[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

说明书

本发明公开了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,包括以下步骤，步骤1、对数据进行常规波束形成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，发现会聚区声线到达角对频率不敏感，到达角随频率起伏小，表面波导到达角对频率较敏感，到达角随频率起伏大，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。本发明可以实现被动接收到达模式的辨识。

技术领域：

本发明属于信号处理领域，具体涉及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。

背景技术：

声信号在深海中的传播最主要可以分为四种模式：直达波、影区、会聚区和表面波导传播式，表面波导和会聚区都可实现水声的远距离传播，是深海中重要的远程传播模式，因此受到了广泛关注。

表面波导是由海洋表面等温层导致声速剖面微弱正梯度形成的，Baker和Schulkin基于实验数据给出了表面波导中近距离声传播损失的经验公式；Porter通过改变表面波导的特征参数如梯度、深度、表面声速等，研究了表面波导的海洋和声学特性；Duan等基于简正波模型研究了表面波导中声传播的特点，分析了声纳主动发射和被动接收时的最优深度。表面波导是存在强烈时空变异性的不稳定信道，与表面声道相比，深海声道受季节变化的影响较小，声道效应更加趋于稳定。深海中当满足一定条件时会形成会聚区，Hale最早在海上实验中观察到会聚区,并对会聚区进行了一系列研究分析，给出了会聚区平均场强的估算公式；Urick分析了不同声源深度时会聚区的变化情况，并指出了形成会聚区的必要条件。A.O.Williams基于简正波理论解释了会聚区形成的原因，指出会聚现象是大量同相简正波叠加的结果；张仁和利用简正波理论和射线理论讨论了反转点会聚区；范培勤等分析了深海会聚区现象的形成机理，给出了会聚区距离计算模型；郭李等将会聚区效应应用于定位，给出了一种基于会聚区声强匹配的声源定位方法,会聚区强度、距离等特征随海洋水声环境参数的变化，会聚区内信号相关性、到达结构、声传播等受到了广泛关注。声呐系统探测的会聚区模式基于会聚区声传播损失小的特点，可以探测会聚区内的水下目标。声呐在深海中需根据实际的海洋环境，利用不同的声传播模式实现远程水声通信和探测。

但是，目前没有尚未有表面波导和会聚区传播模式辨识的研究。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是，提供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，该方法可以实现被动接收到达模式的辨识。

本发明的技术解决方案是，提供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,包括以下步骤，

步骤1、对数据进行常规波束形成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，发现会聚区声线到达角对频率不敏感，到达角随频率起伏小，表面波导到达角对频率较敏感，到达角随频率起伏大，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、考虑到波达角随频率变化会因为噪声的干扰或常规波束形成估计不准产生波动，因此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。

作为优选，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：