CN108398690A - 一种海底反向散射强度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种海底反向散射强度测量方法，属于水声技术领域。该方法首先根据多组水听器接收信号计算水听器输出电压均方值的统计平均，用以衡量海底平均散射声强的大小；通过对声源和水听器进行校准，获得声源级和灵敏度；根据发射脉冲长度，计算有效照射区域面积；最后，根据水听器输出电压均方值的统计平均、声源级、灵敏度、有效照射区域面积和传播损失，通过声呐方程计算海底反向散射强度的最佳估计值和测量不确定度。该方法计算过程简单，易于实施，能够同时获得较宽掠射角范围内的海底反向散射强度，是一种快速而准确地获取海底声散射特性的方法。

Description

一种海底反向散射强度测量方法

技术领域

本发明属于水声技术领域，是一种易于实施的、快速而准确地获取海底声散射特性的方法,具体为一种基于无指向性声源和水听器的海底反向散射强度测量方法。

背景技术

海底声散射特性通常是指，声波与海底发生作用后，海底散射强度随声波频率、掠射角和方位角的变化规律。当声波从水体照射到海底时，可能引起声散射的主要机制有：海底表面粗糙、沉积物内部不均匀性、浅地层(如浅基岩)界面粗糙、气泡和贝壳碎片等。而在众多的散射机制中通常考虑的是海底表面粗糙散射和沉积物体积散射。

海底声散射是对海底附近目标进行探测和识别时混响背景干扰的主要来源，研究和预报海底声散射特性对应用于海水/沉积物界面附近的水下声系统是十分必要的，特别是浅海混响背景干扰下的声呐性能预报离不开海底散射强度的准确估计。可以说，对海底声散射特性的准确把握是现代声呐技术不断提高和完善的必要保障。另一方面，海底声散射是声波与海底发生作用的结果，势必携带与海底特性有关的大量信息，散射强度随声波频率和掠射角变化的多样性使得利用测得的散射强度数据来反演海底参数成为可能，从而实现海底特性的遥测。总之，研究海底散射特性对于海底混响预报模型的建立和声学遥测技术的发展都是非常重要的。由于声呐进行探测时多采用单基地(或称为收发合置)布放方式，即发射和接收系统处于或近似处于同一位置，因而本发明关注海底反向散射特性。

海底散射强度的测量通常采用具有指向性的发射和接收系统，不仅需要对发射和接收系统的指向性进行精确的校准，而且为了获得不同掠射角下的海底散射强度，需要通过机械或电子旋转来调整掠射角，费时费力。因此本发明提出了一种基于无指向性声源和水听器的海底反向散射测量方法，无需考虑发射和接收系统的指向性，易于实施，且有效照射区域面积计算简单。实验结果表明，该方法能够同时获得较宽掠射角范围内的海底反向散射强度，是一种快速而准确地获取海底声散射特性的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于无指向性声源和水听器的海底反向散射强度测量方法。该方法首先根据多组水听器接收信号计算水听器输出电压均方值的统计平均，用以衡量海底平均散射声强的大小；通过对声源和水听器进行校准，获得声源级和灵敏度；根据发射脉冲长度，计算有效照射区域面积；最后，根据水听器输出电压均方值的统计平均、声源级、灵敏度、有效照射区域面积和传播损失，通过声呐方程计算海底反向散射强度的最佳估计值和测量不确定度。

本发明采取以下技术方案：

一种海底反向散射强度测量方法，其特征在于包括以下五个步骤：

(1)使测量船处于漂浮状态，记录多次发射脉冲下的水听器输出电压，根据公式(1)去除相干干扰

式中，v_ii(t)表示第i次发射脉冲下的水听器输出电压，v_ir(t)表示对应的去除相干干扰后的输出电压，N为记录次数；

(2)根据公式(2)计算水听器输出电压的均方值，近似根据包络均方值计算

v_ir(t)²＝V_ir(t)²/2 (2)

式中，v_ir(t)²表示去除相干干扰后的第i次发射脉冲下水听器输出电压的均方值，V_ir(t)表示去除相干干扰后的第i次发射脉冲下水听器输出电压的包络；

(3)根据脉冲长度τ计算对t时刻的散射声强有贡献的有效照射区域面积,计算方法见公式(3)

A＝πc_wτ(r+c_wτ/4) (3)

式中，A表示有效照射区域面积，c_w为海水中的声速，r为声源至有效照射区域的斜距；

(4)根据下面的声呐方程计算海底反向散射强度的最佳估计值

S_b(θ)＝10lg<v_r(t)²>+2TL-SL-RS-10lgA (4)

式中，S_b(θ)表示海底反向散射强度，θ为掠射角(对应于t时刻)，v_r(t)表示根据(1)式去除相干干扰后的所有测量样本，符号“<>”表示样本的统计平均，10lg<v_r(t)²>用以衡量海底平均散射声强的大小，TL为声源至有效照射区域的单程传播损失，SL为声源级，RS为接收水听器的灵敏度，两者通过对声源和水听器进行校准获得；

(5)根据下式计算海底散射强度的测量不确定度：

式中，10lgσ_b为反向散射强度的最佳估计值，而非平均值。表示散射截面的不确定度，根据公式(6)计算

式中，△σ₁为统计不确定度，为系统不确定度的上限，为系统不确定度的下限。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明提出的基于无指向性声源和水听器的海底反向散射强度测量方法，相比于传统的测量方法，无需考虑发射和接收系统的指向性，易于实施，且有效照射区域面积计算简单。实验结果表明，该方法能够同时获得较宽掠射角范围内的海底反向散射强度，是一种快速而准确地获取海底声散射特性的方法。

附图说明

图1实验布放示意图：1-声源，2-水听器，3-温深传感器，4-框架，5-重块，6-海面，7-海底；

图2 8kHz时经放大后的水听器输出电压：8-重块回波，9-海底反向散射波，10-海面散射波；

图3 8kHz时根据水听器输出电压包络计算得到的混响级：8-重块回波，9-海底反向散射波，10-海面散射波；

图4有效照射区域面积计算示意图：11-发射-接收系统；12-有效照射区域；

图5处理流程图；

图6 8kHz时的反向散射强度测量结果。

具体实施方式

下面通过某次海上实验来对本发明的技术方案作进一步解释，但本发明的保护范围不受实例任何形式上的限制。

实施例

本发明提出的基于无指向性声源和水听器的海底反向散射强度测量方法，具体的实施过程主要分为以下五步：(1)使测量船处于漂浮状态，记录多次发射脉冲下的水听器输出电压，去除相干干扰；(2)计算去除相干干扰后的水听器输出电压均方值的统计平均；(3)根据发射脉冲长度，计算有效照射区域面积；(4)根据水听器输出电压均方值的统计平均、声源级、灵敏度、有效照射区域面积和传播损失，通过声呐方程计算海底反向散射强度的最佳估计值；(5)计算海底反向散射强度的测量不确定度。

测量系统包括：一只无指向性声源、一只无指向性水听器和一个温深(TD)传感器，实验布放示意图如图1所示。声源1、水听器2和温深传感器4固定在一个圆柱形不锈钢框架4上。其中，水听器紧邻声源，且与之处于同一高度；温深传感器位于声源的正上方，用于标定声源和水听器的深度。在框架下方悬挂一重块5，以保证测量系统的稳定性，最后通过船尾的A形架将测量系统吊放至海水中。由于海底散射声强具有一定的随机性，测量过程中使母船处于海面6漂浮状态来获得独立的测量样本，以便通过平均散射声强计算海底反向散射强度。测量过程中，声源和水听器距海底7的平均高度为7.14m，温深传感器记录的数据表明，温度和深度的起伏很小。发射信号采用脉冲长度为1ms的CW脉冲。每个测量频点均采用脉冲长度相近的CW脉冲的主要目的在于，保证具有近似相同的频率分辨率(理论上为1kHz)，使测得的反向散射强度近似代表该中心频率的值。在母船漂浮的过程中，每个测量频点的信号发射100次(发射间隔2s)，以便获得平均散射声强。水听器输出的电信号经放大(增益18dB)和滤波(通带为0.5–40kHz，在一定程度上消除测量频带外的噪声干扰)后，利用数据采集卡进行采集并存储于PC机中，采样频率为130kHz。

下面将详细阐述本发明的具体实施过程：

记录100次发射脉冲下的水听器输出电压，去除相干干扰

式中，v_ii(t)表示第i次发射脉冲下的水听器输出电压，v_ir(t)表示对应的去除相干干扰后的输出电压。8kHz时经放大、去除相干干扰后的水听器输出电压如图2所示。首先到达的是混叠了框架回波的直达波，接下来依次为重块回波8、海底反向散射波9和海面散射波10。不难发现，这些回波在时域上可以明显地区分开。

进一步地，图3给出了根据水听器输出电压包络(扣除接收增益)和水听器灵敏度计算得到的混响级。其中，黑实线代表对应于每个发射脉冲下的独立样本，灰虚线代表平均值(强度范畴的平均)，用于计算海底反向散射强度。由此可以看出，海底混响级随时间逐渐衰落，最终趋近于海洋环境噪声级。

(2)计算水听器输出电压的均方值，近似根据包络均方值计算

v_ir(t)²＝V_ir(t)²/2 (2)

式中，v_ir(t)²表示去除相干干扰后的第i次发射脉冲下水听器输出电压的均方值，V_ir(t)表示去除相干干扰后的第i次发射脉冲下水听器输出电压的包络。

(3)根据脉冲长度τ计算对t时刻的散射声强有贡献的有效照射区域面积。采用无指向性的声源和无指向性的水听器，对t时刻(对应于某一掠射角θ)的海底散射声强有贡献的有效照射区域为一宽度为△R的圆环，如图4所示，其面积由脉冲长度决定。假设海水中的声速为c_w，发射脉冲长度为τ，掠射角θ下发射-接收系统11与有效照射区域12的斜距为r，其交点为B。为保证整个掠射角范围内(0°–90°)有效照射区域面积计算的精确性，需找到C点满足

2(r'-r)/c_w＝τ (8)

如果发射-接收系统距海底的高度为H，根据几何关系可得

r²＝H²+R² (9)

r'²＝H²+(R+△R)² (10)

此外，有效照射区域的面积根据几何关系可表示为

A＝π[(R+△R)²-R²] (11)

根据(8)～(11)式，即可在不作任何近似的情况下得到有效照射区域面积计算式为

A＝πc_wτ(r+c_wτ/4) (3)

(4)根据下面的声呐方程计算海底反向散射强度的最佳估计值

S_b(θ)＝10lg<v_r(t)²>+2TL-SL-RS-10lgA (4)

式中，S_b(θ)表示海底反向散射强度，θ为掠射角(对应于t时刻)，v_r(t)表示根据(7)式去除相干干扰后的所有测量样本，符号“<>”表示样本的统计平均，10lg<v_r(t)²>用以衡量海底平均散射声强的大小，TL为声源至有效照射区域的单程传播损失，SL为声源级，RS为接收水听器的灵敏度。其中，声源级和灵敏度通过对声源和水听器进行校准获得。(4)式右边各项的校准或测量精度将直接决定海底反向散射强度的测量精度。

(5)计算海底散射强度的测量不确定度。在计算散射强度的不确定度时，从散射截面而非散射强度入手。假设统计误差和系统误差是相互独立的，则散射截面的总不确定度可表示为

其中，表示散射截面不确定度，△σ₁为统计不确定度，为系统不确定度，进而可以得到散射强度的不确定度为

其中，10lgσ_b为反向散射强度的最佳估计值，而非平均值。

为了便于展示不确定度的计算过程，水听器接收到的平均散射声强与散射截面的关系采用如下的最简形式

<I_s>＝I_iσ_bA/r² (12)

其中，I_i为面积为A的散射区域处的入射声强，并假设按球面波扩展规律传回水听器。由此可以得到散射截面的最佳估计值为

σ_b＝<I_s>r²/(I_iA) (13)

统计不确定度的一种常用的选择是

△σ₁＝1.96I_sdr²/(I_iA) (14)

其中，I_sd表示散射声强的标准差，由下式给出

当散射声强服从高斯分布时，这种不确定度的定义给出的是置信度为95％的置信区间。

此外，还考虑了系统不确定度的贡献，主要来自于声源级和水听器灵敏度的校准不确定度以及采用球面波扩展的近似。保守地估计，系统不确定度大约为±2dB。如果误差为2dB，对应的散射截面为最佳估计值的1.58倍；如果误差为–2dB，则对应的散射截面为最佳估计值的0.63倍，继而有

以上步骤的流程图如图5所示，处理得到的8kHz时的海底反向散射强度如图6所示。图中实心点代表最佳估计值(计算<v_r(t)²>并代入到(4)式，散射截面或散射强度是基于随机变量I_s(θ)或v_r(t)的统计平均定义的)，误差棒代表不确定度。

由此可见，基于无指向性声源和水听器的海底反向散射强度测量方法无需考虑发射和接收系统的指向性，易于实施，且有效照射区域面积计算简单。实验结果表明，该方法能够同时获得较宽掠射角范围内的海底反向散射强度，是一种快速而准确地获取海底声散射特性的方法。

Claims (1)

1.一种海底反向散射强度测量方法，其特征在于它包括以下五个步骤：

(1)使测量船处于漂浮状态，记录多次发射脉冲下的水听器输出电压，根据公式(1)去除相干干扰

式中，v_ii(t)表示第i次发射脉冲下的水听器输出电压，v_ir(t)表示对应的去除相干干扰后的输出电压，N为记录次数；

(2)根据公式(2)计算水听器输出电压的均方值，近似根据包络均方值计算

v_ir(t)²＝V_ir(t)²/2 (2)

式中，v_ir(t)²表示去除相干干扰后的第i次发射脉冲下水听器输出电压的均方值，V_ir(t)表示去除相干干扰后的第i次发射脉冲下水听器输出电压的包络；

(3)根据脉冲长度τ计算对t时刻的散射声强有贡献的有效照射区域面积,计算方法见公式(3)

A＝πc_wτ(r+c_wτ/4) (3)

式中，A表示有效照射区域面积，c_w为海水中的声速，r为声源至有效照射区域的斜距；

(4)根据下面的声呐方程计算海底反向散射强度的最佳估计值

S_b(θ)＝10lg<v_r(t)²>+2TL-SL-RS-10lgA (4)

式中，S_b(θ)表示海底反向散射强度，θ为掠射角(对应于t时刻)，v_r(t)表示根据(1)式去除相干干扰后的所有测量样本，符号“<>”表示样本的统计平均，10lg<v_r(t)²>用以衡量海底平均散射声强的大小，TL为声源至有效照射区域的单程传播损失，SL为声源级，RS为接收水听器的灵敏度，两者通过对声源和水听器进行校准获得；

(5)根据下式计算海底散射强度的测量不确定度：

式中，10lgσ_b为反向散射强度的最佳估计值，而非平均值。表示散射截面的不确定度，根据公式(6)计算

式中，△σ₁为统计不确定度，为系统不确定度的上限，为系统不确定度的下限。