CN115201894A - 一种基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及被动声呐的目标探测距离的技术领域，具体的涉及一种基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，包括以下步骤：步骤1：在接收点处布放接收水听器用于形成具有孔径的声场接收阵，声场接收阵用于在浅海波导中获取声源形成的声场；步骤2：接收声场，通过声源在不同深度的垂直移动形成虚源阵；步骤3：依据声场接收阵实测的声场数据获取场波数倒数和；步骤4：叠加声场能量，带入步骤3结果，消除浅海波导的调制作用，计算目标噪声源强度，获取自由场中窄带声源信号强度。通过从能量的角度出发，声源测量时没有时间同步的要求，“源”相位的变化不影响结果，并且虚拟垂直阵的阵元间距设置灵活，易于实际操作。

Description

一种基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法

技术领域

本发明涉及被动声呐的目标探测距离的技术领域，具体的涉及一种基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法。

背景技术

水中目标辐射噪声源强度的高低直接决定了被动声呐的目标探测距离，而我国近海多为海底较平坦的浅海大陆架，目标辐射噪声源强度的获取受海洋波导引起的声场多途干涉的影响较大，利用单水听器测量目标噪声单频信号频谱级的精度较低。目前，为了克服浅海波导引起的声场干涉影响，目标辐射噪声测量设备由单水听器向多水听器以及组阵方向发展。其测量方法多为时空频平滑平均、测量阵聚焦某单一方向 (单号简正波)，或已知波导参数计算得到传输函数后反卷积测量的声场。以上方法是通过距声源一定距离处获得的声场反推声源级；而另外一种近场方法-声全息方法，采用复杂阵或多阵扫描测量近场位置的声压以及振速、相位信息，从而获取声源自噪声并预报远处声场。前者是一种最优等价方式，后者更接近真实声源的自噪声，但对物力要求很高。

不同海洋波导环境下，声传输函数不同，按球面扩展补偿传播损失估计自由场目标辐射噪声源强度，其结果会随环境差异很大，而如果利用声传播模型计算声传播损失来估计目标噪声源强度，又会遇到波导环境参数难以准确获取的实际问题。因波导参数的耦合导致测量得到的源强不是自由场中的目标源强，则很难实现目标辐射声场的有效预报。

因此，本领域的技术人员亟需一种能够解决波导环境对被动声呐的目标辐射噪声源强测量有影响的问题的波导环境下准确对被动声呐的目标辐射噪声源强测量的方法。

发明内容

针对以上存在的问题，本发明的目的在于：提供一种能够去除波导环境对被动声呐的目标辐射噪声源强测量的影响，解决波导环境参数较难准确测量的实际困难，实现一定频率上获取水中目标的自由空间声源强度，通过改变声源的深度形成虚拟源阵，结合接收水听器阵，构成波导中目标辐射噪声测量系统，实现对声源窄带信号源强度的准确估计的方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：在接收点处布放接收水听器用于形成具有孔径的声场接收阵，声场接收阵用于在浅海波导中获取声源形成的声场；

步骤2：接收声场，通过声源在不同深度的垂直移动形成虚源阵；

步骤3：依据声场接收阵实测的声场数据获取场波数倒数和；

步骤4：叠加声场能量，带入步骤3结果，消除浅海波导的调制作用，计算目标噪声源强度，获取自由场中窄带声源信号强度。

上述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，在步骤1中，所述声场接收阵为声场垂直接收阵，距离接收水听器r米处的声场强度为S(ω)的声源形成的声场为：

其中，z_l、z_j分别为声源和接收水听器的深度，l，j分别为声源和接收水听器编号，ρ表示介质密度，

为特征函数，表征第m号简正波的垂直能量分布，km是本征值，即第m号简正波的水平波数，e是自然常数，约为2.71828，_i表示虚数单位，t表示时间，ω表示角频率。

上述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，其特征是：在步骤1中，声场垂直接收阵在吸收波导无损失时，p(z_j,r,z_l,ω)共轭相乘，得到声场垂直接收阵处的声场强度:

上述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，在步骤1中，所述声源的简正波满足正交归一化性质

其中，H为海深；当声场垂直接受阵的阵孔径接近水层深度时，声场垂直接收阵处的声场强度I进行深度上的声场垂直接收阵源声场叠加：

其中Δz为叠加的水听器之间的垂直距离间隔；在步骤2中，在声源的垂直移动形成虚源阵时，声场垂直接收阵源声场叠加进行不同声源深度上的叠加，得到

由此可知，目标噪声源强度：

上述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，在步骤1中，简正波的声能量透射进入海底，

其中ΔH表示特征函数在海底部分的深度，由上述公式可知，

上述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，在步骤3中，简正波的声能量透射进入海底损失声能量时，目标噪声源强度：

其中，

上述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，在步骤1中，海流引起声场垂直接收阵与声源的垂直切面上出现一维轻微倾斜，其夹角设为θ(单位弧度)，则

其中，r₀是指最上面接收水听器与声源之间的水平距离，将不同深度水听器与声源之间的距离变换为最上面接收水听器的距离，目标噪声源强度：

上述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，所述垂直声场接收阵包括水听器、温深测量传感器TD、浮球、缆绳、重块、释放器。

上述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，所述声源包括被测换能器和/或者水下发声平台、缆绳、温深测量传感器TD。

本发明一种基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法的有益效果是：通过从能量的角度出发，声源测量时没有时间同步的要求，“源”相位的变化不影响结果，并且虚拟垂直阵的阵元间距设置灵活，易于实际操作；而且，声压、波数等声场信息均可通过实时测量获取，需要的波导参数先验知识较少，降低了对声传播模型的依赖，增强了对陌生环境的适应性；通过实测波导不同频率波数和垂直阵接收的声压，消除浅海波导环境引起的声场干涉对获取小型可移动目标噪声源强度的影响，去除海洋波导环境的调制作用，实现获取高声速海底波导环境中水中目标自由空间声源强度的较准确估计，该方法通过阵元接收声场能量积分的角度出发，因此“虚源阵”间各“源”之间没有时间同步的要求，“源”相位的变化不影响结果，并且虚拟源阵的垂直间距也可不必相等，易于实际的操作。

附图说明

图1为本发明声源强度测量方法步骤图；

图2为本发明声源强度估计结果与真实值的比较示意图；

图3为本发明声速剖面示意图；

图4为本发明特征函数深度积分的均值示意图；

图5为本发明特征函数深度积分示意图；

图6为本发明不同距离阵倾斜误差分析示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式及附图对本发明的内容进行说明。

不同海洋波导环境下，声传输函数不同，按球面扩展补偿传播损失估计自由场目标辐射噪声源强度，其结果会随环境差异很大，而如果利用声传播模型计算声传播损失来估计目标噪声源强度，又会遇到波导环境参数难以准确获取的实际问题。因波导参数的耦合导致测量得到的源强不是自由场中的目标源强，则很难实现目标辐射声场的有效预报。具体标准可参考：

[1]中华人民共和国国家军用标准，GJB 4047-2000，舰船噪声测量方法，2000。

[2]中国船级社,船舶水下辐射噪声指南，2018。

为了去除波导环境对目标辐射噪声源强测量的影响，从一定程度解决波导环境参数较难准确测量的实际困难，实现在一定频率上获取水中目标的自由空间声源强度，本发明通过改变声源的深度形成虚拟源阵，结合垂直布置的接收水听器阵，构成波导中目标辐射噪声测量系统，实现对声源窄带信号源强度的准确估计。

垂直声场接收阵包括水听器、温深测量传感器TD、浮球、缆绳、重块、释放器。除重块外，所有设备都采用布条、胶带及细缆绳固定于一条较粗的缆绳上。布放时，最上方为浮球，浮球下面为间隔布放的水听器和温深测量传感器TD，缆绳最下端与释放器相连，释放器的下端铁链与重块连接，重块坐底，形成垂直阵。试验完毕，释放器断开与重块的连接，抛弃重块，接收阵在浮球的浮力作用下漂浮于水面，等待打捞。

声源包括被测换能器和/或者水下发声平台、缆绳、温深测量传感器TD，声源的布置可采用现有的声源布置方法，在此不做赘述。

具体的测量方法包括：如图1所示，首先，在接收点处布放接收水听器用于形成具有空间尺度即孔径的声场接收阵，实现声场特征的获取，声场接收阵用于在浅海波导中获取声源形成的声场，，然后通过源的垂直移动形成虚源阵，依据垂直阵或水平阵实测的声场数据获取声场波数倒数和，最后通过声场能量的叠加，消除浅海波导的调制作用，计算目标噪声源强度，实现窄带声源信号强度自由场的准确估计。

图2为基于南海某实际波导条件下的噪声源强度估计，100Hz以上频段目标辐射噪声源强度估计误差小于0.5dB，在40Hz至100Hz之间频段误差小于1dB。

具体的，如图3-6所示，本发明的技术内容包括：浅海波导中获取的目标辐射噪声受海底、海面的影响，声场强度随距离具有起伏现象，距离声源r米处强度为S(ω)的声源形成的声场可近似为

其中，z_l、z_j分别为源和接收水听器的深度，l，j分别为源和接收水听器编号，ρ表示介质密度，e是自然常数，约为2.71828，i表示虚数单位，t表示时间，

为特征函数，表征第m号简正波的垂直能量分布，即垂直方向上的声压分布，k_m是本征值，即第m号简正波的水平波数，ω表示角频率，角频率可通过频谱分析获取。本发明是通过测量处的p(z_j,r,z_l,ω)数据，根据(1)式中

的正交归一化性质来获取自由场中的S(ω)，去除

的影响。

当不考虑波导的吸收损失时，(1)式与其共轭相乘，可以得到接收点声场强度为

(2)式中右边第一项p(z_j,r,z_l,ω)为非相干项，第二项p(z_j,r,z_l,ω)^*为相干项，可看出在浅海波导中测量获取的目标辐射噪声场会随传输距离发生起伏，并且其强度也受到声源与接收点深度z_l、z_j的影响。

在海面绝对软，海底绝对硬的理论近似情况下(一般情况在后续公式(7)式中进行了分析)，各号简正波满足正交归一化性质：

即，m＝n时，δ(m-n)＝0，反之，则δ(m-n)≠0，上式中H为海深。则根据(3)式，对(2)式进行深度上的接收阵元声场叠加

式中，Δz为叠加步长，为叠加的水听器之间的垂直距离间隔，在此设为1，后续推导中可省略。同理，当声源的垂直移动形成虚拟源阵时，对(4)式进行不同源深度上叠加，得到

根据(5)式可得到声源强度S(ω)与实测声场p(z_j,r,z_l,ω)之间的关系，此时，可依据水平阵列通过测量声场信息搜索或者声场垂直方向空间相关的累加和求解获取波数，GPS实时定位获取距离r，得到准确的目标噪声源强度：

以上理论推导均是从能量的角度出发，因此声源测量时没有时间同步的要求，“源”相位的变化不影响结果，并且虚拟垂直阵的阵元间距也可不必相等，易于实际操作。而且，以上声压、波数等声场信息均可通过实时测量获取，需要的波导参数先验知识较少，降低了对声传播模型的依赖，增强了对陌生环境的适应性。

当频率较高时，波数倒数之和只与海洋深度有关，接近某一个固定值，不会随频率的改变而改变，以此为依据，在实际测量中，可少量获取某几个频点波数倒数和的均值

不需要对关注频带内所有频率波数进行获取。

通过以上分析，根据(6)，可准确获取理想波导环境下目标的声源强度。

通常，实际海洋波导并不满足理想波导条件，尤其频率较低时，声能量存在透射进入海底的情况，此时(3)式修改为

式中，ΔH表示特征函数在海底部分的深度。

由(7)得到：

由(8)式可知，如波导中声波发生能量泄漏，特征函数在海底部分的积分

不为零，海水中简正波特征函数的正交归一化性质受到削弱，依据公式(6)获取的噪声源强度估计将存在误差。因此该技术方法较适合于海底声速大于水中声速的高声速海底波导，此时声能量大部分被波导束缚于海水中，只存在非常少量声能量透射入海底，即

据此，(6)式修正为：

其中

是接近1的正值,

表征水体中被束缚的声能量与声源发射总声能量的比值。

因此，依据该方法估计的噪声源强度与真实的噪声源强度比较(根据水声方向，对(9)式取以10为底的对数，化为分贝单位，因为声能量的变化范围非常大，为了更好的表征声能量的大小，都会最终表示为声压的20lg(p)或声能量的10lg(I)，两者相等。单位为分贝，用dB表示)，则存在的误差大约为

同理，该误差分析也适用于测量阵孔径或引导源垂直移动距离小于简正波特征函数垂直分布的其它情况。

当存在海流时，会引起接收阵在与目标连线垂直切面上出现一维轻微倾斜，假设其与垂直方向夹角设为θ(θ为单位弧度,可依据阵列长度和深度传感器TD测量深度的比值获取)，则

其中，参考距离r₀是指最上面接收点与声源之间的水平距离。因此，等声速理想波导条件下，(6)式修改为：

依据(10)式可知，当阵倾斜而不进行纠正时，导致噪声源强度改变

误差与倾斜角度和海深成正比，与距离成反比。

使用时，采用kraken程序进行声场仿真，声速剖面为南海某海域实测数据，如图3所示。海底为单层，只考虑纵波，其声速为1600m/s，密度为1.6g/cm3，衰减为0.2dB/λ。本次仿真的波导为两层，假设接收阵孔径跨度为1m至90m，相邻阵元间隔为1m。

假设源从1m至90m的垂直方向移动，移动间距1m，根据公式(6)，得到声源强度估计结果与真实值的比较如图2所示，(10·lg(|S(ω)|²)，设声压幅值为1，则真实值10·lg(|S(ω)|²)＝10·lg(|4π|²)，r＝1km，其中，横坐标为频率，纵坐标为强度，星线代表真实值，实线代表估计值。

由图2结果所示，当频率大于100Hz时，所用方法的误差小于0.3dB，而低于30Hz频率的误差较大，超过了1dB，在20Hz误差接近3dB。

图4和图5对较低频源强度估计误差增大的原因进行了分析，图4为不同频率特征函数在水体部分的深度积分均值，其中星线代表真实值，实线代表估计值，在频率为20Hz时特征函数深度积分只有真实值的0.7，根据公式

强度估计低约3dB与图2所示20Hz误差相同。图5中大图显示不同频率的相同特征函数点乘深度的积分,随着频率的升高，积分强度趋近于1；图5中子图表示不同特征函数间点乘的深度积分随频率变化规律，最大值出现在50Hz附近，大约为0.07，随着频率的升高，积分强度即特征函数间的耦合项趋近于0；图5中*号线是不同特征函数间点乘深度积分的平均值。

图6是根据(10)式和传播程序计算获取的距离声源300m(①)、500m(②)以及900m(③)时的阵倾斜导致的源强度估计误差，结果分别由实o线和星线表示。在距离达到500m以上时，阵倾斜20度以内时，误差小于0.2dB，随着距离的减小以及倾斜角度的增大，测量误差将增大，即相当于公式(6)中距离 r不准带来的估计误差。因此，当阵距离声源较近时，阵倾斜角度过大时需要纠正阵的姿态。

上述实施例只是为了说明本发明的结构构思和特点，其目的在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效变化或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：在接收点处布放接收水听器用于形成具有孔径的声场接收阵，声场接收阵用于在浅海波导中获取声源形成的声场；

步骤2：接收声场，通过声源在不同深度的垂直移动形成虚源阵；

步骤3：依据声场接收阵实测的声场数据获取场波数倒数和；

步骤4：叠加声场能量，带入步骤3结果，消除浅海波导的调制作用，计算目标噪声源强度，获取自由场中窄带声源信号强度。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，其特征是：在步骤1中，所述声场接收阵为声场垂直接收阵，距离接收水听器r米处的声场强度为S(ω)的声源形成的声场为：

其中，z_l、z_j分别为声源和接收水听器的深度，l，j分别为声源和接收水听器编号，ρ表示介质密度，

为特征函数，表征第m号简正波的垂直能量分布，km是本征值，即第m号简正波的水平波数，e是自然常数，约为2.71828，_i表示虚数单位，t表示时间，ω表示角频率。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，其特征是：在步骤1中，声场垂直接收阵在吸收波导无损失时，p(z_j,r,z_l,ω)共轭相乘，得到声场垂直接收阵处的声场强度:

4.根据权利要求3所述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，其特征是：在步骤1中，所述声源的简正波满足正交归一化性质

其中，H为海深；当声场垂直接受阵的阵孔径接近水层深度时，声场垂直接收阵处的声场强度I进行深度上的声场垂直接收阵源声场叠加：

其中Δz为叠加的水听器之间的垂直距离间隔；在步骤2中，在声源的垂直移动形成虚源阵时，声场垂直接收阵源声场叠加进行不同声源深度上的叠加，得到

由此可知，目标噪声源强度：

5.根据权利要求4所述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，其特征是：在步骤1中，简正波的声能量透射进入海底，

其中ΔH表示特征函数在海底部分的深度，由上述公式可知，

6.根据权利要求5所述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，其特征是：在步骤3中，简正波的声能量透射进入海底损失声能量时，目标噪声源强度：

其中

7.根据权利要求4所述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，其特征是：在步骤1中，海流引起声场垂直接收阵与声源的垂直切面上出现一维轻微倾斜，其夹角设为θ(单位弧度)，则

其中，r₀是指最上面接收水听器与声源之间的水平距离，目标噪声源强度：

8.根据权利要求2所述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，其特征是：所述垂直声场接收阵包括水听器、温深测量传感器TD、浮球、缆绳、重块、释放器。

9.根据权利要求2所述的基于虚拟源阵的浅海垂直移动声源强度测量方法，其特征是：所述声源包括被测换能器和/或水下发声平台、缆绳、温深测量传感器TD。

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