CN115292886A - 一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统及估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统及估计方法；首先分析弹性海底波导的简正波模态特性与干涉结构特性，然后根据分析的干涉结构特性，进行时频干涉结构的二维傅里叶变换，提取谱密度峰值，最终基于分析得到的弹性海底波导简正波模态特性，以及计算得到的谱密度峰值点坐标，完成声源运动参数的估计；本发明基于弹性海底波导的简正波模态特性，分析了这一普遍存在的海洋环境的表面波特性，指出了弹性海底波导中对声场干涉结构起到主要作用的的简正波模态，优化了原有的二维傅里叶变换估计声源运动参数的算法，准确实现了声源运动参数在这一海洋环境波导中的估计。

Description

一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统及 估计方法

技术领域

本发明属于人工智能技术领域，具体地，涉及一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统及估计方法。

背景技术

相比于液态海底模型，覆盖于固体地壳表面的海洋更符合弹性海底的海洋波导模型，但同时由于其存在的诸多特殊性质，众多学者仍在对其进行长期的研究。根据地震学理论，可以确定弹性海底波导中存在一类特殊波动模态，即为表面波。早在19世纪，LordRayleigh从理论上阐明了可能存在沿着固体自由表面传播的声表面波，而在1924年，Stoneley研究两层固体弹性半空间之间存在的表面波，并给出相应的特征方程。一般出现在流体-弹性固体边界上的称为Scholte波，而出现在弹性固体之间界面的称为Stoneley波

2017年，俄罗斯科学家G.N.Kuznetsov等人提出在时间-频率域干涉图像上采用二维傅里叶变换的测速测距算法，这一算法仅需要使用一个单矢量水听器，在低信噪比的条件下取得了良好的效果。随后，S.A.Pereselkov等人验证了这一算法在较高频率下的适用性，扩宽了这一算法在声源运动参数估计的适用性。

但是，Kuznetsov与Pereselkov等人研究的海洋环境是位于半无限液态海底介质上的单层Pekeris波导，对简正波模态特性并没有深入的分析，也没有研究这一算法在海洋中广泛存在具有弹性介质特征的沉积层与岩质基底条件下算法的适用性。

发明内容

本发明针对弹性海底条件下简正波模态特性出现明显不同于液态海底条件的变化的问题，基于海底反射系数的简正波方法，分析了弹性海底条件下的简正波模态特性，优化了基于时频干涉条纹的声源运动参数估计算法，进而提出了一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统及估计方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计方法：

所述方法具体包括以下步骤：

步骤一：分析弹性海底波导环境的简正波模态特性与干涉结构特性；

步骤二：根据步骤一的干涉结构特性，进行时频干涉结构的二维傅里叶变换，提取谱密度峰值；

步骤三：基于步骤一的弹性海底波导简正波模态特性，以及步骤二计算得到的谱密度峰值点坐标，完成声源运动参数的估计。

进一步地，在步骤一中，

所述弹性海洋波导环境包含海水层、弹性沉积层与岩质基底；

海水层介质为理想流体，在深度z时其声速为c(z)，其密度ρ与深度、距离无关；

弹性沉积层的参数有纵波波速c_p1、横波声速c_s1、密度ρ₁、纵波传播损失α_p1、横波声速α_s1与沉积层深度H₁；

岩质基底的参数有纵波波速c_p2、横波声速c_s2、密度ρ₂、纵波传播损失α_p2、横波声速α_s2。

进一步地，在步骤一中，

将一般波导中的简正波表达式，写为分析干涉结构的简正波幅度与e指数的表达式：

其中简正波幅度A_n(ω,r)的表达式为：

根据声压场表达式写出简正波干涉幅度I_mn(ω,r)表达式：

根据公式(1)(2)(3)的各阶模态简正波干涉幅度，分析得到在当前弹性海底波导中声场干涉结构起到主要贡献的简正波模态。

进一步地，在步骤二中，

根据水听器接收信号的声强LOFAR谱图I(ω,t)进行二维傅里叶变换，如式(4)：

其中v_r是声源运动的径向速度，Δt是观测时间长度，ω₀是观测频段中心角频率，Δω是观测频段宽度，ν是傅里叶变换因子中的频移，τ是傅里叶变换因子中的时延。

进一步地，在步骤二中，

在频移-时延域上不同角度系数方向的谱密度F(τ,ν)幅度分布检测器Y(ε)写为：

根据式中检测器得到的角度系数最大值，确定该方向上存在的距离原点最近的、由相邻模态简正波形成的峰值点坐标(τ₁,ν₁)。

进一步地，在步骤三中，

基于步骤二计算得到的谱密度峰值点坐标与弹性海底的简正波模态特性，给出声源运动参数估计的表达式：

其中N_f是步骤一分析得到的携带主要能量的第一阶简正波阶数，N是分析得到的携带主要能量的简正波阶数，β值是基于式计算得到的干涉不变量值：

其中k_n(n+1)是相邻模态简正波本征值之差。

一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统：

所述系统包括：特征分析模块、傅里叶变换模块以及运动参数估计模块；

特征分析模块，用于分析弹性海底波导环境的简正波模态特性与干涉结构特性；

傅里叶变换模块，根据分析得到的干涉结构特性，进行时频干涉结构的二维傅里叶变换，提取谱密度峰值；

运动参数估计模块，根据分析得到的弹性海底波导简正波模态特性，以及计算得到的谱密度峰值点坐标，完成声源运动参数的估计。

进一步地，所述特征分析模块分析的弹性海洋波导环境包含海水层、弹性沉积层与岩质基底；

海水层介质为理想流体，在深度z时其声速为c(z)，其密度ρ与深度、距离无关；

弹性沉积层的参数有纵波波速c_p1、横波声速c_s1、密度ρ₁、纵波传播损失α_p1、横波声速α_s1与沉积层深度H₁；

岩质基底的参数有纵波波速c_p2、横波声速c_s2、密度ρ₂、纵波传播损失α_p2、横波声速α_s2。

一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。

本发明有益效果

本发明基于弹性海底波导的简正波模态特性，分析了这一普遍存在的海洋环境的表面波特性，指出了弹性海底波导中对声场干涉结构起到主要作用的的简正波模态，优化了原有的二维傅里叶变换估计声源运动参数的算法，准确实现了声源运动参数在这一海洋环境波导中的估计。

附图说明

图1为基于海底参数系数的简正波计算程序得到的弹性海底波导中不同频率各模态本征函数图，其中(a)为频率a的本征函数图，(b)为为频率b的本征函数图；

图2为实施例中的海洋环境波导的各阶简正波干涉幅度图；

图3为视频干涉图，其中(a)为接近水听器的接收信号LOFAR谱图，(b)为远离水听器的接收信号LOFAR谱图；

图4为对视频干涉图像处理后提取得到的谱密度结果图，其中(a)为接近水听器的谱密度结果图，(b)为远离水听器的谱密度结果图。

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。

一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计方法：

所述方法具体包括以下步骤：

步骤一：分析弹性海底波导环境的简正波模态特性与干涉结构特性；

步骤二：根据步骤一的干涉结构特性，进行时频干涉结构的二维傅里叶变换，提取谱密度峰值；

步骤三：基于步骤一的弹性海底波导简正波模态特性，以及步骤二计算得到的谱密度峰值点坐标，完成声源运动参数的估计。

在步骤一中，

所述弹性海洋波导环境包含海水层、弹性沉积层与岩质基底；

海水层介质为理想流体，在深度z时其声速为c(z)，其密度ρ与深度、距离无关；

弹性沉积层的参数有纵波波速c_p1、横波声速c_s1、密度ρ₁、纵波传播损失α_p1、横波声速α_s1与沉积层深度H₁；

岩质基底的参数有纵波波速c_p2、横波声速c_s2、密度ρ₂、纵波传播损失α_p2、横波声速α_s2。

在步骤一中，

将一般波导中的简正波表达式，写为分析干涉结构的简正波幅度与e指数的表达式：

其中简正波幅度A_n(ω,r)的表达式为：

根据声压场表达式写出简正波干涉幅度I_mn(ω,r)表达式：

基于海底参数系数的简正波计算程序得到的弹性海底波导中不同频率各模态本征函数如图1。分析发现，在频带的不同频率条件下，表面波模态出现在不同的简正波号数。

根据公式(1)(2)(3)的各阶模态简正波干涉幅度图像，分析得到在当前弹性海底波导中声场干涉结构起到主要贡献的简正波模态。

在步骤二中，

根据水听器接收信号的声强LOFAR谱图I(ω,t)进行二维傅里叶变换，如式(4)：

其中v_r是声源运动的径向速度，Δt是观测时间长度，ω₀是观测频段中心角频率，Δω是观测频段宽度，ν是傅里叶变换因子中的频移，τ是傅里叶变换因子中的时延。

在步骤二中，

在频移-时延域上不同角度系数方向的谱密度F(τ,ν)幅度分布检测器Y(ε)写为：

根据式中检测器得到的角度系数最大值，确定该方向上存在的距离原点最近的、由相邻模态简正波形成的峰值点坐标(τ₁,ν₁)。

在步骤三中，

基于步骤二计算得到的谱密度峰值点坐标与弹性海底的简正波模态特性，给出这一环境下声源运动参数估计的表达式：

其中N_f是步骤一分析得到的携带主要能量的第一阶简正波阶数，N是分析得到的携带主要能量的简正波阶数，β值是基于式计算得到的干涉不变量值：

其中k_n(n+1)是相邻模态简正波本征值之差。

一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统：

所述系统包括：特征分析模块、傅里叶变换模块以及运动参数估计模块；

特征分析模块，用于分析弹性海底波导环境的简正波模态特性与干涉结构特性；

傅里叶变换模块，根据分析得到的干涉结构特性，进行时频干涉结构的二维傅里叶变换，提取谱密度峰值；

运动参数估计模块，根据分析得到的弹性海底波导简正波模态特性，以及计算得到的谱密度峰值点坐标，完成声源运动参数的估计。

所述特征分析模块分析的弹性海洋波导环境包含海水层、弹性沉积层与岩质基底；

海水层介质为理想流体，在深度z时其声速为c(z)，其密度ρ与深度、距离无关；

弹性沉积层的参数有纵波波速c_p1、横波声速c_s1、密度ρ₁、纵波传播损失α_p1、横波声速α_s1与沉积层深度H₁；

岩质基底的参数有纵波波速c_p2、横波声速c_s2、密度ρ₂、纵波传播损失α_p2、横波声速α_s2。

实施例：

设定海水层声速保持在1500m/s左右，海水层深度150m；沉积层厚度H₁为50m，纵波波速c_p1由1700m/s变为1730m/s，横波声速c_s1为0m/s，密度ρ₁为2g/cm³，纵波传播损失与横波声速α_s1设定为0；岩质基底中纵波波速c_p2为3500m/s，横波声速c_s2为2200m/s，密度ρ₂为2.5g/cm³，纵波传播损失α_p2与横波声速α_s2设定为0。根据式的计算，这一海洋环境波导的各阶简正波干涉幅度如图2所示；

基于图2可以发现，这一波导中对声场干涉结构起到主要作用的是第(4,5)、(5,6)、(6,7)与(7,8)相互干涉的简正波模态，第3阶简正波即为表面波。其对远离海底的接收点声场作用可以忽略。

仿真中声源深度为20m，水听器深度为20m。声源设置为接近水听器与远离水听器，接近水听器的声源初始距离为10km，径向速度为4m/s；远离水听器的声源初始距离为6.8km，径向速度为4m/s。由此得到的接收信号LOFAR谱图；

根据式的二维傅里叶变换与式的谱密度峰值点方向提取，对图3的视频干涉图像处理后提取得到的谱密度结果如图4所示：

根据图4估计得到的相邻模态产生的谱密度峰值点坐标，结合弹性海底波导简正波模态特性，分别估计得到两个算例中声源的运动参数为：

表1弹性海底波导算例声源运动参数估计结果

一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。

本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read only memory，ROM)、可编程只读存储器(programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasablePROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(synchronousDRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double datarate SDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambusRAM，DR RAM)。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，高密度数字视频光盘(digital video disc，DVD))、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disc，SSD))等。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

以上对本发明所提出的一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统及估计方法，进行了详细介绍，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 (10)

1.一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计方法，其特征在于：

所述方法具体包括以下步骤：

步骤一：分析弹性海底波导环境的简正波模态特性与干涉结构特性；

步骤二：根据步骤一的干涉结构特性，进行时频干涉结构的二维傅里叶变换，提取谱密度峰值；

步骤三：基于步骤一的弹性海底波导简正波模态特性，以及步骤二计算得到的谱密度峰值点坐标，完成声源运动参数的估计。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在步骤一中，

所述弹性海洋波导环境包含海水层、弹性沉积层与岩质基底；

海水层介质为理想流体，在深度z时其声速为c(z)，其密度ρ与深度、距离无关；

弹性沉积层的参数有纵波波速c_p1、横波声速c_s1、密度ρ₁、纵波传播损失α_p1、横波声速α_s1与沉积层深度H₁；

岩质基底的参数有纵波波速c_p2、横波声速c_s2、密度ρ₂、纵波传播损失α_p2、横波声速α_s2。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在步骤一中，

将一般波导中的简正波表达式，写为分析干涉结构的简正波幅度与e指数的表达式：

其中简正波幅度A_n(ω,r)的表达式为：

根据声压场表达式写出简正波干涉幅度I_mn(ω,r)表达式：

根据公式(1)(2)(3)的各阶模态简正波干涉幅度，分析得到在当前弹性海底波导中声场干涉结构起到主要贡献的简正波模态。

4.根据权利要求2所述方法，其特征在于：在步骤二中，

根据水听器接收信号的声强LOFAR谱图I(ω,t)进行二维傅里叶变换，如式(4)：

其中v_r是声源运动的径向速度，Δt是观测时间长度，ω₀是观测频段中心角频率，Δω是观测频段宽度，ν是傅里叶变换因子中的频移，τ是傅里叶变换因子中的时延。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于：在步骤二中，

在频移-时延域上不同角度系数方向的谱密度F(τ,ν)幅度分布检测器Y(ε)写为：

根据式中检测器得到的角度系数最大值，确定该方向上存在的距离原点最近的、由相邻模态简正波形成的峰值点坐标(τ₁,ν₁)。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于：在步骤三中，

基于步骤二计算得到的谱密度峰值点坐标与弹性海底的简正波模态特性，给出声源运动参数估计的表达式：

其中N_f是步骤一分析得到的携带主要能量的第一阶简正波阶数，N是分析得到的携带主要能量的简正波阶数，β值是基于式计算得到的干涉不变量值：

其中k_n(n+1)是相邻模态简正波本征值之差。

7.一种基于声场干涉现象的弹性海底声源运动参数估计系统，其特征在于：

所述系统包括：特征分析模块、傅里叶变换模块以及运动参数估计模块；

特征分析模块，用于分析弹性海底波导环境的简正波模态特性与干涉结构特性；

傅里叶变换模块，根据分析得到的干涉结构特性，进行时频干涉结构的二维傅里叶变换，提取谱密度峰值；

运动参数估计模块，根据分析得到的弹性海底波导简正波模态特性，以及计算得到的谱密度峰值点坐标，完成声源运动参数的估计。

8.根据权利要求7所述系统，其特征在于：

所述特征分析模块分析的弹性海洋波导环境包含海水层、弹性沉积层与岩质基底；

海水层介质为理想流体，在深度z时其声速为c(z)，其密度ρ与深度、距离无关；

弹性沉积层的参数有纵波波速c_p1、横波声速c_s1、密度ρ₁、纵波传播损失α_p1、横波声速α_s1与沉积层深度H₁；

岩质基底的参数有纵波波速c_p2、横波声速c_s2、密度ρ₂、纵波传播损失α_p2、横波声速α_s2。

9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

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