一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统及估计方法技术方案

本发明专利技术提出了一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统及估计方法；首先分析弹性海底波导的简正波模态特性与干涉结构特性，然后根据分析的干涉结构特性，进行时频干涉结构的二维傅里叶变换，提取谱密度峰值，最终基于分析得到的弹性海底波导简正波模态特性，以及计算得到的谱密度峰值点坐标，完成声源运动参数的估计；本发明专利技术基于弹性海底波导的简正波模态特性，分析了这一普遍存在的海洋环境的表面波特性，指出了弹性海底波导中对声场干涉结构起到主要作用的的简正波模态，优化了原有的二维傅里叶变换估计声源运动参数的算法，准确实现了声源运动参数在这一海洋环境波导中的估计。境波导中的估计。境波导中的估计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统及估计方法


[0001]本专利技术属于人工智能
，具体地，涉及一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统及估计方法。

技术介绍

[0002]相比于液态海底模型，覆盖于固体地壳表面的海洋更符合弹性海底的海洋波导模型，但同时由于其存在的诸多特殊性质，众多学者仍在对其进行长期的研究。根据地震学理论，可以确定弹性海底波导中存在一类特殊波动模态，即为表面波。早在19世纪，Lord Rayleigh从理论上阐明了可能存在沿着固体自由表面传播的声表面波，而在1924年，Stoneley研究两层固体弹性半空间之间存在的表面波，并给出相应的特征方程。一般出现在流体
‑
弹性固体边界上的称为Scholte波，而出现在弹性固体之间界面的称为Stoneley波
[0003]2017年，俄罗斯科学家G.N.Kuznetsov等人提出在时间
‑
频率域干涉图像上采用二维傅里叶变换的测速测距算法，这一算法仅需要使用一个单矢量水听器，在低信噪比的条件下取得了良好的效果。随后，S.A.Pereselkov等人验证了这一算法在较高频率下的适用性，扩宽了这一算法在声源运动参数估计的适用性。
[0004]但是，Kuznetsov与Pereselkov等人研究的海洋环境是位于半无限液态海底介质上的单层Pekeris波导，对简正波模态特性并没有深入的分析，也没有研究这一算法在海洋中广泛存在具有弹性介质特征的沉积层与岩质基底条件下算法的适用性。
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技术实现思路

[0005]本专利技术针对弹性海底条件下简正波模态特性出现明显不同于液态海底条件的变化的问题，基于海底反射系数的简正波方法，分析了弹性海底条件下的简正波模态特性，优化了基于时频干涉条纹的声源运动参数估计算法，进而提出了一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统及估计方法。
[0006]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计方法：
[0008]所述方法具体包括以下步骤：
[0009]步骤一：分析弹性海底波导环境的简正波模态特性与干涉结构特性；
[0010]步骤二：根据步骤一的干涉结构特性，进行时频干涉结构的二维傅里叶变换，提取谱密度峰值；
[0011]步骤三：基于步骤一的弹性海底波导简正波模态特性，以及步骤二计算得到的谱密度峰值点坐标，完成声源运动参数的估计。
[0012]进一步地，在步骤一中，
[0013]所述弹性海洋波导环境包含海水层、弹性沉积层与岩质基底；
[0014]海水层介质为理想流体，在深度z时其声速为c(z)，其密度ρ与深度、距离无关；
[0015]弹性沉积层的参数有纵波波速c
p1
、横波声速c
s1
、密度ρ1、纵波传播损失α
p1
、横波声速α
s1
与沉积层深度H1；
[0016]岩质基底的参数有纵波波速c
p2
、横波声速c
s2
、密度ρ2、纵波传播损失α
p2
、横波声速α
s2
。
[0017]进一步地，在步骤一中，
[0018]将一般波导中的简正波表达式，写为分析干涉结构的简正波幅度与e指数的表达式：
[0019][0020]其中简正波幅度A
n
(ω,r)的表达式为：
[0021][0022]根据声压场表达式写出简正波干涉幅度I
mn
(ω,r)表达式：
[0023][0024]根据公式(1)(2)(3)的各阶模态简正波干涉幅度，分析得到在当前弹性海底波导中声场干涉结构起到主要贡献的简正波模态。
[0025]进一步地，在步骤二中，
[0026]根据水听器接收信号的声强LOFAR谱图I(ω,t)进行二维傅里叶变换，如式(4)：
[0027][0028]其中v
r
是声源运动的径向速度，Δt是观测时间长度，ω0是观测频段中心角频率，Δω是观测频段宽度，ν是傅里叶变换因子中的频移，τ是傅里叶变换因子中的时延。
[0029]进一步地，在步骤二中，
[0030]在频移
‑
时延域上不同角度系数方向的谱密度F(τ,ν)幅度分布检测器Y(ε)写为：
[0031][0032]根据式中检测器得到的角度系数最大值，确定该方向上存在的距离原点最近的、由相邻模态简正波形成的峰值点坐标(τ1,ν1)。
[0033]进一步地，在步骤三中，
[0034]基于步骤二计算得到的谱密度峰值点坐标与弹性海底的简正波模态特性，给出声源运动参数估计的表达式：
[0035][0036]其中N
f
是步骤一分析得到的携带主要能量的第一阶简正波阶数，N是分析得到的
携带主要能量的简正波阶数，β值是基于式计算得到的干涉不变量值：
[0037][0038]其中k
n(n+1)
是相邻模态简正波本征值之差。
[0039]一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统：
[0040]所述系统包括：特征分析模块、傅里叶变换模块以及运动参数估计模块；
[0041]特征分析模块，用于分析弹性海底波导环境的简正波模态特性与干涉结构特性；
[0042]傅里叶变换模块，根据分析得到的干涉结构特性，进行时频干涉结构的二维傅里叶变换，提取谱密度峰值；
[0043]运动参数估计模块，根据分析得到的弹性海底波导简正波模态特性，以及计算得到的谱密度峰值点坐标，完成声源运动参数的估计。
[0044]进一步地，所述特征分析模块分析的弹性海洋波导环境包含海水层、弹性沉积层与岩质基底；
[0045]海水层介质为理想流体，在深度z时其声速为c(z)，其密度ρ与深度、距离无关；
[0046]弹性沉积层的参数有纵波波速c
p1
、横波声速c
s1
、密度ρ1、纵波传播损失α
p1
、横波声速α
s1
与沉积层深度H1；
[0047]岩质基底的参数有纵波波速c
p2
、横波声速c
s2
、密度ρ2、纵波传播损失α
p2
、横波声速α
s2
。
[0048]一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
[0049]一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
[0050]本专利技术有益效果
[0051]本专利技术基于弹性海底波导的简正波模态特性，分析了这一普遍存在的海洋环境的表面波特性，指出了弹性海底波导中对声场干涉结构起到主要作用的的简本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：步骤一：分析弹性海底波导环境的简正波模态特性与干涉结构特性；步骤二：根据步骤一的干涉结构特性，进行时频干涉结构的二维傅里叶变换，提取谱密度峰值；步骤三：基于步骤一的弹性海底波导简正波模态特性，以及步骤二计算得到的谱密度峰值点坐标，完成声源运动参数的估计。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在步骤一中，所述弹性海洋波导环境包含海水层、弹性沉积层与岩质基底；海水层介质为理想流体，在深度z时其声速为c(z)，其密度ρ与深度、距离无关；弹性沉积层的参数有纵波波速c
p1
、横波声速c
s1
、密度ρ1、纵波传播损失α
p1
、横波声速α
s1
与沉积层深度H1；岩质基底的参数有纵波波速c
p2
、横波声速c
s2
、密度ρ2、纵波传播损失α
p2
、横波声速α
s2
。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在步骤一中，将一般波导中的简正波表达式，写为分析干涉结构的简正波幅度与e指数的表达式：其中简正波幅度A
n
(ω,r)的表达式为：根据声压场表达式写出简正波干涉幅度I
mn
(ω,r)表达式：根据公式(1)(2)(3)的各阶模态简正波干涉幅度，分析得到在当前弹性海底波导中声场干涉结构起到主要贡献的简正波模态。4.根据权利要求2所述方法，其特征在于：在步骤二中，根据水听器接收信号的声强LOFAR谱图I(ω,t)进行二维傅里叶变换，如式(4)：其中v
r
是声源运动的径向速度，Δt是观测时间长度，ω0是观测频段中心角频率，Δω是观测频段宽度，ν是傅里叶变换因子中的频移，τ是傅里叶变换因子中的时延。5.根据权利要求4所述方法，其特征在于：在步骤二中，在频移
‑
时延域上不同角度系数方向的谱密度F(τ,ν)幅度分布检测器Y(ε)写为：根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明辉，叶扬，朴胜春，张海刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：