CN111650159B - 一种海面反向散射强度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海面反向散射强度测量方法。该测量方法包括：通过水下观测系统接收海面反向散射信号；根据所述散射信号，获取平均非相干散射信号；计算所述平均非相干散射信号对应的掠射角散射面积；根据所述掠射角散射面积，采用声呐方程计算海面反射强度。本发明对声源和水听器的要求相对较低，不需要对发射和接收系统指向性进行繁琐的校准。海上实验操作简便，成本较低。且对海域水深要求不高，只需满足基本的声场远场条件和防止多途干扰即可。本发明通过一次测量就能够同时获得较宽掠射角范围内的海面反向散射强度，大大提高了测量效率和准确度。

Description

一种海面反向散射强度测量方法

技术领域

本发明涉及海面反向散射领域，特别是涉及一种海面反向散射强度测量方法。

背景技术

所谓海面反向散射，就是声源向海面发射一束声波，在与海面发生作用后，散射信号返回声源位置，并被该位置处的水听器接收到。海面反向散射的物理机制有：海表面的粗糙散射、近海面的气泡散射以及水中生物、杂质等的散射作用。其中粗糙散射和气泡散射起主导作用。同时，海面反向散射强度与入射掠射角、风速及声波频率等呈现出一定的变化规律和依赖关系。

海面声散射是海洋混响的重要组成部分，对水下声场产生重要的影响。在浅海声通讯中，会造成发射信号的叠加干扰，引起时间域的拖尾效应。水声通讯误码率的降低和数据传输效率的提高有赖于包括声波与海面相互作用在内的精确声传播模型的建立。海面散射还是对海面目标进行探测和识别时混响背景的主要来源，浅海混响背景下的声呐性能预报离不开海面散射强度的准确预测。而且由于在实际应用中主动声呐多采用单基地布放方式，主要受海面反向散射特性的影响。综上，海面声散射的研究对于海洋混响、水下目标探测、声通讯及军事应用均具有重要的研究意义和应用价值。

在海面散射特性实验研究中，通常采用两种观测方式。1.中高频多在浅海使用指向性声源和水听器，但对观测系统姿态和声源级要求较高，需要对发射和接收系统的指向性进行精确地校正。此外为了获得多个掠射角的海面散射数据，还需要设计精准的角度控制系统及相应的姿态监视系统。整个观测系统复杂繁琐且测量效率低下。2.低频海面声散射为满足角分辨率及远场条件的要求，同时避免海底散射等多途干扰，多采用爆炸声源在深远海中进行，测量成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种海面反向散射强度测量方法，用以快速、准确地测量海面反向散射强度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种海面反向散射强度测量方法，所述测量方法包括：

通过水下观测系统接收海面反向散射信号；

根据所述散射信号，获取平均非相干散射信号；

计算所述平均非相干散射信号对应的掠射角散射面积；

根据所述掠射角散射面积，采用声呐方程计算海面反射强度。

可选的，所述水下观测系统包括：用绳索依次连接固定的浮球、水听器、声源以及重块，所述声源用于发射脉冲信号，所述水听器用于接收经过海面散射后的脉冲信号。

可选的，所述根据所述散射信号，获取平均非相干散射信号，具体包括：

对所述散射信号进行去相干，得到非相干散射信号；

求取所述非相干信号的包络信号；

根据所述包络信号确定平均非相干散射信号。

可选的，所述计算所述平均非相干散射信号对应的掠射角散射面积，具体包括：

获取海水声速、所述水听器的深度以及所述声源的深度；

获取所述脉冲信号沿短斜距从声源经海面散射后返回水听器的双程传播时间，为第一时间；获取所述脉冲信号沿长斜距从声源经海面散射后返回水听器的双程传播时间，为第二时间；

根据所述海水声速、水听器深度、声源深度、所述第一时间以及所述第二时间，计算掠射角散射面积。

可选的，所述根据所述海水声速、水听器深度、声源深度、所述第一时间以及所述第二时间，计算掠射角散射面积，具体包括：

根据所述声源深度、所述水听器深度以及所述海水声速计算标准时间；

判断所述第一时间是否大于所述标准时间；

若是，根据所述海水声速、水听器深度、声源深度、所述第一时间以及所述第二时间，计算掠射角散射面积；

若否，获取近垂直入射时的入射掠射角；

根据所述水听器深度、所述声源深度以及所述近垂直入射时的入射掠射角，计算掠射角散射面积。

可选的，所述标准时间的计算公式如下：

其中，T表示标准时间，H₁表示水听器深度，H₂表示声源深度，c_w表示海水声速。

可选的，当所述第一时间大于所述标准时间时，掠射角散射面积的计算公式如下：

其中，A表示掠射角散射面积，c_w表示海水声速，H₁表示水听器深度，H₂表示声源深度，T₁表示脉冲信号沿短斜距从声源经海面散射后返回到水听器的双程传播时间，T₂表示脉冲信号沿短长斜距从声源经海面散射后返回到水听器的双程传播时间。

可选的，当所述第一时间小于所述标准时间时，掠射角散射面积的计算公式如下：

其中，A表示掠射角散射面积，H₁表示水听器深度，H₂表示声源深度，θ表示掠射角。

可选的，所述根据所述掠射角散射面积，采用声呐方程计算海面反射强度，具体包括：

获取所述秒冲信号的平均入射斜距和平均散射斜距；

根据所述平均入射斜距计算所述声源到海面的信号传输损失，为第一损失；

根据所述平均散射斜距，计算海面到所述水听器的信号传输损失，为第二损失；

获取所述平均非相干散射信号的有效电压值；

根据所述有效电压值以及水听器的灵敏度计算接收信号强度；

根据所述掠射角散射面积、所述接收信号强度、所述第一损失以及所述第二损失，计算海面反射强度。

可选的，所述掠射角散射面积的计算公式如下：

BS(θ)＝RL-SL+TL_in+TL_out-10log₁₀(A)

其中，BS(θ)是掠射角θ的反向散射强度，RL是接收信号强度，SL是声源级，TL_out表示声源到海面信号传输损失，TL_in表示海面到水听器的信号传输损失。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明对声源和水听器的要求相对较低，不需要对发射和接收系统指向性进行繁琐的校准。海上实验操作简便，成本较低。且对海域水深要求不高，只需满足基本的声场远场条件和防止多途干扰即可。本发明通过一次测量就能够同时获得较宽掠射角范围内的海面反向散射强度，大大提高了实验测量效率。此外，本发明分别给出了中小掠射角和近垂直入射两种情况下，准确的有效照射区域面积计算公式，降低了海面散射强度的计算误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例海面反向散射强度测量方法的流程图；

图2为本发明实施例水下观测系统的结构示意图；

图3为本发明实施例掠射角散射面积示意图；

图4为本发明实施例10kHz接收信号100次平均包络示意图；

图5为本发明实施例10kHz实验数据计算海面反向散射强度与理论对比示意图；

其中，1-浮球，2-声源，3-水听器，4-重块，5-海面，6-海底，7-直达波，8-海面垂直反射信号，9-船和海底反射回波，10-海面反向散射波。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种海面反向散射强度测量方法，用以快速、准确地测量海面反向散射强度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种海面反向散射强度测量方法包括以下步骤：

步骤101：通过水下观测系统接收海面反向散射信号。

水下观测系统如图2所示，将一个浮球1与全向性声源2和全向性水听器3通过一根绳索连接固定，全向性声源2和全向性水听器3入水深度H₂和H₁需要根据测量声波的频率、海水深度和声场的远场条件来确定。其中水听器3在浮球1和声源2之间，与声源保持相对较小的距离d＝H₂-H₁，以减小水听器3及采集系统和声源2之间的相互干扰。同时由于反向散射强度要求声源2和水听器3处于或近似处于同一位置，因此在保证水听器3和测量系统不会对声场产生较大影响的条件下，d应尽可能小，以满足反向散射收发合置要求。最后为了保持水下观测系统始终相对于海面处于垂直状态，在声源2下方一定距离绑扎一重块4，重块4的横向截面积应尽可能小，防止产生大的回波，对海面散射信号产生干扰。

测量船处于无动力漂浮状态，浮球1通过一根长L的绳索与测量船连接，将重块4、声源2和水听器3、浮球1沿着绳索依次放入海中。使水下观测系统顺流漂至距测量船距离L的位置，通过H₂和L可以确定该观测系统能够测量的最小掠射角

理论最大掠射角为θ_max＝90°，但近垂直入射时会受到浮球散射信号的影响，因此实际测量最大掠射角稍小于90度。此外，为了避免海底多途信号的影响，实验海域的水深应保证海底到声源和水听器的距离D大于绳索的长度L。

实验时，声源发射一包含几个周期的正弦脉冲(CW)信号，脉冲信号时间长度τ需同时考虑声源脉冲响应及测量角分辨率的要求。海面散射强度是界面的固有属性，代表一系列相同或相似界面和环境条件下的随机散射的统计均值。因此在测量时，需要重复发射N次，通过水听器接收信号进行统计平均，以获得平稳的海面反向散射强度。两次CW脉冲信号之间保持一定的发射时间间隔ΔT，确保前一次信号产生的混响信号衰减，不会对后一次散射信号产生较大的影响。

步骤102：根据所述散射信号，获取平均非相干散射信号。

将100次测量信号直接相加，以获得相干散射信号，在每次测量信号中减去该相干信号得到非相干散射信号，

V_i＝V-V_c (2)

其中V_i是非相干散射信号，V_c＝<V>是相干散射信号，尖括号代表对电压信号取平均。

然后，求取去相干信号后的包络，将包络信号叠加后平均，最终获得平均后的非相干散射信号。

步骤103：计算所述平均非相干散射信号对应的掠射角散射面积。

对应掠射角散射面积的计算：共分为两部分，一部分是中小掠射角散射面积的计算，另外一部分是近垂直入射时散射面积的计算。根据图3中的几何关系可以求得每条斜距的长度，进而可以求解对应每个掠射角的散射面积。图3中r和r′分别为平均入射和散射斜距。网格区域为对应掠射角的散射面积。θ₁-θ₆分别是对应短斜距、长斜距及平均斜距的入射和散射掠射角。

其中小掠射角散射面积为圆环：

式中A代表有效散射面积，c_w是海水声速，H₁和H₂分别是水听器和声源所处的深度，T₁和T₂分别是脉冲波束分别沿短斜距和长斜距从声源经海面散射后返回到水听器的双程传播时间。且有如下关系：

T₂-T₁＝τ (4)

τ是脉冲持续时间。

近垂直入射时散射面积是圆面：

θ是近垂直入射时的入射掠射角。

两种散射面积计算的临界标准是短斜距对应传播时间：

T表示标准时间，短斜距传播时间T₁大于上式时，散射面积采用式(3)计算，T₁小于上述时间时，散射面积采用式(5)计算。

步骤104：根据所述掠射角散射面积，采用声呐方程计算海面反射强度。

BS(θ)＝RL-SL+TL_in+TL_out-10log₁₀(A) (8)

其中BS(θ)是掠射角θ的反向散射强度，RL是接收信号强度，SL是声源级，TL_out和TL_in分别是声源到海面和海面到水听器的信号传输损失。传输损失按照球面波扩展计算，忽略海水吸收损失。即

TL_out＝20log₁₀(r) (9)

TL_in＝20log₁₀(r′) (10)

r和r′分别为图2所示的平均入射和散射斜距。

接收信号强度通过下面式(11)进行计算

RL＝20log₁₀V_i-RS (11)

其中V_i是上面计算得到的平均非相干信号有效电压值，RS是水听器灵敏度。

利用本发明提出的测量方法，开展了实际的海面反向散射强度测量，具体实验参数为：

实验海域水深约48m，发射声频率为6-25kHz，声源水深H₂＝8m，水听器深度H₁＝7m，测量船距观测系统L＝40m，声源距海底D＝40m。因此利用公式(1)计算最小掠射角约11.5°，最大掠射角为85°。实验时发射脉冲长度τ＝1ms，每次测量重复发射100次，发射间隔ΔT＝2s。

图4为本发明实施例10kHz接收信号100次平均包络示意图。如图4所示，首先接收到的信号是声源发出的直达波7，由于声源与水听器之间距离较近(1m左右)，接收到的直达波信号限幅。稍后到达的是海面的垂直反射波8，之后是不同掠射角度海面反向散射波10，最后在大概60ms处的信号是船和海底反射回波9。图5是计算得到10kHz海面反向散射强度与理论预测匹配结果。可见测量结果与理论预测一致性较好，充分证明了本发明方法的可行性、有效性和准确性。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种海面反向散射强度测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

通过水下观测系统接收海面反向散射信号；所述水下观测系统包括：用绳索依次连接固定的浮球、水听器、声源以及重块，所述声源用于发射脉冲信号，所述水听器用于接收经过海面散射后的脉冲信号；

根据所述散射信号，获取平均非相干散射信号；

计算所述平均非相干散射信号对应的掠射角散射面积；

根据所述掠射角散射面积，采用声呐方程计算海面反射强度；

其中，所述计算所述平均非相干散射信号对应的掠射角散射面积，具体包括：

获取海水声速、所述水听器的深度以及所述声源的深度；

获取脉冲信号沿短斜距从声源经海面散射后返回水听器的双程传播时间，为第一时间；获取所述脉冲信号沿长斜距从声源经海面散射后返回水听器的双程传播时间，为第二时间；

根据所述海水声速、水听器深度、声源深度、所述第一时间以及所述第二时间，计算掠射角散射面积；具体包括：根据所述声源深度、所述水听器深度以及所述海水声速计算标准时间；判断所述第一时间是否大于所述标准时间；若是，根据所述海水声速、水听器深度、声源深度、所述第一时间以及所述第二时间，计算掠射角散射面积；若否，获取近垂直入射时的入射掠射角；根据所述水听器深度、所述声源深度以及所述近垂直入射时的入射掠射角，计算掠射角散射面积；

当所述第一时间大于所述标准时间时，掠射角散射面积的计算公式如下：

其中，A表示掠射角散射面积，c_w表示海水声速，H₁表示水听器深度，H₂表示声源深度，T₁表示脉冲信号沿短斜距从声源经海面散射后返回到水听器的双程传播时间，T₂表示脉冲信号沿短长斜距从声源经海面散射后返回到水听器的双程传播时间；

当所述第一时间小于所述标准时间时，掠射角散射面积的计算公式如下：

其中，A表示掠射角散射面积，H₁表示水听器深度，H₂表示声源深度，θ表示掠射角。

2.根据权利要求1所述的海面反向散射强度测量方法，其特征在于，所述根据所述散射信号，获取平均非相干散射信号，具体包括：

对所述散射信号进行去相干，得到非相干散射信号；

求取所述非相干散射信号的包络信号；

根据所述包络信号确定平均非相干散射信号。

3.根据权利要求1所述的海面反向散射强度测量方法，其特征在于，所述标准时间的计算公式如下：

其中，T表示标准时间，H₁表示水听器深度，H₂表示声源深度，c_w表示海水声速。

4.根据权利要求1所述的海面反向散射强度测量方法，其特征在于，所述根据所述掠射角散射面积，采用声呐方程计算海面反射强度，具体包括：

获取所述脉冲信号的平均入射斜距和平均散射斜距；

根据所述平均入射斜距计算所述声源到海面的信号传输损失，为第一损失；

根据所述平均散射斜距，计算海面到所述水听器的信号传输损失，为第二损失；

获取所述平均非相干散射信号的有效电压值；

根据所述有效电压值以及水听器的灵敏度计算接收信号强度；

根据所述掠射角散射面积、所述接收信号强度、所述第一损失以及所述第二损失，计算海面反射强度。

5.根据权利要求4所述的海面反向散射强度测量方法，其特征在于，所述海面反射强度的计算公式如下：

BS(θ)＝RL-SL+TL_in+TL_out-10log₁₀(A)

其中，BS(θ)是掠射角θ的反向散射强度，RL是接收信号强度，SL是声源级，TL_out表示声源到海面信号传输损失，TL_in表示海面到水听器的信号传输损失。