一种散射声场快速预报方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术公开了一种散射声场快速预报方法、系统及介质，方法包括：对目标空间图像进行二维傅里叶变换处理，得到第一图像频谱表示；对第一图像频谱表示进行二维面积分处理，得到第二图像频谱表示；基于先验知识构建围线积分和面积分关系，得到积分关系表示；根据第二图像频谱表示和积分关系表示，确定第三图像频谱表示；对第三图像频谱表示进行限线段求和转换处理，确定第四图像频谱表示；基于第四图像频谱表示，确定二维频谱数值解；基于二维频谱数值解提取得到对半圆弧频域样本值；确定散射声压表示，基于指向特征得到目标指向性函数；根据目标指向性函数，通过对半圆弧频域样本值进行散射声场预报。本发明专利技术能够提高了声散射场预报的准确性和效率。的准确性和效率。的准确性和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种散射声场快速预报方法、系统及介质


[0001]本专利技术涉及水下目标识别
，尤其是一种散射声场快速预报方法、系统及介质。

技术介绍

[0002]对于简单形状目标，如满足柱坐标、椭圆柱坐标、球坐标、二次曲线坐标等条件的水下目标可以使用分离变量法得到亥姆霍兹方程的解析解，获得散射远场的精确表达式。在实际工程应用中，真实水中目标的形状相对复杂甚至是任意的。因此，无法通过解析方法获得散射声压。有限元法(FEM)、有限差分时域法(FDTD)和边界元法(BEM)等数值方法能够获得任意形状目标散射解。然而，这些方法具有高计算成本，不适合工程应用。如利用有限元法进行三维球体目标散射特性，按照四面体网格进行剖分，当最大网格单元采用1/6波长时，不同频率条件下目标网格剖分结果，如图1所示，网格单元的尺寸随着频率的升高越来越小，造成网格数量的激增。因此，有限元方法计算水下目标散射声场虽然可以得到较为精确的解，但是并不适合于宽带、高频、及大尺度目标散射声场的求解。而采用频率扫略方式获得调频宽带散射声场，需要一周左右的时间，显然针对高频、宽带、精细频率间隔很难进行实时计算，不利于工程应用。
[0003]依据逆向运用衍射CT原理的声场预报方法，获得声场的预报效率和精度主要取决于频谱计算的效率和精度。从效率上看，传统的2D
‑
DFT变换已经具有研究成熟和广为人知的快速算法，将声场图像模型进行频谱计算在效率上可以得到足够保证。目标和水介质的密度、声速等声学参数构建二维声场的图像模型。空间采样率为δ＝λ/10，其中λ为入射声波的波长，图像尺寸为256
×
256，如图2(a)给出具有不同截面形状的目标声场二维图像模型。由于空间图像在有限网格上成像方法，锯齿边界始终存在于图像中，这是因为图像的单元像素是在有限的笛卡尔网格上采样的，边界锯齿是固有的物体成像误差。增加采样率，只能在一定程度上降低误差但是无法完全消除，另外增加采样率图像空间分辨率会增加，锯齿不光滑程度降低，但是计算频谱的成本急剧变大，不利于声场预报的实时性。采样2D
‑
FFT算法直接对图像进行频谱求解，并以对数标度表示频谱幅度，如图2(b)所示。可以看出，偏离真实光滑边界的锯齿对频谱精度的影响很大。特别在高频处的误差非常显著，甚至偏离正确的谱波动趋势，出现错误的结果。
[0004]以其中原本为光滑边界的椭球目标为例，采用逆向衍射CT和时域有限差分法(FDTD)两种方法计算散射远场指向分布，通过后向投影在(0～360)范围内归一化累加结果表示。图3中红色虚线为FDTD算法得到的结果，蓝色实线是逆向衍射CT方法得到的，结果出现了较大的起伏，甚至在0
°
,90
°
,180
°
,270
°
等方位出现峰谷倒置现象。
[0005]由此可见，现有技术构建声场图像模型，进行声场预报的方法，虽然计算效率提高，但是计算精度仍然需要进一步改进。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术实施例提供一种散射声场快速预报方法、系统及介质，能够有效提高声散射场预报的准确性和效率。
[0007]一方面，本专利技术的实施例提供了一种散射声场快速预报方法，包括：
[0008]对目标空间图像进行二维傅里叶变换处理，得到第一图像频谱表示；
[0009]对所述第一图像频谱表示进行二维面积分处理，得到第二图像频谱表示；
[0010]基于先验知识构建围线积分和面积分关系，得到积分关系表示；
[0011]根据所述第二图像频谱表示和所述积分关系表示，确定第三图像频谱表示；
[0012]对所述第三图像频谱表示进行限线段求和转换处理，确定第四图像频谱表示；
[0013]基于所述第四图像频谱表示，确定二维频谱数值解；基于所述二维频谱数值解提取得到对半圆弧频域样本值；
[0014]确定散射声压表示，基于指向特征得到目标指向性函数；
[0015]根据所述目标指向性函数，通过所述对半圆弧频域样本值进行散射声场预报。
[0016]可选地，所述方法还包括：
[0017]构建二维声场图像模型，得到目标空间图像；
[0018]其中，所述二维声场图像模型的表达式为：
[0019][0020]式中，c0表示水密度；ρ0表示声速；c(x,y)表示目标的密度；ρ(x,y)表示目标的声速；当I(x,y)＝0，表示水域，否则，表示目标区域。
[0021]可选地，所述第一图像频谱表示的表达式为：
[0022]F(u,v)＝∫∫I(x,y)exp[
‑
j(ux+vy)]dxdy
[0023]式中，F(u,v)表示图像频谱，I(x,y)表示目标空间图像，(x，y)为图像像素空间坐标，(u,v)表示频域坐标，exp[
‑
j(ux+vy)]为复指数表示的基函数。
[0024]可选地，所述第二图像频谱表示的表达式为：
[0025][0026]式中，F(u,v)表示图像频谱，I(x,y)表示目标空间图像，∫∫
·
dS为目标表面面积分，表示矢量函数的旋度，表示第i个线段在x方向单位向量，exp[
‑
j(ux+vy)]为复指数表示的基函数。
[0027]可选地，所述基于先验知识构建围线积分和面积分关系，得到积分关系表示，包括：
[0028]通过Stokes定理确定围线积分和面积分关系，得到积分关系表示；
[0029]其中，所述积分关系表示的表达式为：
[0030][0031]式中，表示目标区域中具有连续偏导数的向量场，∮(
·
)dl表示沿逆时针方向对闭合目标曲线进行的线积分，∫∫(
·
)dS表示二维曲面积分，目标曲线为目标区域曲面的边
界。
[0032]可选地，所述第三图像频谱表示的表达式为：
[0033][0034]式中，F(u,v)表示图像频谱，I(x,y)表示目标空间图像，∮(
·
)dl表示沿逆时针方向对闭合目标曲线进行的线积分，exp[
‑
j(ux+vy)]为复指数表示的基函数，表示第i个线段在x方向单位向量，表示第i个线段在y方向单位向量，j表示复数向量的虚部。
[0035]可选地，所述第四图像频谱表示的表达式为：
[0036][0037]式中，θ
n
＝2πn/N表示各个线段与坐标轴的夹角，a
n
和b
n
分别表示节点n和n+1之间的第n个线段的斜率和截距，定义为(x
n
，y
n
)表示封闭边界的坐标(x,y)的离散描述，x
n
＝r
n
cosθ
n
和y
n
＝r
n sinθ
n
(n＝1,2,
…
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种散射声场快速预报方法，其特征在于，包括：对目标空间图像进行二维傅里叶变换处理，得到第一图像频谱表示；对所述第一图像频谱表示进行二维面积分处理，得到第二图像频谱表示；基于先验知识构建围线积分和面积分关系，得到积分关系表示；根据所述第二图像频谱表示和所述积分关系表示，确定第三图像频谱表示；对所述第三图像频谱表示进行限线段求和转换处理，确定第四图像频谱表示；基于所述第四图像频谱表示，确定二维频谱数值解；基于所述二维频谱数值解提取得到对半圆弧频域样本值；确定散射声压表示，基于指向特征得到目标指向性函数；根据所述目标指向性函数，通过所述对半圆弧频域样本值进行散射声场预报。2.根据权利要求1所述的一种散射声场快速预报方法，其特征在于，还包括：构建二维声场图像模型，得到目标空间图像；其中，所述二维声场图像模型的表达式为：式中，c0表示水密度；ρ0表示声速；c(x,y)表示目标的密度；ρ(x,y)表示目标的声速；当I(x,y)＝0，表示水域，否则，表示目标区域。3.根据权利要求1所述的一种散射声场快速预报方法，其特征在于，所述第一图像频谱表示的表达式为：F(u,v)＝∫∫I(x,y)exp[
‑
j(ux+vy)]dxdy式中，F(u,v)表示图像频谱，I(x,y)表示目标空间图像，(x，y)为图像像素空间坐标，(u,v)表示频域坐标，exp[
‑
j(ux+vy)]为复指数表示的基函数。4.根据权利要求1所述的一种散射声场快速预报方法，其特征在于，所述第二图像频谱表示的表达式为：式中，F(u,v)表示图像频谱，I(x,y)表示目标空间图像，∫∫
·
dS为目标表面面积分，表示矢量函数的旋度，表示第i个线段在x方向单位向量，exp[
‑
j(ux+vy)]为复指数表示的基函数。5.根据权利要求1所述的一种散射声场快速预报方法，其特征在于，所述基于先验知识构建围线积分和面积分关系，得到积分关系表示，包括：通过Stokes定理确定围线积分和面积分关系，得到积分关系表示；其中，所述积分关系表示的表达式为：式中，表示目标区域中具有连续偏导数的向量场，∮(
·
)dl表示沿逆时针方向对闭合目标曲线进行的线积分，∫∫(
·
)dS表示二维曲面积分，目标曲线为目标区域曲面的边界。6.根据权利要求1所述的一种散射声场快速预报方法，其特征在于，所述第三图像频谱
表示的表达式为：式中，F(u,v)表示图像频谱，I(x,y)表示目标空间图像，∮(
·
)dl表示沿逆时针方向对闭合目标曲线进行的线积分，exp[
‑
j(ux+vy)]为复指数表示的基函数，表示第i个线段在x方向单位向量，表示第i个线段在y方向单位向量，j表示复...

【专利技术属性】
技术研发人员：张培珍，莫晴舒，唐杰平，周光波，
申请(专利权)人：广东海洋大学，
类型：发明
国别省市：