1声压幅值对比；
[0033]图6(d)为全息面距离目标z
H
＝0.2m时，声源在全息面2上声压幅值对比；
[0034]图7(a)为全息面距离目标z
H
＝0.17m时,目标在全息面1声压幅值对比；
[0035]图7(b)为全息面距离目标z
H
＝0.2m时,目标在全息面2上声压幅值对比；
[0036]图7(c)为全息面距离目标z
H
＝0.17m时,声源在全息面1声压幅值对比；
[0037]图7(d)为全息面距离目标z
H
＝0.2m时,声源在全息面2上声压幅值对比。
具体实施方式
[0038]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，都属于本专利技术保护的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于散射声场分离算法在浅海信道中测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立基于弹性结构浅海信道散射声场模型，采用双层柱面阵列进行声压数据采样，提取浅海信道中两同轴柱形全息面上的复声压数据；步骤二：提取两柱形全息面数据，计算全息面声压角谱；步骤三：采用柱面声场分离技术对两柱形测量全息面声压数据进行分解，分离得到散射声场；步骤四：重构散射声场，计算声场重构误差，对重建面的声压角谱进行波数域加窗，对加窗后的重建声压角谱进行傅里叶逆变换获得重建面声压。2.如权利要求1所述的基于散射声场分离算法在浅海信道中测量方法，其特征在于，步骤一结合待分析的模型及有限空间三维尺寸，建立弹性结构浅海信道声场模型，并进行网格划分，水域网格按照一个波长内不少于六个点的规则，采用自由四面体网格进行网格划分。3.如权利要求1所述的基于散射声场分离算法在浅海信道中测量方法，其特征在于，步骤二对于理想流体介质定义为连续并且在运动的过程中不存在能耗问题的介质，三维环境下，声波在理想流体介质中的传播规律方程，表示为三个基本方程：下，声波在理想流体介质中的传播规律方程，表示为三个基本方程：下，声波在...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖妍，李金凤，商德江，赵明月，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：