CN109828264A - 一种基于ram模型的水声信道相位-频率响应修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RAM模型的水声信道相位‑频率响应修正方法，包括如下步骤：（1）设定海洋环境参数，仿真频率上下限，频率分辨率，调用RAM模型计算各频率采样点处的频率响应，设定变量k初值为2；（2）构建水声信道相位‑频率响应原始值序列；（3）计算频率采样点0至频率采样点1的步进预测值；（4）依据频率采样点1的相位原始值及步进预测值，求解频率采样点1的相位修正值；（5）依据频率采样点k‑2及k‑1的相位修正值计算采样点k的步进预测值；（6）依据频率采样点k的相位原始值及步进预测值求解频率采样点k的相位修正值；（7）重复步骤（5）和步骤（6）直至完成所有频率采样点相位修正，构建水声信道频率响应的相位修正值序列。
Description
技术领域
本发明属于声纳信号仿真技术领域，特别是涉及一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法。
背景技术
声传播特性的仿真是声纳信号仿真的重要部分。声传播特性的仿真通常根据设定的声场环境、声源及接收器的位置，利用声传播模型仿真计算得到声源位置至接收器所处位置的频率响应，通过频率响应得到水声信道脉冲响应函数，再将声源信号与水声信道脉冲响应函数卷积得到接收信号。
海洋中声源通常是宽带声源，宽带声传播特性仿真最常用的方法是傅里叶合成方法，即对需要仿真的信号频率范围进行离散采样，分别计算各离散频率点的频率响应，再合成宽带频率响应。宽带频率响应的相位特性包含了信号的时延特性，其准确性对时域信号仿真的正确性至关重要。若水声信道相位-频率响应估计不准确，有可能导致时域信号产生循环移位。
为兼顾仿真的计算速度，通常宽带频率响应仿真的频率分辨率较低，较低的频率分辨率会导致相邻采样点的相位-频率响应差值大于2π，甚至大于2π的整数倍。求解水声信道相位-频率响应，需要将复频率响应的虚部除以实部后，由反正切函数求解得到，求得的相位值介于-π至π之间，此时的相位值与实际的相位值之间有可能含有2π的循环移位，为获得连续相位响应特性，进而得到真实的相位响应，需将获得的相位值进行解卷绕获得连续相位曲线。
若直接对采样值进行解卷绕，需要在频域采样时选取很高的频率分辨率，否则可能由于采样点间的相位差大于2π而发生解卷绕错误。但是分辨率的提高将导致水声信道频率响应计算的时间大大增加。因此，在较低频率分辨率条件下，通过一定的方法修正由反正切得到的频率采样点之间的相位特性，获得正确的相位-频率响应曲线，对于提升仿真效率、保证时域信号仿真的正确性具有重要意义。
本发明首先利用RAM模型计算得水声信道宽带相位-频率响应原始值，然后根据声传播特性建立相位步进初始值，依据步进初始值计算各频率采样点的相位预测值，并根据相位-频率响应原始值对预测值进行修正，获得相位-频率响应修正值。
发明内容
为了解决现有的水声信道频率响应相位处理技术存在的问题，本发明提供一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法，该方法首先利用RAM模型计算得水声信道宽带相位-频率响应原始值，然后根据声传播特性建立相位步进初始值，依据步进初始值计算各频率采样点的相位预测值，并根据相位-频率响应原始值对预测值进行修正，获得相位-频率响应修正值，为达此目的，本发明提供一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)设定海洋环境参数，仿真频率上下限，频率分辨率，调用RAM模型计算各频率采样点处的频率响应，构建水声信道频率响应序列H，设定变量k的初值为2；
(2)构建水声信道相位-频率响应原始值序列Φ；
(3)计算频率采样点0至频率采样点1的步进预测值
(4)依据频率采样点1的相位原始值及步进预测值计算频率采样点1的相位修正值
(5)依据频率采样点k-2及频率采样点k-1的相位修正值计算频率采样点k的步进预测值
(6)依据频率采样点k的相位原始值及步进预测值求解频率采样点k的相位修正值并令k＝k+1；
(7)重复步骤(5)和步骤(6)直至k＝N，构建水声信道相位-频率响应修正值序列Φu。
本发明的进一步改进，步骤(1)设定如下参数：
声源深度Zs，接收器深度Zr，声源与接收器之间的距离R，频率分辨率Δf，频率下限flow，频率上限fhigh；
从声源到接收器之间的p个位置处的海洋环境参数，第i个位置距离声源的距离为ri，声速剖面为SSPi，海深为Hsi，海底密度为ρbi，海底声速为cbi，海底吸收系数为αi，i＝1,2,3,…,p，每个声速剖面由式(1)的矩阵表示，其中矩阵的第1列为深度，第2列为声速值，
式中Qi表示i个位置处声速剖面深度采样值个数；
由式(2)计算数值N，则频率采样点总数为N+1，频率采样点j为flow+j×Δf，j＝0，…，N，
式中round()表示四舍五入取整；
依据设定的参数，调用RAM模型计算各频率采样点处的频率响应hj，由此构建水声信道频率响应序列H，H的定义如式(3)所示，hj为复数，
H＝[h0 h1 … hj … hN] (3)，
设定变量k的初值为2。
本发明的进一步改进，步骤(2)构建水声信道相位-频率响应序列Φ，具体包含如下步骤：
由式(4)计算各频率采样点的相位原始值
式(4)中arctan()表示反正切函数，image()表示取复数的虚部，real()表示取复数的实部；构建水声信道相位-频率响应原始值序列Φ，如式(5)所示：
本发明的进一步改进，步骤(3)计算频率采样点0至频率采样点1的步进预测值具体包含如下步骤：
首先，令频率采样点0的相位修正值等于相位原始值，即
其次，由式(6)计算平均声速cmean：
最后，由式(7)求解得到频率采样点0至频率采样点1的步进预测值，
本发明的进一步改进，步骤(4)依据频率采样点1的相位原始值及步进预测值求解频率采样点1相位修正值，具体包含如下步骤：
首先，由(8)式计算频率采样点1的预测相位
其次，根据频率采样点1的相位原始值修正预测相位，获得相位修正值修正过程用式(9)表示：
式(9)中表示不大于的最大整数。
本发明的进一步改进，步骤(5)由频率采样点k-2及频率采样点k-1的相位修正值计算频率采样点k的步进预测值具体包括如下步骤：
由式(10)，根据频率采样点k-2及频率采样点k-1的相位修正值计算频率采样点k的步进预测值
本发明的进一步改进，步骤(6)依据频率采样点k的相位原始值及步进预测值求解频率采样点k的相位修正值，具体包含如下步骤：
首先，由式(11)计算频率采样点k的预测相位
其次，将(11)式计算结果代入(12)式，求解频率采样点k的相位修正值，
并令k＝k+1。
本发明的进一步改进，步骤(7)重复步骤(5)和步骤(6)直至k＝N，构建水声信道频率-相位响应修正值序列Φu，具体包含如下步骤：
若k＝N+1，则结束修正操作；否则重复步骤(5)至步骤(6)，最终求得频率采样点3,4,..,N的相位-频率响应修正值
结合步骤(3)和(4)求得的及并依照式(13)构建频率-相位响应修正值序列Φu：
本发明一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法，该方法首先利用RAM模型计算得水声信道宽带相位-频率响应原始值，然后根据声传播特性建立相位步进初始值，依据步进初始值计算各频率采样点的相位预测值，并根据相位-频率响应原始值对预测值进行修正，获得相位-频率响应修正值。与现有技术相比，本发明公开的方法具有以下优点：本发明依照水声信道相位-频率响应的原始值，结合海洋环境参数，在频率分辨率较低的条件下，采用递推的方式，将频率采样点间模糊的相位间隔进行了修正；本发明公开的方法有利于水声信道相位-频率响应的准确计算，具有精度高、易于实现、应用简单的特点。
附图说明
图1为本发明方法的实施流程图。
图2为本发明水声信道相位-频率响应原始值示意图。
图3为本发明水声信道相位-频率响应修正结果与原始值解卷绕结果对比示意图。
图4为本发明水声信道相位-频率响应原始值与修正值卷绕结果对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法，该方法首先利用RAM模型计算得水声信道宽带相位-频率响应原始值，然后根据声传播特性建立相位步进初始值，依据步进初始值计算各频率采样点的相位预测值，并根据相位-频率响应原始值对预测值进行修正，获得相位-频率响应修正值。
实施例1：
下面结合附图和具体实施方式，通过实施例1进一步阐明本发明。
一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法，如图1所示具体包含如下步骤：
步骤(1)设定如下参数：
声源深度Zs＝20m，接收器深度Zr＝30m，声源与接收器之间的距离R＝2000m，频率分辨率Δf＝1Hz，频率下限flow＝300Hz，频率上限fhigh＝330Hz。
从声源到接收器之间的p个位置处的海洋环境参数，第i个位置距离声源的距离为ri，声速剖面为SSPi，海深为Hsi，海底密度为ρbi，海底声速为cbi，海底吸收系数为αi，i＝1,2,3,…,p。
本实施例设置p＝5，海洋环境参数设置如表1所示。
表1海洋环境参数设置表
由公式(2)计算N值，
依据设定的参数，调用RAM模型计算各频率点处的频率响应hj，由此构建水声信道频率响应序列H，结果如表2表示。
表2水声信道频率响应序列H
| 频率采样点序号j | 对应频率(Hz) | 频率响应h<sub>j</sub> |
| 0 | 300 | 0.000480303773656487-0.000421845179516822i |
| 1 | 301 | -0.000894349417649210+8.21425637695938e-05i |
| 2 | 302 | 0.00106300273910165+0.000175552675500512i |
| 3 | 303 | -0.000748166756238788-0.000353584502590820i |
| 4 | 304 | 0.000301871448755264+0.000292619050014764i |
| 5 | 305 | -2.62604935414856e-05+1.74010147020454e-05i |
| 6 | 306 | 0.000116751041787211-0.000224372866796330i |
| 7 | 307 | -0.000385031948098913+0.000123089223052375i |
| 8 | 308 | 0.000505406816955656+0.000233088387176394i |
| 9 | 309 | -0.000273287500021979-0.000476611661724746i |
| 10 | 310 | -4.75148699479178e-05+0.000349021633155644i |
| 11 | 311 | 0.000175961904460564-1.02862732092035e-05i |
| 12 | 312 | 8.31244688015431e-06-0.000265920331003144i |
| 13 | 313 | -0.000253169884672388+0.000187711892067455i |
| 14 | 314 | 0.000249977980274707+9.95217706076801e-05i |
| 15 | 315 | 7.61182891437784e-05-0.000270158954663202i |
| 16 | 316 | -0.000456918700365350+0.000126906568766572i |
| 17 | 317 | 0.000465332501335070+0.000194318970898166i |
| 18 | 318 | -0.000104025530163199-0.000270700693363324i |
| 19 | 319 | -0.000307134410832077-7.45827492210083e-05i |
| 20 | 320 | 0.000377443851903081+0.000678389973472804i |
| 21 | 321 | 1.51813719639904e-05-0.00100646819919348i |
| 22 | 322 | -0.000520218629390001+0.000804455601610243i |
| 23 | 323 | 0.000702599878422916-0.000288665556581691i |
| 24 | 324 | -0.000479007547255605-5.69121766602621e-05i |
| 25 | 325 | 0.000114212169137318-0.000111565139377490i |
| 26 | 326 | -3.20175204251427e-05+0.000597070960793644i |
| 27 | 327 | 0.000292762793833390-0.000928784662391990i |
| 28 | 328 | -0.000510838639456779+0.000745552009902895i |
| 29 | 329 | 0.000256592029472813-0.000148046645335853i |
| 30 | 330 | 0.000460707786260173-0.000231881465879269i |
步骤(2)构建水声信道相位-频率响应原始值序列Φ，具体实施如下：
以频率采样点0为例，有：
其余频率采样点可采用相同的方法计算，构成水声信道相位-频率响应原始值序列Φ如图2所示，相位的单位均为弧度。
步骤(3)计算频率采样点0至频率采样点1的步进预测值具体包含如下步骤：
首先，令频率采样点0的相位修正值等于相位原始值：
其次，计算平均声速cmean，由式(6)及步骤(1)设置的参数有：
最后，将R及cmean带入式(7)求解得到频率采样点0至频率采样点1的步进预测值：
步骤(4)依据频率采样点1的相位原始值及步进预测值求解频率采样点1实际相位，具体包含如下步骤：
首先，计算频率采样点1预测相位由式(8)计算得到：
其次，根据频率采样点1的相位原始值修正预测相位，获得相位修正值依照式(9)计算得到相位修正值为
步骤(5)由频率采样点k-2及频率采样点k-1的相位修正值计算频率采样点k的步进预测值具体包括如下步骤：
以k＝2为例，此时由式(10)计算步进预测值为：
步骤(6)依据频率采样点k的相位原始值及步进预测值求解频率采样点k的相位修正值，具体包含如下步骤：
以k＝2为例进行说明，首先，计算频率采样点k＝2预测相位
其次，将计算结果代入(12)式求解频率采样点k＝2的相位修正值为并令k＝k+1。
步骤(7)步骤重复步骤(5)和步骤(6)直至k＝N，构建水声信道频率实际相位响应Φu，具体包含如下步骤：
若k＝N+1，则结束修正操作；否则重复步骤(5)至步骤(6)，最终求得频率采样点3,4,..,N的相位-频率响应修正值
结合步骤(3)和(4)求得的及并依照式(13)构建频率-相位响应修正值序列Φu，其结果如图3所示。
从图2可以看出，由反正切求得的相位值介于-π至π之间。从图3的相位-频率响应修正值与原始值直接解卷绕结果对比可以看出，在频率分辨率为1Hz的情况下，相位-频率响应修正值与频率分辨率为0.1Hz的相位-频率响应原始值直接解卷绕结果一致，而频率分辨率为1Hz的相位-频率响应原始值直接解卷绕结果有很大的偏差，其原因是当采样率为1Hz的情况下，相邻采样点间的相位差大约为10rad，大于2π。若不进行相位修正，则采样点间的相位差将产生模糊，造成相位-频率曲线求解发生错误。本发明将采样点间的相位差进行了补全，因此修正后的相位-频率曲线与参考曲线一致。证明本发明方法能有效修正水声信道相位-频率响应，正确恢复低频率分辨率时的相位-频率响应曲线。图4将相位-频率响应修正值进行卷绕处理后，将相位限制于-π至π之间的结果，通过对比看出，相位-频率响应修正值卷绕后的结果在与原始值相吻合，说明本发明相位修正精度高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)设定海洋环境参数，仿真频率上下限，频率分辨率，调用RAM模型计算各频率采样点处的频率响应，构建水声信道频率响应序列H，设定变量k的初值为2；
(2)构建水声信道相位-频率响应原始值序列Φ；
(3)计算频率采样点0至频率采样点1的步进预测值
(4)依据频率采样点1的相位原始值及步进预测值计算频率采样点1的相位修正值
(5)依据频率采样点k-2及频率采样点k-1的相位修正值计算频率采样点k的步进预测值
(6)依据频率采样点k的相位原始值及步进预测值求解频率采样点k的相位修正值并令k＝k+1；
(7)重复步骤(5)和步骤(6)直至k＝N，构建水声信道相位-频率响应修正值序列Φu。
2.根据权利要求1所述的一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法，其特征在于：步骤(1)设定如下参数：
声源深度Zs，接收器深度Zr，声源与接收器之间的距离R，频率分辨率Δf，频率下限flow，频率上限fhigh；
从声源到接收器之间的p个位置处的海洋环境参数，第i个位置距离声源的距离为ri，声速剖面为SSPi，海深为Hsi，海底密度为ρbi，海底声速为cbi，海底吸收系数为αi，i＝1,2,3,…,p，每个声速剖面由式(1)的矩阵表示，其中矩阵的第1列为深度，第2列为声速值，
式中Qi表示i个位置处声速剖面深度采样值个数；
由式(2)计算数值N，则频率采样点总数为N+1，频率采样点j为flow+j×Δf，j＝0，…，N，
式中round()表示四舍五入取整；
依据设定的参数，调用RAM模型计算各频率采样点处的频率响应hj，由此构建水声信道频率响应序列H，H的定义如式(3)所示，hj为复数，
H＝[h0 h1 … hj … hN] (3)，
设定变量k的初值为2。
3.根据权利要求1所述的一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法，其特征在于：步骤(2)构建水声信道相位-频率响应序列Φ，具体包含如下步骤：
由式(4)计算各频率采样点的相位原始值
式(4)中arctan()表示反正切函数，image()表示取复数的虚部，real()表示取复数的实部；构建水声信道相位-频率响应原始值序列Φ，如式(5)所示：
4.根据权利要求1所述的一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法，其特征在于：步骤(3)计算频率采样点0至频率采样点1的步进预测值具体包含如下步骤：
首先，令频率采样点0的相位修正值等于相位原始值，即
其次，由式(6)计算平均声速cmean：
最后，由式(7)求解得到频率采样点0至频率采样点1的步进预测值，
5.根据权利要求1所述的一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法，其特征在于：步骤(4)依据频率采样点1的相位原始值及步进预测值求解频率采样点1相位修正值，具体包含如下步骤：
首先，由(8)式计算频率采样点1的预测相位
其次，根据频率采样点1的相位原始值修正预测相位，获得相位修正值修正过程用式(9)表示：
式(9)中表示不大于的最大整数。
6.根据权利要求1所述的一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法，其特征在于：步骤(5)由频率采样点k-2及频率采样点k-1的相位修正值计算频率采样点k的步进预测值具体包括如下步骤：
由式(10)，根据频率采样点k-2及频率采样点k-1的相位修正值计算频率采样点k的步进预测值
7.根据权利要求1所述的一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法，其特征在于：步骤(6)依据频率采样点k的相位原始值及步进预测值求解频率采样点k的相位修正值，具体包含如下步骤：
首先，由式(11)计算频率采样点k的预测相位
其次，将(11)式计算结果代入(12)式，求解频率采样点k的相位修正值，
并令k＝k+1。
8.根据权利要求1所述的一种基于RAM模型的水声信道相位-频率响应修正方法，其特征在于：步骤(7)重复步骤(5)和步骤(6)直至k＝N，构建水声信道频率-相位响应修正值序列Φu，具体包含如下步骤：
若k＝N+1，则结束修正操作；否则重复步骤(5)至步骤(6)，最终求得频率采样点3,4,..,N的相位-频率响应修正值
结合步骤(3)和(4)求得的及并依照式(13)构建频率-相位响应修正值序列Φu：
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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