一種基于頻域自相關(guān)的淺海海底單參數(shù)反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及淺海海底聲學(xué)參數(shù)反演領(lǐng)域，特別涉及一種基于頻域自相關(guān)的淺海海 底單參數(shù)反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在淺海環(huán)境中，海底地聲參數(shù)對聲傳播特性的影響很大，對聲傳播起著決定性的 作用。海底地聲參數(shù)是淺海聲場分析和計(jì)算的必要先驗(yàn)信息，它的獲取對于淺海聲場預(yù)報(bào)、 聲納性能最優(yōu)化、匹配場定位和海底底質(zhì)分類等應(yīng)用有著重要的意義。
[0003] 傳統(tǒng)的海底地聲參數(shù)獲取方法主要是以海底采樣為代表的直接測量方法。這些方 法能夠獲得較為準(zhǔn)確的地聲參數(shù)值，但是存在一些難以克服的不足：（1)花費(fèi)昂貴、費(fèi)時(shí)費(fèi) 力；（2)獲得的地聲參數(shù)具有明顯的局部性，只能獲得離散點(diǎn)的值，若采樣數(shù)據(jù)較少則不能 全面代表大范圍的海底參數(shù)；（3)受外部條件的影響比較大，樣本容易擾動(dòng)，如樣本失去海 底原有的溫度和壓力等條件。
[0004] 近年來得益于信號處理技術(shù)的進(jìn)展、水聲物理與多個(gè)學(xué)科的交叉，地聲參數(shù)聲學(xué) 反演技術(shù)迅猛發(fā)展。地聲反演方法，即通過間接測量水下聲信號，逆推海底環(huán)境信息的間接 地聲參數(shù)獲得方法，可以連續(xù)、大尺度地獲得淺海海底底質(zhì)特征，具有經(jīng)濟(jì)高效、獲得結(jié)果 連續(xù)豐富等優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 常見的地聲反演方法多是基于多參數(shù)海底模型進(jìn)行海底聲學(xué)參數(shù)反演，多參數(shù)反 演過程中，參數(shù)間的耦合是反演設(shè)計(jì)者常常需要考慮的問題。一個(gè)典型的例子就是匹配場 處理中聲源深度與傳播距離的耦合。一些方法以計(jì)算量為代價(jià)在尋優(yōu)過程中確定正確的結(jié) 果，但這不能從根本上解決這一問題。尤其當(dāng)?shù)芈暷Ｐ偷膮?shù)作為反演結(jié)果存在復(fù)雜的耦 合關(guān)系時(shí)，一個(gè)參數(shù)的估計(jì)錯(cuò)誤會引起多米諾效應(yīng)般的連續(xù)錯(cuò)誤。
[0006]與參數(shù)間的耦合類似，參數(shù)間的敏感性也是海底多維聲學(xué)參數(shù)反演中難以回避的 問題，例如在處理近場反射聲信號時(shí)，沉積物密度的敏感性就遠(yuǎn)低于沉積聲速。對于這一類 問題，以分步反演為代表的方法也能取得與真值符合的結(jié)果，但是參數(shù)敏感性屬于地聲模 型固有的物理性質(zhì)，難以從根本上消除。
[0007] 因此，近年來國內(nèi)聲學(xué)研宄者有提出利用小掠射角下海底反射損失隨掠射角的變 化率Fdb (dB/rad)來描述海底，建立了淺海海底單參數(shù)模型，該單參數(shù)模型在大范圍尺度里 可以較好地描述水下聲場。
[0008] 本發(fā)明即在該單參數(shù)模型基礎(chǔ)上提出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于，為克服當(dāng)前多維參數(shù)反演方法存在的測量復(fù)雜、多維尋優(yōu)計(jì) 算量大、參數(shù)間的耦合造成的不確定性等問題，從降低反演參數(shù)維數(shù)入手，通過分析海底聲 學(xué)回波中包含的時(shí)頻相關(guān)特征，從而提出相應(yīng)的單參數(shù)反演方法。本發(fā)明提供了一種基于 頻域自相關(guān)的淺海海底單參數(shù)反演方法，包括步驟：S1.計(jì)算接收到的聲信號的歸一化的 頻域自相關(guān)函數(shù)；S2.計(jì)算當(dāng)所述歸一化的頻域自相關(guān)函數(shù)下降到0. 5時(shí)所對應(yīng)的頻移量， 記為AfH;S3.計(jì)算所述單參數(shù)。
[0010] 進(jìn)一步地，步驟S1中按照如下公式計(jì)算接收到的聲信號的歸一化的頻域自相關(guān) 函數(shù)：
[0011]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于頻域自相關(guān)的淺海海底單參數(shù)反演方法，其特征在于，包括步驟：
51. 計(jì)算接收到的聲信號的歸一化的頻域自相關(guān)函數(shù)；
52. 計(jì)算當(dāng)所述歸一化的頻域自相關(guān)函數(shù)下降到0.5時(shí)所對應(yīng)的頻移量，記為AfH;
53. 計(jì)算所述單參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻域自相關(guān)的淺海海底單參數(shù)反演方法，其特征在于， 步驟Sl中按照如下公式計(jì)算接收到的聲信號的歸一化的頻域自相關(guān)函數(shù)：
其中，P(f)為所述聲信號的傅里葉變換，Af為頻移量，〈〉表示均值。
3. 根據(jù)權(quán)利書要求1所述的基于頻域自相關(guān)的淺海海底單參數(shù)反演方法，其特征在 于，步驟S3中按照如下公式計(jì)算所述單參數(shù)：
其中，cw為海水中的聲速，H為海深。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于頻域自相關(guān)的淺海海底單參數(shù)反演方法，通過在頻域上對聲信號進(jìn)行自相關(guān)處理，利用推導(dǎo)出的頻域自相關(guān)系數(shù)與淺海海底單參數(shù)之間的關(guān)系，對海底單參數(shù)進(jìn)行反演。其包含如下步驟：S1.對水聽器接收到的聲信號進(jìn)行頻域自相關(guān)處理；S2.獲取歸一化的頻域自相關(guān)系數(shù)下降到0.5時(shí)所對應(yīng)的頻移量；S3.利用頻移量與淺海海底單參數(shù)之間的關(guān)系，反演得到單參數(shù)的值。該方法可以快速獲取海底單參數(shù)，其將海底聲學(xué)參數(shù)從多維降低為一維，反演過程極大簡化，避免了多維尋優(yōu)和參數(shù)間的耦合帶來的敏感性不同等問題，反演出的單個(gè)參數(shù)可以在大范圍內(nèi)很好的描述淺海海底反射性質(zhì)，并可進(jìn)行水下聲場預(yù)報(bào)、海底沉積物分類等應(yīng)用。
【IPC分類】G01S7-539
【公開號】CN104820218
【申請?zhí)枴緾N201510275387
【發(fā)明人】趙梅, 胡長青, 徐海東, 王平, 張強(qiáng)
【申請人】中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月26日