【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水声物理和海底粗糙界面测量领域，特别涉及一种基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法及系统。
技术介绍
1、海底边界是海洋波导对声传播的重要约束条件。海底边界包括海底地形的变化和小尺度随机起伏边界的叠加。理论上只要分辨率足够高，海底边界是可以完全描述的。目前的海深测量手段对于大尺度的地形变化的测量结果是可信的，而且精度相对较高；但是针对厘米量级的小尺度粗糙界面难以实现大面积快速测量，无法满足水声学的需求。
2、厘米量级的小尺度粗糙界面往往会使入射到该界面的声能量发生散射，增大声传播损失。所以对于小尺度海底粗糙界面的获取对水声学研究尤为重要。美国学者对该类型界面的测量研究最早。上世纪80年代末，潜水员潜入海底手动绘制了1.8m的海底微扰粗糙界面剖面。随后，也利用了立体光学摄像机获取局部的海底粗糙界面的随机起伏。激光扫描设备也被用到这种小尺度界面的测量，但是由于激光在水下的强度衰减较大，所以只能在近海底的位置进行测量。上述的测量方式只能进行局部测量，难以满足水声学的应用需求。国内针对该小尺度的微扰起伏界面的测量研究尚未开展。
3、厘米量级的海底微扰起伏是声场的主散射源，是引起海底混响的主要原因。根据全波动混响理论，厘米量级的海底粗糙界面以粗糙度谱的形式体现。海底混响强度可以表述为海底粗糙界面谱函数和混响波导衰减项的乘积，两者相互独立。海底混响数据获取方法简单、快速，同时混响数据能够反映区域化的海底粗糙界面结果。所以利用宽带海底混响数据能够实现对海底粗糙界面谱函数的快速估计。
4、在混响
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于对海底厘米量级的粗糙界面进行大面积、快速估计。本专利技术利用宽带海底混响数据快速获取并反映大面积海底粗糙界面信息的优势，从中获取海底粗糙界面谱函数随频率变化的曲线，进而反演得到描述海底粗糙界面的统计特性参数，实现对海底粗糙界面快速遥感的目的，为海洋环境快速评估提供技术支撑。
2、为达到上述目的，本专利技术通过下述技术方案实现。
3、本专利技术提出了一种基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，该方法包括：
4、获取海底混响强度的频率特性曲线；
5、估计海洋混响强度波导衰减项的频率特性曲线；
6、基于海底混响强度的频率特性曲线和海洋混响强度波导衰减项的频率特性曲线，获取海底粗糙界面谱函数；
7、根据获取的海底粗糙界面谱函数，使用粗糙度谱函数模型获得海底粗糙界面随机起伏的统计特性参数，实现海底粗糙界面遥感。
8、作为上述技术方案的改进之一，所述获取海底混响强度的频率特性曲线，具体包括：
9、布放声源并通过声源向海底发射宽带声信号；
10、在水体中布放水听器，并通过水听器采集海底混响声信号；
11、对采集到的混响声信号进行窄带滤波和短时能量平均处理，得到多频点混响强度，进而获得混响强度的频率特性曲线。
12、作为上述技术方案的改进之一，所述估计海洋混响强度波导衰减项的频率特性曲线，具体包括：利用声源和水听器的布放位置、声源发射频率、海洋声速剖面以及海底地声参数，通过数值仿真估计与混响时刻对应的海洋混响强度波导衰减项的频率特性曲线。
13、作为上述技术方案的改进之一，所述海底粗糙界面谱函数，经从宽带海底混响强度中剔除声源级和混响强度波导衰减项得到，表达式为：
14、sp(f)＝rl(t,f)-sl(f)-g(t,f)
15、其中，sp(f)是海底粗糙界面谱函数，随频率f变化；rl(t,f)表示t时刻、频率f的混响强度；sl(f)代表频率f的声源级值；g(t,f)表示t时刻、频率f的混响强度波导衰减项。
16、作为上述技术方案的改进之一，所述从宽带海底混响强度中剔除声源级和混响强度波导衰减项，提取得到海底粗糙界面谱函数的过程中，还包括：对各时刻提取的海底粗糙界面谱函数进行平均处理。
17、作为上述技术方案的改进之一，所述海底粗糙界面谱函数的频率指数由海底粗糙界面谱函数的分贝值随频率变化的斜率直接反映。
18、作为上述技术方案的改进之一，所述粗糙度谱函数模型w(κ)的表达式为：
19、w(κ)＝σ2lπ(1+(κl)2)-(1+v)
20、其中，σ2和l分别表示海底粗糙界面随机起伏的方差和相关长度，v为海底粗糙界面谱函数的频率指数，κ表示海底粗糙界面随机起伏的空间频率。
21、作为上述技术方案的改进之一，所述根据获取的海底粗糙界面谱函数，使用粗糙度谱函数模型获得海底粗糙界面随机起伏的统计特性参数，包括：
22、估计海底粗糙界面谱函数的频率指数；
23、使用估计的频率指数和粗糙度谱函数模型获得海底粗糙界面随机起伏的方差和相关长度。
24、本专利技术还提出了一种基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感系统，所述系统包括：
25、混响强度获取模块，用于获取海底混响强度的频率特性曲线；
26、混响强度波导衰减项获取模块，用于估计海洋混响强度波导衰减项的频率特性曲线；
27、海底粗糙界面谱函数获取模块，用于获取海底粗糙界面谱函数；和
28、统计特性参数获取模块，用于使用获取的海底粗糙界面谱函数和粗糙度谱函数模型获得海底粗糙界面随机起伏的统计特性参数，实现海底粗糙界面遥感。
29、作为上述技术方案的一种改进，所述统计特性参数获取模块，包括：
30、频率指数获取单元，用于估计海底粗糙界面谱函数的频率指数；和
31、相关参数获取单元，用于使用估计的频率指数和粗糙度谱函数模型获得海底粗糙界面随机起伏的方差和相关长度。
32、本专利技术的一种利用海洋声学数据对厘米量级的海底粗糙界面随机起伏的遥感技术，该技术的特点在于：
33、(1)对海底随机起伏界面的遥感精度在厘米量级的范围；现有的海洋测深仪对海底深度的测量精度最高在米量级的范围，受预设声速的约束很大，往往难以精确到厘米量级。本专利技术针对厘米量级的海底随机起伏，考虑其对声散射和混响声场的影响，提出了基于海底混响数据对厘米量级海底粗糙界面的遥感技术，能够给出海底界面在厘米量级范围的随机起伏特性，为优化海洋环境参数以及海洋声环境预报理论提供技术支撑；
34、(2)很大程度上减小时间成本、人力成本等；相对于传统的认为手绘和光学测量技术而言，本专利技术提出的利用海底混响数据对海底粗糙界面遥感的方法，能很大程度上节省时间成本和人力成本；混响本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，该方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，其特征在于，所述获取海底混响强度的频率特性曲线，具体包括：
3.根据权利要求1所述的基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，其特征在于，所述估计海洋混响强度波导衰减项的频率特性曲线，具体包括：利用声源和水听器的布放位置、声源发射频率、海洋声速剖面以及海底地声参数，通过数值仿真估计与混响时刻对应的海洋混响强度波导衰减项的频率特性曲线。
4.根据权利要求1所述的基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，其特征在于，所述海底粗糙界面谱函数，经从宽带海底混响强度中剔除声源级和混响强度波导衰减项得到，表达式为：
5.根据权利要求4所述的基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，其特征在于，所述从宽带海底混响强度中剔除声源级和混响强度波导衰减项，提取得到海底粗糙界面谱函数的过程中，还包括：对各时刻提取的海底粗糙界面谱函数进行平均处理。
6.根据权利要求1所述的基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，其特征在于，所
7.根据权利要求1所述的基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，其特征在于，所述粗糙度谱函数模型W(κ)的表达式为：
8.根据权利要求1所述的基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，其特征在于，所述根据获取的海底粗糙界面谱函数，使用粗糙度谱函数模型获得海底粗糙界面随机起伏的统计特性参数，包括：
9.一种基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感系统，其特征在于，所述系统包括：
10.根据权利要求9所述的基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感系统，其特征在于，所述统计特性参数获取模块，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，该方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，其特征在于，所述获取海底混响强度的频率特性曲线，具体包括：
3.根据权利要求1所述的基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，其特征在于，所述估计海洋混响强度波导衰减项的频率特性曲线，具体包括：利用声源和水听器的布放位置、声源发射频率、海洋声速剖面以及海底地声参数，通过数值仿真估计与混响时刻对应的海洋混响强度波导衰减项的频率特性曲线。
4.根据权利要求1所述的基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，其特征在于，所述海底粗糙界面谱函数，经从宽带海底混响强度中剔除声源级和混响强度波导衰减项得到，表达式为：
5.根据权利要求4所述的基于宽带混响数据的海底粗糙界面遥感方法，其特征在于，所述从宽带海底混响强度中剔除声源级和混响强度波导衰...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯倩男，尚尔昌，吴金荣，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：
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