射线声传播模型与圆环阵传递函数耦合的信号建模方法技术

本发明专利技术涉及一种射线声传播模型与圆环阵传递函数耦合的信号建模方法，包括水声场多途信息的计算、圆环阵传递函数的计算、水声场多途到达信息与圆环阵传递函数的耦合等步骤。本发明专利技术的有益效果是该方法考虑了声传播和无限长圆柱壳体散射效应的耦合，利用射线声传播模型BELLHOP得到圆环阵圆心处多途声线的到达信息，再结合圆环阵的传递函数，得到圆环阵阵元信号。信号。信号。

【技术实现步骤摘要】
射线声传播模型与圆环阵传递函数耦合的信号建模方法


[0001]本专利技术涉及一种水下散射声场阵元信号建模技术，是一种射线声传播模型下的无限长刚性圆柱表面圆环阵信号建模方法。

技术介绍

[0002]射线模型是声传播模型的一种，其物理概念清晰，是最早应用在水下声场计算中的方法之一。射线声学理论中，假设接收声场是由声源发射的具有一定的幅度和掠射角的声线构成，声线的传播方向垂直于波阵面。连接声源和接收器的声线被称为本征声线，接收点所有本征声线的叠加构成了接收处的声场。射线理论的研究不仅可以了解声线路径的特性，还有助于解释其他声传播模型的结果。
[0003]圆柱壳体可以起到增加水听器之间时间差、强度差以及频谱差异的作用，这些信息可作为定位线索增强探测能力，声波从声源到水听器接收的物理过程可通过传递函数描述，传递函数刻画了声传播的效应和壳体的声散射特性，包括声传播的传递函数和壳体的传递函数，并且圆环阵的传递函数需要射线模型提供的多途声线的到达俯仰角。在实际物理过程中，壳体散射特性与水声场耦合形成水听器的观测信号。因此，考虑声传播和壳体散射的圆环阵阵元信号的建模具有一定的应用价值。

技术实现思路

[0004]为实现水听器无限长刚性圆柱表面圆环阵信号建模，需要同时考虑声传播效应和壳体的散射效应。
[0005]本专利技术提出一种射线声传播模型与圆环阵传递函数耦合的信号建模方法，包括如下步骤：
[0006]S1获取水声场多途到达信息：将声源接收参数和环境参数输入到射线计算模型BELLHOP中进行水声场计算，读取计算结果，得到圆环阵圆心处的多途到达信息；
[0007]S2计算圆环阵传递函数：根据圆环阵尺寸、阵元坐标以及步骤S1获得的多途到达信息，计算得到圆环阵的传递函数；
[0008]S3水声场多途到达信息与圆环阵传递函数的耦合：将步骤S1得到的多途声线的声压与步骤S2得到的圆环阵的传递函数相乘，再将多途声线相乘后的结果相加，得到单声源的圆环阵阵元信号；
[0009]S4叠加得到多个声源信号：对于不同水平来波方向的多个声源信号的叠加，重复步骤S1、S2、S3，再将对应的阵元信号相加，得到多个声源叠加后的阵元接收信号。
[0010]所述的步骤S1具体为：将设定的环境参数和声源接收参数输入到射线计算模型BELLHOP中进行水声场计算，得到多途声线的幅度、传播时间、出射角、入射角、水面反射次数、水底反射次数以及到达接收点的总声线的条数信息，其中多途声线的入射角信息送到S2进行圆环阵传递函数的计算，多途声线的幅度、传播时间用来重构接收处多途声线的复声压为：
[0011]a
l
(f)＝A
l
×
exp(i2πft)
[0012]其中，a
l
(f)为第l条多途声线的复声压，A
l
为多途声线的幅值，f为信号频率，c为声速，t为多途声线的传播时间；
[0013]计算得到的多途声线的复声压送到S3进行相关计算。
[0014]所述的步骤S1中，环境参数和声源接收参数包括声源深度、声源距离、声源信号频率、接收深度、水深、声速剖面和水底质参数。
[0015]所述的步骤S2具体为：将圆环阵的传递函数表示为：
[0016][0017]其中，k
l
表示为φ
g
为第g个来波方向的水平角，为第g个来波方向第l条声线的俯仰角，*表示复共轭，jn(klr)为n阶柱贝塞尔函数，hn(2)(klr)为第二类汉克尔函数，φ
q
为圆环阵第q个阵元在圆环阵坐标系下表示的水平角，r为圆环阵半径，r
a
为刚性圆柱半径；
[0018]将设定的圆环阵半径r、圆环阵各阵元坐标φ
q
、声源信号的频率f和步骤S1中得到的多途到达角φ
g
、代入到圆环阵传递函数公式中得到圆环阵的传递函数s。
[0019]所述的步骤S3具体为：每一条多途声线都有对应的圆环阵传递函数，根据步骤S1计算得到第g个水平来波方向上第l条多途声线的声压为根据步骤S2计算得到该声线相对圆环阵第q个阵元的传递函数为则对于来波方向为φ
g
的信号，圆环阵第q个阵元的声压为：
[0020][0021]所述的步骤S4具体为：重复步骤S1、S2、S3，得到多个声源的圆环阵阵元接收信号，将对应的阵元信号相加，得到多个声源叠加后的阵元接收信号为：
[0022][0023]本专利技术提供的方法考虑了声传播与无限长圆柱壳体散射的耦合效应，是一种射线声传播模型与柱壳表面圆环阵传递函数耦合的阵元信号建模方法，具体是利用射线声传播模型BELLHOP得到圆环阵圆心处多途声线的到达信息，再结合圆环阵的传递函数，得到无限长刚性圆柱表面圆环阵元信号。本专利技术为考虑声传播的无限长刚性圆柱表面圆环阵阵元信号建模提供了模型和方法支持。
附图说明
[0024]图1为本专利技术射线声传播模型与圆环阵传递函数耦合的信号建模方法的流程图。
[0025]图2为本专利技术步骤S1中利用射线模型BELLHOP计算得到深度
‑
距离平面上的到达接收点处的多途本征声线图。
[0026]图3为本专利技术步骤S2中圆环阵坐标体系下第g个来波方向的水平角φ
g
以及第l条
声线的俯仰角θ
gl
及阵元坐标φ
q
图。
具体实施方式
[0027]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。
[0028]本专利技术利用射线声传播模型和刚性圆柱表面圆环阵的传递函数，仿真得到考虑声传播和壳体散射耦合的阵元信号，包括：1)利用射线模型BELLHOP计算得到深度
‑
距离平面上的多途信息；2)将壳体参数和信号到达信息输入到圆环阵传递函数公式中得到圆环阵的传递函数；3)将到达圆环阵圆心处的多途声线声压分别与对应的圆环阵传递函数相乘，再将多途声线相乘后的结果相加，即可得到声传播和壳体散射耦合的圆环阵阵元信号。
[0029]具体地，提出一种射线声传播模型与圆环阵传递函数耦合的信号建模方法，包括如下步骤：
[0030]S1水声场多途到达信息的获取。将声源深度、声源距离、声源信号频率、接收深度、水深、声速剖面、水底质等目标和环境参数输入到射线计算模型BELLHOP中进行水声场计算，得到接收点处的多途本征声线，如图2所示，包括多途声线的到达角度、多途声线的幅度、相位等信息。BELLHOP将计算的多途信息打包为一个“*.arr”的文件，读取该文件，得到多途声线的幅度、传播时间、出射角、入射角、水面反射次数、水底反射次数以及到达接收点的总声线的条数，其中多途声线的入射角信息送到S2进行圆环阵传递函数的计算，多途声线的幅度、传播时间用来重构接收处多途声线的复声压，
[0031]a
l
(f)＝A
l
×
exp(i2πft)...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种射线声传播模型与圆环阵传递函数耦合的信号建模方法，其特征在于，包括如下步骤：S1获取水声场多途到达信息：将声源接收参数和环境参数输入到射线计算模型BELLHOP中进行水声场计算，读取计算结果，得到圆环阵圆心处的多途到达信息；S2计算圆环阵传递函数：根据圆环阵尺寸、阵元坐标以及步骤S1获得的多途到达信息，计算得到圆环阵的传递函数；S3水声场多途到达信息与圆环阵传递函数的耦合：将步骤S1得到的多途声线的声压与步骤S2得到的圆环阵的传递函数相乘，再将多途声线相乘后的结果相加，得到单声源的圆环阵阵元信号；S4叠加得到多个声源信号：对于不同水平来波方向的多个声源信号的叠加，重复步骤S1、S2、S3，再将对应的阵元信号相加，得到多个声源叠加后的阵元接收信号。2.根据权利要求1所述的射线声传播模型与圆环阵传递函数耦合的信号建模方法，其特征在于，所述的步骤S1具体为：将设定的环境参数和声源接收参数输入到射线计算模型BELLHOP中进行水声场计算，得到多途声线的幅度、传播时间、出射角、入射角、水面反射次数、水底反射次数以及到达接收点的总声线的条数信息，其中多途声线的入射角信息送到S2进行圆环阵传递函数的计算，多途声线的幅度、传播时间用来重构接收处多途声线的复声压为：a
l
(f)＝A
l
×
exp(i2πft)其中，a
l
(f)为第l条多途声线的复声压，A
l
为多途声线的幅值，f为信号频率，c为声速，t为多途声线的传播时间；计算得到的多途声线的复声压送到S3进行相关计算。3.根据权利要求2所述的射线声传播模型与圆环阵传递函数耦合的信号建模方法，其特征在于：所述的步骤S1中，环境参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹怀刚，潘悦，王强，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：