CN109031316B - 一种阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法 - Google Patents

一种阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法，包括：获取初始参数；取工作频率集，并确定工作频率集对应的吸收系数集；确定常阈值C的表达式和工作频率fi时的频率距离相关函数yi：进行图形化处理，依次绘制距离范围r内的频率距离相关曲线Yi，以及，绘制常阈值C的直线；并确定常阈值C的直线与频率距离相关曲线Yi的交点Pi(ri,C)；解算得到集合[r1,r2,…,ri,…,rw]内最大值rp，并确定工作频率fp为声纳的最优工作频率。本发明通过绘制曲线与常阈值，能够直观的得到不同工作频率下的基阵探测距离，并可以直观的看出探测距离随频率的变化趋势，以及得到不同常阈值区间内的最优工作频率。

Description

一种阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法
技术领域
本发明属于水声技术领域，尤其涉及一种阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法。
背景技术
随着水声技术的发展，越来越多的水下平台搭载了声学传感器阵列用于目标探测。一般而言，传感器阵列孔径越大则其探测距离越远，也就是说，平台尺寸的约束限制了阵列的探测距离。
在声学传感器的可靠工作频段内，平台尺寸约束条件下，声频率越高则可布放越多阵元，然而，高频声波会带来更大的吸收损失，因此，只有科学的选择工作频率才能够实现阵列探测距离的最大化。
求解声呐方程是技术探测距离的常用方法，主动声呐方程为：
SL-2TL+TS＝NL-DI+DT
其中，SL为阵列的发射声源级，2TL为双程声传播损失，TS为目标强度，NL为背景噪声级，DI为阵列的指向性指数，DT为检测阈值。
被动声呐方程为：
SL*-TL＝NL-DI+DT
其中，SL*为辐射声源的噪声级。
在上述参量中，传播损失TL随探测距离增加而增大，TL可表示为：
TL＝klog(r)+αr×10-3
其中，k为扩展损失系数，例如，球面扩展时k＝20；r为探测距离的关心范围；α为吸收系数，与频率有关，可通过查表法获得。
假设基阵为平面阵，按照半波长间距布设阵元，当平面阵的尺寸约束为长L(m)、宽K(m)时，基阵在长、宽方向可布设的最大阵元数m、n分别为：
长度方向：
Figure GDA0002915276470000011
宽度方向：
Figure GDA0002915276470000012
其中，λ为声波波长，
Figure GDA0002915276470000021
c为声速；f为声波频率。
进而，阵列的指向性指数为DI＝10lg(mn)。在NL和DT的假设下，则可求解主、被动声呐方程，求得工作频率为f时的基阵的最大探测距离。
上述方法虽然能够有效求解工作频率为f时基阵的最大探测距离，但这种方法需要反复多次求解方程来计算各频率下探测距离，且不能直观的看出探测距离随不同频率的变化趋势。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法，通过对声呐方程进行推倒和分解，定义了“频率/距离相关曲线”与“尺寸约束下的常阈值”，通过绘制曲线与常阈值，能够直观的得到不同工作频率下的基阵探测距离，并可以直观的看出探测距离随频率的变化趋势，以及得到不同常阈值区间内的最优工作频率。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法，包括：
获取初始参数；其中，所述初始参数包括：平面阵长度L、平面阵宽度K、换能器发射电压Sv、换能器两端发射电压有效值U、声纳检测阈值DT、海洋环境背景噪声级NL和目标强度TS；
取工作频率集为[f1,f2,…,fw]，并确定工作频率集对应的吸收系数集[α1,α2,…,αw]；其中，w≥1；
确定常阈值C的表达式和工作频率fi时的频率距离相关函数yi：
C＝60lg(KL)+20lg(U)+(Sv+TS-NL-DT)
yi＝2*(20lg(r)+αir×10-3)+120lg(c/fi)
其中，r表示探测距离的关心范围，c表示声速，αi表示吸收系数，i＝1，2，…,w；
进行图形化处理，依次绘制距离范围r内的频率距离相关曲线Yi，以及，绘制常阈值C的直线；并确定常阈值C的直线与频率距离相关曲线Yi的交点Pi(ri,C)；
解算得到集合[r1,r2,…,ri,…,rw]内最大值rp，并确定工作频率fp为声纳的最优工作频率。
在上述阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法中，高频主动声纳平面阵列的尺寸固定，且平面阵列的尺寸＞＞声波波长。
在上述阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法中，根据如下公式，计算得到各工作频率集对应的吸收系数αi：
Figure GDA0002915276470000031
根据计算得到的各吸收系数αi，确定工作频率集对应的吸收系数集。
在上述阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法中，所述确定常阈值C的表达式和工作频率fi时的频率距离相关函数yi，包括：
确定主动声纳方程：
SL-2TL+TS＝NL-DI+DT···式(1)
其中，SL表示阵列的发射声源级，TL传播损失，DI表示阵列的指向性指数；
对所述式(1)进行整理，得到：
2*(20lg(r)+αir×10-3)+120lg(λ)＝60lg(KL)+20lg(U)+(Sv+TS-NL-DT)···式(2)
根据式(2)确定工作频率fi时的频率距离相关函数yi及常阈值C的表达式：
yi＝2*(20lg(r)+αir×10-3)+120lg(λ)
＝2*(20lg(r)+αir×10-3)+120lg(c/fi)
C＝60lg(KL)+20lg(U)+(Sv+TS-NL-DT)
其中，λ＝c/fi，表示声波波长。
在上述阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法中，所述对所述式(1)进行整理，包括：
确定阵列的发射声源级SL：
SL＝SL0+10lg(m*n)+DI
其中，SL0表示单个换能器的声源级，m表示基阵在长度方向可布设的最大阵元数，n表示基阵在宽度方向可布设的最大阵元数；
取SL0＝Sv+20lg(U)，DI＝10lg(m*n)，则SL表示为：
SL＝SL0+10lg(m*n)+DI
＝Sv+20lg(U)+10lg(m*n)+10lg(m*n)···式(3)
＝Sv+20lg(U)+20lg(m*n)
将式(3)代入式(1)可得：
2TL-30lg(m*n)＝20lg(U)+Sv+TS-NL-DT···式(4)
根据式(4)，通过元分布数查表可得：
2*(20lg(r)+αir×10-3)-30lg(m*n)＝20lg(U)+(Sv+TS-NL-DT)···式(5)取2L、2K为声波波长λ的整数倍，则有：
Figure GDA0002915276470000041
将式(6)代入式(5)进行整理，得到上述式(2)。
本发明具有以下优点：
本发明所述的阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法，通过对声呐方程进行推倒和分解，定义了“频率/距离相关曲线”与“尺寸约束下的常阈值”，通过绘制曲线与常阈值，能够直观的得到不同工作频率下的基阵探测距离，并可以直观的看出探测距离随频率的变化趋势，以及得到不同常阈值区间内的最优工作频率
附图说明
图1是本发明实施例中一种阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法的步骤流程图；
图2本发明实施例中一种图形化处理的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
参照图1，示出了本发明实施例中一种阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法。在本实施例中，所述阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法，包括：
步骤101，获取初始参数。
在本实施例中，所述初始参数具体可以包括：平面阵长度L、平面阵宽度K、换能器发射电压Sv、换能器两端发射电压有效值U、声纳检测阈值DT、海洋环境背景噪声级NL和目标强度TS。
在本实施例中，高频主动声纳平面阵列的尺寸固定，且平面阵列的尺寸远大于波长。
步骤102，取工作频率集为[f1,f2,…,fw]，并确定工作频率集对应的吸收系数集[α1,α2,…,αw]；其中，w≥1。
在本实施例中，可以根据如下公式，计算得到各工作频率集对应的吸收系数αi：
Figure GDA0002915276470000051
进而，根据计算得到的各吸收系数αi，确定工作频率集对应的吸收系数集。
此外，海水中的声波吸收系数可根据不同海域按照不同频率查阅公开资料获得，本实施例对此不作限制。
步骤103，确定常阈值C的表达式和工作频率fi时的频率距离相关函数yi：
C＝60lg(KL)+20lg(U)+(Sv+TS-NL-DT)
yi＝2*(20lg(r)+αir×10-3)+120lg(c/fi)
其中，r表示探测距离的关心范围，c表示声速，αi表示吸收系数，i＝1，2，…,w。
步骤104，进行图形化处理，依次绘制距离范围r内的频率距离相关曲线Yi，以及，绘制常阈值C的直线；并确定常阈值C的直线与频率距离相关曲线Yi的交点Pi(ri,C)。
在本实施例中，可以通过如下方式确定常阈值C的表达式和工作频率fi时的频率距离相关函数yi：
确定主动声纳方程：
SL-2TL+TS＝NL-DI+DT···式(1)
其中，SL表示阵列的发射声源级，TL传播损失，DI表示阵列的指向性指数。
对所述式(1)进行整理，得到：
2*(20lg(r)+αir×10-3)+120lg(λ)＝60lg(KL)+20lg(U)+(Sv+TS-NL-DT)···式(2)
根据式(2)确定工作频率fi时的频率距离相关函数yi及常阈值C的表达式：
yi＝2*(20lg(r)+αir×10-3)+120lg(λ)
＝2*(20lg(r)+αir×10-3)+120lg(c/fi)
C＝60lg(KL)+20lg(U)+(Sv+TS-NL-DT)
其中，λ＝c/fi，表示声波波长。
优选的，所述对所述式(1)进行整理，具体可以包括：
确定阵列的发射声源级SL：
SL＝SL0+10lg(m*n)+DI
其中，SL0表示单个换能器的声源级，m表示基阵在长度方向可布设的最大阵元数，n表示基阵在宽度方向可布设的最大阵元数。
取SL0＝Sv+20lg(U)，DI＝10lg(m*n)，则SL表示为：
SL＝SL0+10lg(m*n)+DI
＝Sv+20lg(U)+10lg(m*n)+10lg(m*n)···式(3)
＝Sv+20lg(U)+20lg(m*n)
将式(3)代入式(1)可得：
2TL-30lg(m*n)＝20lg(U)+Sv+TS-NL-DT···式(4)
根据式(4)，通过元分布数查表可得：
2*(20lg(r)+αir×10-3)-30lg(m*n)＝20lg(U)+(Sv+TS-NL-DT)···式(5)取2L、2K为声波波长λ的整数倍，则有：
Figure GDA0002915276470000071
将式(6)代入式(5)进行整理，得到上述式(2)。
步骤105，解算得到集合[r1,r2,…,ri,…,rw]内最大值rp，并确定工作频率fp为声纳的最优工作频率。
基于上述实施例，下面结合一个具体实例进行说明。
假设：换能器两端发射电压有效值U＝400V，换能器发射电压Sv＝145，目标强度TS＝10db，二级海况下海洋环境背景噪声级NL＝55db，声纳检测阈值DT＝6db，平面阵的尺寸为2m*2m，备选的声纳工作频率分别为f1＝3kHz、f2＝5kHz、f3＝8kHz；则根据常阈值C的表达式和工作频率fi时的频率距离相关函数yi可绘制如图2所示的曲线Y1、曲线Y2、曲线Y3和直线C。
可以看出，当常阈值C＝182db时，最大值rp＝72.2km，对应的频率为5kHz，即为最优工作频率。当阵列尺寸不同、声纳参数变化、环境噪声与目标变化时，常阈值C会随之变化，此时的最优工作频率也可能变化。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法，其特征在于，包括：
获取初始参数；其中，所述初始参数包括：平面阵长度L、平面阵宽度K、换能器发射电压Sv、换能器两端发射电压有效值U、声纳检测阈值DT、海洋环境背景噪声级NL和目标强度TS；
取工作频率集为[f1,f2,…,fw]，并确定工作频率集对应的吸收系数集[α1,α2,…,αw]；其中，w≥1；
确定常阈值C的表达式和工作频率fi时的频率距离相关函数yi：
C＝60lg(KL)+20lg(U)+(Sv+TS-NL-DT)
yi＝2*(20lg(r)+αir×10-3)+120lg(c/fi)
其中，r表示探测距离的关心范围，c表示声速，αi表示吸收系数，i＝1，2，…,w；
进行图形化处理，依次绘制距离范围r内的频率距离相关曲线Yi，以及，绘制常阈值C的直线；并确定常阈值C的直线与频率距离相关曲线Yi的交点Pi(ri,C)；
解算得到集合[r1,r2,…,ri,…,rw]内最大值rp，并确定工作频率fp为声纳的最优工作频率。
2.根据权利要求1所述的阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法，其特征在于，高频主动声纳平面阵列的尺寸固定，且平面阵列的尺寸＞＞声波波长。
3.根据权利要求1所述的阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法，其特征在于，根据如下公式，计算得到各工作频率集对应的吸收系数αi：
Figure FDA0002915276460000011
根据计算得到的各吸收系数αi，确定工作频率集对应的吸收系数集。
4.根据权利要求1所述的阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法，其特征在于，所述确定常阈值C的表达式和工作频率fi时的频率距离相关函数yi，包括：
确定主动声纳方程：
SL-2TL+TS＝NL-DI+DT···式(1)
其中，SL表示阵列的发射声源级，TL传播损失，DI表示阵列的指向性指数；
对所述式(1)进行整理，得到：
2*(20lg(r)+αir×10-3)+120lg(λ)＝60lg(KL)+20lg(U)+(Sv+TS-NL-DT)···式(2)
根据式(2)确定工作频率fi时的频率距离相关函数yi及常阈值C的表达式：
yi＝2*(20lg(r)+αir×10-3)+120lg(λ)
＝2*(20lg(r)+αir×10-3)+120lg(c/fi)
C＝60lg(KL)+20lg(U)+(Sv+TS-NL-DT)
其中，λ＝c/fi，表示声波波长。
5.根据权利要求4所述的阵列尺寸约束下的最优探测频率图形化估计方法，其特征在于，所述对所述式(1)进行整理，包括：
确定阵列的发射声源级SL：
SL＝SL0+10lg(m*n)+DI
其中，SL0表示单个换能器的声源级，m表示基阵在长度方向可布设的最大阵元数，n表示基阵在宽度方向可布设的最大阵元数；
取SL0＝Sv+20lg(U)，DI＝10lg(m*n)，则SL表示为：
Figure FDA0002915276460000021
将式(3)代入式(1)可得：
2TL-30lg(m*n)＝20lg(U)+Sv+TS-NL-DT···式(4)
根据式(4)，通过元分布数查表可得：
2*(20lg(r)+αir×10-3)-30lg(m*n)＝20lg(U)+(Sv+TS-NL-DT)···式(5)取2L、2K为声波波长λ的整数倍，则有：
Figure FDA0002915276460000031
将式(6)代入式(5)进行整理，得到上述式(2)。
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