[发明专利]一种基于声波到达角宽带起伏特性的深海传播模式辨识方法

权利要求书

1.一种基于声波到达角宽带起伏特性的深海传播模式辨识方法,其特征在于：包括以下步骤，

步骤1、对数据进行处理得到不同频率下的阵列响应，得到波达角-频率关系；

步骤2、基于推导，在波达角-频率关系的基础上提取波达角随频率的起伏变化曲线；

步骤3、对波达角随频率的起伏变化曲线做平滑处理以减少非周期性干扰；

步骤4、通过计算波达角随频率变化的均方差来量化目标到达角随频率的波动程度作为会聚区和表面波导辨识的依据。

2.根据权利要求1所述的基于声波到达角宽带起伏特性的深海传播模式辨识方法，其特征在于：步骤2的设计过程中，表面波导到达角起伏特性的推导为：

根据简正波理论，远场的声压表示为一系列简正波的叠加：

式中，(r_s,z_s)和(r,z)分别为目标和接收的位置，为第m号简正波的模态函数，k_m为对应模态的水平波数；M为模态数；r_s可假设为0；垂直线列阵各阵元接收的信号表示为：

x＝[p(r,z₁；z_s),p(r,z₂；z_s),K,p(r,z_N；z_s)]^T (2)

式中，z_i为阵元深度，N表示阵元数，()^T为转置运算符；阵列波束形成输出表示为：

y＝w(θ)^Hx (3)

式中，w(θ)为阵列加权系数，θ为导向角，()^H为共轭转置运算符，期望方向上，加权向量表示为：

w(θ)＝[1,e^ikdsinθ,e^ik2dsinθ,K,e^{ik(N-1)dsinθ}]^T (4)

式中，k为信号波数，d为阵元间距；常规波束形成的输出能量表示为

P(θ)＝yy^H＝w(θ)^Hxx^Hw(θ) (5)

将式(1)和式(2)代入式(3)可得

记

式(6)表示为

式中，A_m为第m个模态的幅度，Ψ_m为对第m个模态的空间采样；将式(9)代入式(5)，可得

式(10)可以转换为两部分：

式中，第一部分为阵列对所有模态的响应，第二部分为模态的耦合响应；从式(11)可得

当i＝j时，只包含1/r和1/k_i两个变量，所以该项对波达角没有影响；当i≠j时，和为复数，包含随距离和水平波数差变化的简谐项因此在距离不变时，波达角将会随(k_i-k_j)波动，将共轭项合并表示为余弦函数：

T_i,j＝C_i,jcos((k_i-k_j)r+φ_i,j) (13)

式中，C_i,j为幅度，φ_i,j为初始相位，表达式分别为

式(11)可表示为

上式第一项表达波达角随距离和频率变化的平均值，第二项表示随距离和水平波数差起伏大小；频率与水平波数差的关系表示为

式中，θ_i和θ_j分别为第i个和第j个模态的波达角；

当目标距离不变时，由公式(16)第二项可得，波达角起伏周期为

k_i-k_j＝2π/r (18)

将式(18)代入式(17)可得

式中，f_i,j为对应第i阶和第j阶模态的起伏周期，可以认为f_i,j为对应波达角的起伏周期。