CN112415495B - 一种海底混响信号模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种海底混响信号模拟方法，属于水声领域。首先计算海底散射系数；再得到混响强度RL；然后计算散射单元回波信号的散射强度B；最后模拟混响信号。本发明将常用高斯声波束模型的BELLHOP声场计算模型进行扩充，结合实际海洋环境，采用BELLHOP模型计算声纳与海底散射元之间的传播，并且分别考虑水平海底与不规则形状海底，从而达到计算海底混响强度以及模拟实际混响信号的目的。同时设计了GUI界面便于设置、选取海洋环境参数，更易于分析不同海洋环境对混响强度的影响。本发明的研究可以方便的预报、研究海底混响信号的强度、频谱以及分布特性等特征规律。
Description
技术领域
本发明涉及水声技术领域，特别涉及一种海底混响信号模拟方法。
背景技术
混响是海洋中随机分布的，非均匀散射体的散射回波在接收处的响应迭加信号。混响是跟随在发射信号后的一种主动声呐的主要干扰信号之一。混响信号既是信号的散射过程，也体现信号的传播过程，因此在混响信号形成过程中既受水下环境的影响，也与水中散射体类型有关。目前关于混响的研究主要集中在以下几个方面：(1)混响衰减特性的研究以及混响强度的预报；(2)混响信号相关特性的分析研究；(3)对实际混响信号的模拟仿真。
混响是伴随着主动声呐系统发射信号产生的由于界面散射造成的不必要的干扰，它往往是限制主动声呐系统性能的因素。作为一种特殊形式的干扰信号，混响与发射信号有许多相似之处的随机信号，因此为了提高主动声呐系统对界面附近目标探测能力，混响信号的仿真以及特性的分析研究是十分必要的。
由于实际情况下的海洋环境是随机的与复杂多变性的，这也使得混响信号的仿真工作非常的艰难，且工作量较大。目前大多关于混响研究集中在混响散射强度的测量，且对混响强度进行计算时大多假设信号都是沿直线传播的，并不符合实际海洋环境声场特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海底混响信号模拟方法，以解决目前混响信号的仿真工作难度大、不符合实际海洋环境声场特征的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种海底混响信号模拟方法，包括：
计算海底散射系数；
得到混响强度RL，表达式为：RL＝SL+Sb-2TL；SL为声源级，TL为传播损失，Sb为海底散射系数；
散射单元回波信号的散射强度B表示为：
模拟混响信号。
可选的，计算海底散射系数包括：
通过公式10lgμ＝-27(dB)计算得到Lambert系数μ；
大尺度海底的均方根斜角为δ2＝0.003+0.00512v，其中v表示风速；
通过下式计算海底散射系数：
ΔΩ为散射声线偏离镜向反射声线的程度，σ为瑞利反射系数，为声线的入射角，/>为声线的散射角。
可选的，模拟混响信号包括：
假设混响信号混响产生于有限数量的散射单元，则散射单元处幅值an服从指数分布，表示为：
计算得到散射圆环上的散射单元在接收处的波形，具体表示为：yn(t)＝Bans(t-τn')exp(ψn)；an为散射单元的随机幅度，随机幅度an服从指数分布，ψn为随机相位，随机相位ψn服从[02π]的均匀分布；s为发射信号，t为信号从声源到目标双程时延；
其中，当随机幅度an服从指数分布时，总的混响信号包络服从K分布，τn为发射站和接收站到散射单元的时延与阵元之间的时延相加构成的；
总的混响信号就是所有N个散射单元的散射信号的迭加构成的，具体可以表示为：
可选的，海底散射系数是通过3-D散射模型计算，所述3-D散射模型是在Lambert定律的基础上建立。
在本发明提供的海底混响信号模拟方法中，首先计算海底散射系数；再得到混响强度RL；然后计算散射单元回波信号的散射强度B；最后模拟混响信号。本发明将常用高斯声波束模型的BELLHOP声场计算模型进行扩充，结合实际海洋环境，采用BELLHOP模型计算声纳与海底散射元之间的传播，并且分别考虑水平海底与不规则形状海底，从而达到计算海底混响强度以及模拟实际混响信号的目的。同时设计了GUI界面便于设置、选取海洋环境参数，更易于分析不同海洋环境对混响强度的影响。本发明的研究可以方便的预报、研究海底混响信号的强度、频谱以及分布特性等特征规律。
附图说明
图1是GUI参数设置界面示意图；
图2是海底声线传播示意图；
图3是声线到达时间示意图；
图4是仿真得到的混响信号示意图；
图5是混响的统计特性示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种海底混响信号模拟方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种海底混响信号模拟方法，包括如下步骤：
步骤1：计算海底散射系数；
海底散射系数是通过3-D散射模型计算，所述3-D散射模型是在Lambert定律的基础上建立；具体步骤如下：
第一步，通过公式10lgμ＝-27(dB)计算得到Lambert系数μ；
第二步，大尺度海底的均方根斜角为δ2＝0.003+0.00512v，其中v表示风速；
第三步，通过下式计算海底散射系数：
ΔΩ为散射声线偏离镜向反射声线的程度，σ为瑞利反射系数，为声线的入射角，/>为声线的散射角。其中瑞利反射系数σ与海底沉积物密度和海水密度之比相关，也与海底沉积物声速和海水声速之比相关；
步骤2：得到混响强度RL，表达式为：RL＝SL+Sb-2TL；SL为声源级，TL为传播损失，Sb为海底散射系数；
步骤3：散射单元回波信号的散射强度B表示为：
步骤4：模拟混响信号，具体如下：
第一步，假设混响信号混响产生于有限数量的散射单元，则散射单元处幅值an服从指数分布，表示为：
第二步，计算得到散射圆环上的散射单元在接收处的波形，具体表示为：yn(t)＝Bans(t-τn')exp(ψn)；an为散射单元的随机幅度，随机幅度an服从指数分布，ψn为随机相位，随机相位ψn服从[02π]的均匀分布；s为发射信号，t为信号从声源到目标双程时延；
其中，当随机幅度an服从指数分布时，总的混响信号包络服从K分布，τn为发射站和接收站到散射单元的时延与阵元之间的时延相加构成的；
第三步，总的混响信号就是所有N个散射单元的散射信号的迭加构成的，具体可以表示为：
仅考虑一次散射，设置如图1所示的各项参数，在良好水文条件下，声线传播过程图2所示，声线到达时间如图3所示。
图4为仿真得到的混响信号，可知混响随着时间的变化呈现衰减趋势。在实际中，由于环境噪声和其他噪声的影响，超过某一距离后，混响便不再起主导作用，阵列接收的信号也逐渐趋于平稳，趋近于噪声信号。
混响信号是一个非平稳随机信号，在分析混响的统计特性时，首先要对其进行预平稳处理，使混响信号变为平稳随机过程。平稳化过程只是针对非平稳信号而言的，并不是针对非平稳信号本身的统计特性进行处理，因此平稳化处理后的混响信号的统计特性不会发生任何变化。对预平稳后混响信号进行统计分析，其统计特性如图5所示，并对其进行了瑞利分布和K分布的曲线拟合，对发现混响信号的包络更符合K分布。
依据海洋中散射体的空间分布类型的差异，人们通常将混响散射分为海底、海面散射和体积散射构成的三种主要类型混响信号。对于浅海环境，体积和海面混响相较于海底混响很小，因此通常考虑海底混响强度即可。海底底质的软硬度、粗糙度以及海底面的起伏性形成的声散射则是形成海底混响的主要原因。
人们对混响的固有观念是：作为一个非平稳的随机信号，混响信号的瞬时值服从高斯分布，混响包络服从瑞利分布规律。近年来通过对实际实验测量数据的处理分析，发现混响包络越来越偏离瑞利分布，而逐渐趋于K分布。造成混响包络区域K分布的主要原因是：任一散射单元格内的有效散射体数量降低，散射单元只有少量的有效散射体对混响散射过程起作用，因此无法满足中心极限定理，导致匹配滤波器输出信号的包络概率密度将偏离瑞利分布，逐渐趋于K分布。
本发明基于BELLHOP声场模型，依据实际海洋环境获得经过海底一次散射的声线传播路径，依据声线传播路径计算得到的服从K分布混响信号，更具有实际性；并且通过GUI软件，更直观、更简洁的获得海洋环境参数。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (1)
1.一种海底混响信号模拟方法，其特征在于，包括：
计算海底散射系数；海底散射系数是通过3-D散射模型计算，所述3-D散射模型是在Lambert定律的基础上建立；
计算海底散射系数包括：通过公式10lgμ＝-27(dB)计算得到Lambert系数μ；
大尺度海底的均方根斜角为δ2＝0.003+0.00512v，其中v表示风速；
通过下式计算海底散射系数：
ΔΩ为散射声线偏离镜向反射声线的程度，σ为瑞利反射系数，为声线的入射角，/>为声线的散射角；
得到混响强度RL，表达式为：RL＝SL+Sb-2TL；SL为声源级，TL为传播损失，Sb为海底散射系数；
散射单元回波信号的散射强度B表示为：
模拟混响信号；
模拟混响信号包括：假设混响信号混响产生于有限数量的散射单元，则散射单元处幅值an服从指数分布，表示为：
计算得到散射圆环上的散射单元在接收处的波形，具体表示为：yn(t)＝Bans(t-τn')exp(ψn)；an为散射单元的随机幅度，随机幅度an服从指数分布，ψn为随机相位，随机相位ψn服从[02π]的均匀分布；s为发射信号，t为信号从声源到目标双程时延；
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