CN102435988B - 任意声速梯度下海洋混响的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意声速梯度下海洋混响的仿真方法，包括如下步骤：(1)计算海水的变声速梯度；(2)在空间上均匀布置混响散射元；(3)根据海水的变声速梯度计算混响散射元的本征声线，并根据混响散射元的本征声线选取混响散射元；(4)分别计算选取的混响散射元中海面散射元产生的海面混响时间序列、体积散射元产生的体积混响时间序列和海底散射元产生的海底混响时间序列，并将海面混响时间序列、体积混响时间序列和海底混响时间序列进行叠加得到海洋混响时间序列。本发明的仿真方法不仅能在任意声速梯度下工作，而且能精确模拟海洋混响。

Description

任意声速梯度下海洋混响的仿真方法

技术领域

本发明涉及水声工程技术领域，尤其涉及一种任意声速梯度下海洋混响的仿真方法。

背景技术

海洋混响是海洋中的发射阵发射的声波在传播过程中，在起伏海面、不平整海底及海水介质内部随机不均匀体上反向散射到接收阵中的接收点所产生的信号。它是主动声纳的主要背景干扰并限制了对声纳设备的作用距离。因此，越来越多的人开始了对混响抑制算法的研究。

在嵌有混响抑制算法的主动声纳装备的研制过程中，由于水声设备的研制周期长、投资大、海上试验复杂且成本昂贵，因而，装备的研制过程受到试验设备、环境条件和经费的制约而不能进行大量的海上试验。如果在设备研制开始前能够利用仿真系统预先评估出不同结构和参数对抑制性能的影响，那么可事半功倍、缩短研制周期和节省研制经费。因此，混响仿真是水声设备调试、测试和作战模拟训练的关键环节。

目前，常用的混响仿真是采用一种将散射元的反向散射时间信号直接叠加的方法。该方法是采用单元散射理论，假设海底底质是均匀缓变且等声速梯度的条件下，将接收换能器在某时刻接收到的所有有贡献的反向散射波进行叠加。

然而，一方面，由于上述方法是在等声速梯度条件下获得混响，而实际海洋环境在多数情况下是变声速梯度，因而，上述方法不能准确反映海洋的实际情况，从而影响了仿真的准确度和精度。另一方面，声纳平台在实际应用时具有一定的运动速度，而声纳平台的运动会带来多普勒频移且多普勒频移使得混响特性对方位有非常密切的依赖关系，由于上述混响仿真方法并未考虑声纳平台运动所带来的具有方位耦合的多普勒频移，因而，上述方法不能准确反映混响对方位的依赖关系，从而使得该方法的应用受到限制。

因此，有必要提供一种任意声速梯度下海洋混响的仿真方法来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种任意声速梯度下海洋混响的仿真方法，不仅能在任意声速梯度下工作，而且能精确模拟海洋混响。

为了实现上述目的，本发明提供了一种任意声速梯度下海洋混响的仿真方法包括如下步骤：（1）计算海水的变声速梯度；（2）在空间上均匀布置混响散射元；（3）计算混响散射元中的海面散射元、体积散射元的声线和海底散射元的声线从发射阵触发经过一个周期后回到发射阵所在平面的周期跨度，根据声速梯度计算声线曲率，根据三类散射元中任意一种散射元的本征声线和声线曲率计算海面散射元、体积散射元和海底散射元分别到接收阵的本征声线，根据海面散射元、体积散射元和海底散射元分别到接收阵的本征声线选取与本征声线匹配的海面散射元、体积散射元和海底散射元；（4）分别计算选取的混响散射元中海面散射元产生的海面混响时间序列、体积散射元产生的体积混响时间序列和海底散射元产生的海底混响时间序列，并将海面混响时间序列、体积混响时间序列和海底混响时间序列进行叠加得到海洋混响时间序列。

较佳地，所述步骤（1）具体为：沿海水的深度方向对海水进行分层，设定每层的顶部声速和底部声速，根据每层的顶部声速和底部声速进行线性拟合得到该层的线性声速梯度，将每层的线性声速梯度组合得到海水的变声速梯度。

较佳地，所述步骤（2）具体为：通过海水声速和仿真时间确定混响散射元环带，并在由混响散射元环带和海水的深度确定的空间上均匀布置混响散射元。

较佳地，所述步骤（4）具体包括：（41）根据

计算接收阵处的多普勒频移，上述公式中的参数描述如下：以接收阵相位中心在海底水平面上的投影为原点，以海底水平面为xoy平面，依据右手法则建立直角坐标系，接收阵的高度为H_R，发射阵位于T点，距离海底的高度为H_T，设接收阵沿x轴正向运动，δ_R=0，速度为v_R，设发射阵沿δ_T方向运动，速度为v_T，发射阵发射的脉冲沿斜径R_sT到达海底的某一点P，散射脉冲再沿着斜径R_sR到达接收阵，R_sT在xoy平面上的投影为R_gT，R_gT与x轴正向的夹角为

R_sT与R_gT的夹角为θ_T；R_sR在xoy平面上的投影为R_gR，R_gR与x轴正向的夹角为

R_sR与R_gR的夹角为θ_R，λ为声波波长，当发射阵和接收阵是同一阵列时，v_T=v_R，

θ_T=θ_R，δ_T=δ_R。可理解地，本发明通过计算具有方位耦合的多普勒频移，并将该多普勒频移用于对发射信号进行频率调制，从而使得经过调制后的各散射元的后向散射回波信号包含了多普勒频移的信息，因而，通过本发明获得的海洋混响更真实的反应了海洋实际情况，具有高拟合度；（42）对发射信号进行幅度的衰减调制并根据多普勒频移对发射信号进行频率调制得到各散射元的后向散射回波信号，计算海面散射元、体积散射元和海底散射元的本征声线的声程，根据三种本征声线的声程和海水声速计算海面散射元的时延、体积散射元的时延和海底散射元的时延，根据海面散射元的时延、体积散射元的时延和海底散射元的时延分别对海面散射元的后向散射回波信号、体积散射元的后向散射回波信号和海底散射元的后向散射回波信号进行延时后，分别在时间轴上叠加分别得到海面散射元的混响时间序列、体积散射元的混响时间序列和海底散射元的混响时间序列；（43）合并海面散射元的混响时间序列、体积散射元的混响时间序列和海底散射元的混响时间序列获得海洋混响时间序列。

较佳地，所述步骤（42）具体为：（421）将散射元中的海面散射元、体积散射元和海底散射元分别配置给刀片服务器的三个节点，且刀片服务器的每个节点内部采用OpenMP技术进行数据并行处理；（422）每个节点同时分别对发射信号进行幅度的衰减调制并根据多普勒频移对发射信号进行频率调制得到各散射元的后向散射回波信号；（423）每个节点同时分别计算配置给相应节点的散射元的本征声线的声程，并根据本征声线的声程和海水声速计算配置给相应节点的散射元的延时；（424）每个节点同时分别根据配置给相应节点的散射元的延时，对配置给相应节点的散射元的后向散射回波信号进行延时后，在时间轴上叠加得到配置给相应节点的散射元的混响时间序列。优选地，配置给多个相应节点的散射元的混响时间序列通过MPI技术进行合并，从而获得海洋混响时间序列。可理解地，作为本发明的一个优选的实施方式，通过设置相关参数后可通过MPI技术将散射元中的海面散射元、体积散射元和海底散射元分别配置给刀片服务器的三个节点，且三个节点可同时分别计算一种类型的混响。另外，每个节点内部采用OpenMP技术进行数据并行处理。因此，这种实施方式能够在装备测试或声纳系统仿真过程中进行实时处理，从而节省了仿真时间和提高了运行效率。

与现有技术相比，由于通过本发明的海洋混响的仿真方法获得的海洋混响是在变声速梯度的条件下得到，因而，仿真获得的海洋混响不仅保持了各通道的空间相关性，而且真实反映了海洋的实际情况，从而提高了仿真的准确度和精度，高度拟合了真实的海洋混响。另外，当通过本发明的仿真方法获得的海洋混响应用于声纳装备性能测试、模拟训练和作战效能研究中时，可准确的评估出声纳装备的性能，从而可缩短研制周期和节省研制经费。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明任意声速梯度下海洋混响的仿真方法实施例一的主流程图。

图2为双基地系统几何配置示意图。

图3为本发明任意声速梯度下海洋混响的仿真方法实施例二的主流程图。

图4为本发明实施例二中刀片服务器计算节点配置的拓扑结构图。

图5为采用本发明任意声速梯度下海洋混响的仿真方法仿真得到的海洋混响时间序列的波形图。

图6为采用本发明任意声速梯度下海洋混响的仿真方法仿真得到的海洋混响时间序列包络值的分布与理论的海洋混响时间序列包络值的分布的对比图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

如图1所示，本发明实施例一的方法包括如下步骤：

步骤S1，沿海水的深度方向对海水进行分层，设定每层的顶部声速和底部声速，根据每层的顶部声速和底部声速进行线性拟合得到该层的线性声速梯度，将每层的线性声速梯度组合得到海水的变声速梯度；

步骤S2，在空间上均匀布置混响散射元；

步骤S3，根据公式

$S_1=2\·{\∫}_{Z_b}^{Z_s}(\mathrm{\ξ}/\sqrt{n^2\left(z\right)-{\mathrm{\ξ}}^2})\mathrm{dz},$

$S_{12}=2\·{\∫}_{Z_s}^{Z_r}(\mathrm{\ξ}/\sqrt{n^2\left(z\right)-{\mathrm{\ξ}}^2})\mathrm{dz},$

$S_2=2\·{\∫}_{Z_r}^{Z_u}(\mathrm{\ξ}/\sqrt{n^2\left(z\right)-{\mathrm{\ξ}}^2})\mathrm{dz},$

S=S₁+S₂+2·S₁₂，依次计算混响散射元中海面散射元的声线、体积散射元的声线和海底散射元的声线从发射阵出发经过一个周期后回到发射阵所在平面的周期跨度，其中，Z_u为上述三类散射元中任意一种散射元的声线能到达的最小深度，Z_r为接收阵深度，Z_s为发射阵深度，Z_b为上述三类散射元中任意一种散射元的声线能到达最大深度，ξ为声线常数，n(z)为折射率，S为上述三类散射元中任意一种散射元的声线从发射阵出发经过一个周期后回到发射阵的周期跨度，S₁为上述三类散射元中任意一种散射元的声线从发射阵深度到声线最深处回到发射阵深度的子跨度，S₁₂为上述三类散射元中任意一种散射元的声线从发射阵深度到接收阵深度的子跨度，S₂为上述三类散射元中任意一种散射元的声线从接收阵深度到声线最高点处又回到接收阵深度的子跨度；

步骤S4，根据公式计算声线曲率，其中，为声线曲率，γ为声线每一层的出射角，为变声速梯度；

步骤S5，根据X=mS+aS₁+S₁₂+bS₂和声线曲率计算海面散射元、体积散射元和海底散射元分别到接收阵的本征声线，其中，X为上述三类散射元中任意一种散射元的本征声线，m为1到5的整数，a为0或1，b为0或1；

步骤S6，根据海面散射元、体积散射元和海底散射元的本征声线选取与本征声线匹配的海面散射元、体积散射元和海底散射元；

步骤S7，根据

计算接收阵处的多普勒频移，参考图2，上述公式中的参数描述如下：以接收阵相位中心在海底水平面上的投影为原点，以海底水平面为xoy平面，依据右手法则建立直角坐标系，接收阵的高度为H_R；发射阵位于T点，距离海底的高度为H_T，设接收阵沿x轴正向运动，δ_R=0，速度为v_R；设发射阵沿δ_T方向运动，速度为v_T，发射阵发射的脉冲沿斜径R_sT到达海底的某一点P，散射脉冲再沿着斜径R_sR到达接收基阵，R_sT在xoy平面上的投影为R_gT，R_gT与x轴正向的夹角为

R_sT与R_gT的夹角为θ_T；R_sR在xoy平面上的投影为R_gR，R_gR与x轴正向的夹角为R_sR与R_gR的夹角为θ_R，λ为声波波长，当发射阵和接收阵是同一阵列时，v_T=v_R

θ_T=θ_Rδ_T＝δ_R；

步骤S8，分别计算各散射元的回波信号：对发射信号进行幅度的衰减调制并根据多普勒频移对发射信号进行频率调制得到各散射元的后向散射回波信号；

步骤S9，依次计算海面散射元、体积散射元和海底散射元的本征声线的声程，并根据三种本征声线的声程和海水声速依次计算海面散射元的时延、体积散射元的时延和海底散射元的时延；

步骤S10，根据海面散射元的时延，对海面散射元的后向散射回波信号进行延时后，在时间轴上叠加得到海面散射元的混响时间序列；

步骤S11，根据体积散射元的时延，对体积散射元的后向散射回波信号进行延时后，在时间轴上叠加得到体积散射元的混响时间序列；

步骤S12，根据海底散射元的时延，对海底散射元的后向散射回波信号进行延时后，在时间轴上叠加得到海底散射元的混响时间序列；

步骤S13，合并海面散射元的混响时间序列、体积散射元的混响时间序列和海底散射元的混响时间序列获得海洋混响时间序列。

如图3所示，本发明实施例二的方法包括如下步骤：

步骤S1，沿海水的深度方向对海水进行分层，设定每层的顶部声速和底部声速，根据每层的顶部声速和底部声速进行线性拟合得到该层的线性声速梯度，将每层的线性声速梯度组合得到海水的变声速梯度；

步骤S2，在由海水声速和仿真时间确定的空间上均匀布置混响散射元；

在步骤S2中，仿真时间是由每帧混响数据和设定的每帧数据长度决定。而每一帧散射元的混响数据对应着空间的一个混响散射元的环带，该混响散射元的环带的宽度可由海水声速和仿真时间确定，即根据公式

可计算混响散射元环带的宽度，其中，ΔR为混响散射元环带的宽度，L₀为每帧数据长度，以点数计，L为混响的采样频率，c为海水声速，为每帧数据对应的时间长度，即仿真时间。当混响散射元环带的宽度确定之后，即可确定混响散射元带的范围，通过混响散射元带和海水深度即可确定一个空间，在该空间上均匀布置有混响散射元。需要说明的是，该混响散射元环带可随着时间的推移一点点往远处移动。

步骤S3，计算混响散射元中海面散射元的声线、体积散射元的声线和海底散射元的声线从发射阵出发经过一个周期后回到发射阵所在平面的周期跨度；

步骤S4，根据变声速梯度计算声线曲率；

步骤S5，计算海面散射元、体积散射元和海底散射元分别到接收阵的本征声线；

步骤S6，根据海面散射元、体积散射元和海底散射元分别到接收阵的本征声线选取与本征声线匹配的海面散射元、体积散射元和海底散射元；

步骤S7，计算接收阵处的多普勒频移；

步骤S8，将散射元中的海面散射元、体积散射元和海底散射元分别配置给刀片服务器的三个节点，且刀片服务器的每个节点内部采用OpenMP技术进行数据并行处理；

步骤S9，每个节点同时分别对发射信号进行幅度的衰减调制并根据多普勒频移对发射信号进行频率调制得到各散射元的后向散射回波信号；

步骤S10，每个节点同时分别计算配置到相应节点的散射元的本征声线的声程，并根据本征声线的声程和海水声速计算配置给相应节点的散射元的延时；

步骤S11，每个节点同时根据配置给相应节点的散射元的延时，对配置给相应节点的散射元的后向散射回波信号进行延时后，在时间轴上叠加得到配置给相应节点的散射元的混响时间序列；

步骤S12，通过MPI技术将三个节点的混响时间序列发送给第四个节点进行合并获得海洋混响时间序列，并由第四个节点将海洋混响时间序列实时发送给目标设备。

值得注意的是，本实施例中的步骤S3～S7与实施例一中的步骤S3～S7相同。

具体地，参考图4，本实施例中步骤S8中通过设置相关参数后可通过MPI技术将散射元中的海面散射元、体积散射元和海底散射元分别配置给刀片服务器的节点1、节点2和节点3，每个节点内部采用OpenMP技术进行数据并行处理。当每个节点同时分别计算得到配置到相应节点的散射元的混响时间序列之后，最后再通过MPI技术对三个节点的混响时间序列进行合并就可获得海洋混响时间序列。

由上述技术方案可知，实施例二中每个节点计算一种类型的混响，且同一节点上采用共享内存的数据并行方式实现，因而，可根据实际计算任务需求动态优选地配置刀片服务器的资源分配，从而节省仿真时间，提高计算效率。另外，每个一个节点还可以扩展即一类混响通过多个节点并行计算。

如图5和图6所示，采用本发明的任意声速梯度下海洋混响的仿真方法获得的海洋混响时间序列瞬时值的概率密度服从高斯分布，且能高度拟合理论的海洋混响瞬时值的概率密度。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (6)

1.一种任意声速梯度下海洋混响的仿真方法，包括如下步骤：

（1）计算海水的变声速梯度；

（2）在空间上均匀布置混响散射元；

（3）计算混响散射元中的海面散射元、体积散射元的声线和海底散射元的声线从发射阵触发经过一个周期后回到发射阵所在平面的周期跨度，根据声速梯度计算声线曲率，根据三类散射元中任意一种散射元的本征声线和声线曲率计算海面散射元、体积散射元和海底散射元分别到接收阵的本征声线，根据海面散射元、体积散射元和海底散射元分别到接收阵的本征声线选取与本征声线匹配的海面散射元、体积散射元和海底散射元；

（4）分别计算选取的混响散射元中海面散射元产生的海面混响时间序列、体积散射元产生的体积混响时间序列和海底散射元产生的海底混响时间序列，并将海面混响时间序列、体积混响时间序列和海底混响时间序列进行叠加得到海洋混响时间序列。

2.如权利要求1所述的任意声速梯度下海洋混响的仿真方法，其特征在于，所述计算海水的变声速梯度的步骤具体为：

沿海水的深度方向对海水进行分层，设定每层的顶部声速和底部声速，根据每层的顶部声速和底部声速进行线性拟合得到该层的线性声速梯度，将每层的线性声速梯度组合得到海水的变声速梯度。

3.如权利要求2所述的任意声速梯度下海洋混响的仿真方法，其特征在于，所述在空间上均匀布置混响散射元的步骤具体为：

通过海水声速和仿真时间确定混响散射元环带，并在由混响散射元环带和海水的深度确定的空间上均匀布置混响散射元。

4.如权利要求2或3所述的任意声速梯度下海洋混响的仿真方法，其特征在于，所述步骤（4）具体包括：

（41）根据

计算接收阵处的多普勒频移，上述公式中的参数描述如下：以接收阵相位中心在海底水平面上的投影为原点，以海底水平面为xoy平面，依据右手法则建立直角坐标系，接收阵的高度为H_R，发射阵位于T点，距离海底的高度为H_T，设接收阵沿x轴正向运动，δ_R=0，速度为v_R，设发射阵沿δ_T方向运动，速度为v_T，发射阵发射的脉冲沿斜径R_sT到达海底的某一点P，散射脉冲再沿着斜径R_sR到达接收阵，R_sT在xoy平面上的投影为R_gT，R_gT与x轴正向的夹角为

R_sT与R_gT的夹角为θ_T；R_sR在xoy平面上的投影为R_gR，R_gR与x轴正向的夹角为R_sR与R_gR的夹角为θ_R，λ为声波波长，当发射阵和接收阵是同一阵列时，v_T=v_R，

θ_T=θ_R，δ_T=δ_R；

（42）对发射信号进行幅度的衰减调制并根据多普勒频移对发射信号进行频率调制得到各散射元的后向散射回波信号，计算海面散射元、体积散射元和海底散射元的本征声线的声程，根据三种本征声线的声程和海水声速计算海面散射元的时延、体积散射元的时延和海底散射元的时延，根据海面散射元的时延、体积散射元的时延和海底散射元的时延分别对海面散射元的后向散射回波信号、体积散射元的后向散射回波信号和海底散射元的后向散射回波信号进行延时后，分别在时间轴上叠加分别得到海面散射元的混响时间序列、体积散射元的混响时间序列和海底散射元的混响时间序列；以及

（43）合并海面散射元的混响时间序列、体积散射元的混响时间序列和海底散射元的混响时间序列获得海洋混响时间序列。

5.如权利要求4所述的任意声速梯度下海洋混响的仿真方法，其特征在于，所述步骤（42）具体为：

（421）将散射元中的海面散射元、体积散射元和海底散射元分别配置给刀片服务器的三个节点，且刀片服务器的每个节点内部采用OpenMP技术进行数据并行处理；

（422）每个节点同时分别对发射信号进行幅度的衰减调制并根据多普勒频移对发射信号进行频率调制得到各散射元的后向散射回波信号；

（423）每个节点同时分别计算配置给相应节点的散射元的本征声线的声程，并根据本征声线的声程和海水声速计算配置给相应节点的散射元的延时；

（424）每个节点同时分别根据配置给相应节点的散射元的延时，对配置给相应节点的散射元的后向散射回波信号进行延时后，在时间轴上叠加得到配置给相应节点的散射元的混响时间序列。

6.如权利要求5所述的任意声速梯度下海洋混响的仿真方法，其特征在于，配置给多个相应节点的散射元的混响时间序列通过MPI技术进行合并，从而获得海洋混响时间序列。

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