[发明专利]一种基于时延敏感核的海洋声层析方法有效

专利信息
申请号: 201510943664.6 申请日: 2015-12-16
公开(公告)号: CN105403878B 公开(公告)日: 2018-07-10
发明(设计)人: 汪非易 申请(专利权)人: 浙江大学
主分类号: G01S7/539 分类号: G01S7/539
代理公司: 杭州天勤知识产权代理有限公司 33224 代理人: 胡红娟
地址: 310027 浙*** 国省代码: 浙江;33
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摘要:
搜索关键词: 传播时延 时延敏感 波峰 层析 二维 先验 波形模板 测量信号 积分关系 模型信号 平滑约束 声速变化 问题模型 稀疏向量 最小二乘 海域 布设 接收阵 海洋 构建 重构 分辨 匹配 测量 发送 敏感 优化 组建
【权利要求书】:

1.一种基于时延敏感核的海洋声层析方法,其特征在于,包括步骤:

1)在待测海域用多个声源和水下垂直接收阵进行声信号接收;

2)根据测量或历史数据获取待测海域的先验声速剖面;

3)用简正波模型在先验声速剖面下计算模型接收的声信号;

4)分别找到模型计算的接收信号与测量信号的波峰,利用基于相关的波形模板匹配方法对两者的波峰进行匹配,得到一系列波峰对;

5)利用模型信号波峰及其传播时延计算每个波峰对应的时延敏感核;

6)通过时延敏感核建立声层析逆问题数学模型;

7)利用逆问题求解方法求解声层析逆介质问题,得到声速剖面的估计。

2.根据权利要求1所述的海洋声层析方法,其特征在于,所述的步骤3)中,利用简正波模型模拟声传播时,采用线状声源计算,在距离声源水平距离r,垂直深度z处,水声信道频率响应G(r,z)为

其中j是虚数单位,zs是声源深度,ρ是海水密度,Z是模深度函数,km是第m号模的水平波数;通过对信道频响与声源频响乘积求逆傅里叶变换得到模型时域信号xm(t)。

3.根据权利要求1所述的海洋声层析方法,其特征在于,在所述的步骤4)中,波峰定义为信号x(t)幅度的局部峰值,满足设定阈值检测出测量信号和模型信号的所有波峰后,利用基于相关的波形模板匹配方法找到彼此匹配的波峰对,得到波峰传播时延差Δτ。

4.根据权利要求1所述的海洋声层析方法,其特征在于,在所述的步骤5)中,对于每个波峰,在待测海域内任意位置r'需要计算出一个敏感性系数:

其中j为虚数单位,和分别代表实部和虚部,ω为角频率,i为第i个波峰,τi代表该波峰对应的模型信号的传播时延,v和w分别代表该波峰幅度的实部和虚部,和为一阶导,和为二阶导,且rs和rr分别代表声源和接收阵元的位置,c代表待测海域的先验声速;

Q函数的表达由格林函数G与声源频响Ps(ω)给出:

系数Ki(r'|rs;rr;c)在所有位置r'上组成的二维核函数称为时延敏感核,描述海洋中任意位置的声速变化对传播时延影响的大小。

5.根据权利要求1或4所述的海洋声层析方法,其特征在于,在所述的步骤6)中,对于每个波峰,通过时延敏感核可以建立波峰传播时延差Δτi与二维声速剖面扰动Δc之间的积分关系:

Δτi=∫∫SΔc(r')Ki(r'|rs;rr;c)dS(r')

Δc(r')表示传播海域任意位置r'处实际声速与模型先验声速之差,S表示测量海域的二维平面;通过线性化可以将积分方程改写为线性方程:

y=Ex+n

其中,y=[Δτ1,…,ΔτM]T,M为波峰个数,E=[K1,…,KM]T,Ki为1×N的行向量,x=[Δc1,…,ΔcN]T,N为网格数,n为未知噪声;该方程即为声层析逆介质问题的数学模型,描述为在给定核函数矩阵E与观测的时延差y下,求声速扰动向量x。

6.根据权利要求1所述的海洋声层析方法,其特征在于,在所述的步骤7)中,逆问题求解方法包括带有平滑约束的最小二乘方法以及求解稀疏向量的凸优化方法。

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