CN104820218A - 一种基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法，通过在频域上对声信号进行自相关处理，利用推导出的频域自相关系数与浅海海底单参数之间的关系，对海底单参数进行反演。其包含如下步骤：S1.对水听器接收到的声信号进行频域自相关处理；S2.获取归一化的频域自相关系数下降到0.5时所对应的频移量；S3.利用频移量与浅海海底单参数之间的关系，反演得到单参数的值。该方法可以快速获取海底单参数，其将海底声学参数从多维降低为一维，反演过程极大简化，避免了多维寻优和参数间的耦合带来的敏感性不同等问题，反演出的单个参数可以在大范围内很好的描述浅海海底反射性质，并可进行水下声场预报、海底沉积物分类等应用。

Description

一种基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法

技术领域

本发明涉及浅海海底声学参数反演领域，特别涉及一种基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法。

背景技术

在浅海环境中，海底地声参数对声传播特性的影响很大，对声传播起着决定性的作用。海底地声参数是浅海声场分析和计算的必要先验信息，它的获取对于浅海声场预报、声纳性能最优化、匹配场定位和海底底质分类等应用有着重要的意义。

传统的海底地声参数获取方法主要是以海底采样为代表的直接测量方法。这些方法能够获得较为准确的地声参数值，但是存在一些难以克服的不足：(1)花费昂贵、费时费力；(2)获得的地声参数具有明显的局部性，只能获得离散点的值，若采样数据较少则不能全面代表大范围的海底参数；(3)受外部条件的影响比较大，样本容易扰动，如样本失去海底原有的温度和压力等条件。

近年来得益于信号处理技术的进展、水声物理与多个学科的交叉，地声参数声学反演技术迅猛发展。地声反演方法，即通过间接测量水下声信号，逆推海底环境信息的间接地声参数获得方法，可以连续、大尺度地获得浅海海底底质特征，具有经济高效、获得结果连续丰富等优点。

常见的地声反演方法多是基于多参数海底模型进行海底声学参数反演，多参数反演过程中，参数间的耦合是反演设计者常常需要考虑的问题。一个典型的例子就是匹配场处理中声源深度与传播距离的耦合。一些方法以计算量为代价在寻优过程中确定正确的结果，但这不能从根本上解决这一问题。尤其当地声模型的参数作为反演结果存在复杂的耦合关系时，一个参数的估计错误会引起多米诺效应般的连续错误。

与参数间的耦合类似，参数间的敏感性也是海底多维声学参数反演中难以回避的问题，例如在处理近场反射声信号时，沉积物密度的敏感性就远低于沉积声速。对于这一类问题，以分步反演为代表的方法也能取得与真值符合的结果，但是参数敏感性属于地声模型固有的物理性质，难以从根本上消除。

因此，近年来国内声学研究者有提出利用小掠射角下海底反射损失随掠射角的变化率F_db(dB/rad)来描述海底，建立了浅海海底单参数模型，该单参数模型在大范围尺度里可以较好地描述水下声场。

本发明即在该单参数模型基础上提出。

发明内容

本发明的目的在于，为克服当前多维参数反演方法存在的测量复杂、多维寻优计算量大、参数间的耦合造成的不确定性等问题，从降低反演参数维数入手，通过分析海底声学回波中包含的时频相关特征，从而提出相应的单参数反演方法。本发明提供了一种基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法，包括步骤：S1.计算接收到的声信号的归一化的频域自相关函数；S2.计算当所述归一化的频域自相关函数下降到0.5时所对应的频移量，记为Δf_H；S3.计算所述单参数。

进一步地，步骤S1中按照如下公式计算接收到的声信号的归一化的频域自相关函数：

${\mathrm{\ρ}}_{\left|p\right|}\left(\mathrm{\Δ}f\right)=\frac{\⟨\left|p\left(f\right)\right|\left|p(f+\mathrm{\Δ}f)\right|\⟩-{\⟨\left|p\left(f\right)\right|\⟩}^2}{\⟨{\left|p\left(f\right)\right|}^2\⟩-{\⟨\left|p\left(f\right)\right|\⟩}^2},$ 其中，p(f)为所述声信号的傅里叶变换，Δf为频移量，〈〉表示均值。

进一步地，步骤S3中按照如下公式计算所述单参数：

其中，c_w为海水中的声速，H为海深。

本发明的基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法，将反演参数维数从多维降低到一维，使得其待测物理量少，无需多维寻优，从而使得计算量减少，信号处理过程简单，可进行快速反演，并且反演结果稳健。反演获取的单参数可以较好地描述水下声场，且可进行海底沉积物分类、匹配场定位等应用。

附图说明

图1为本发明的基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法的流程图；

图2为水听器阵接收到的声信号的波形示意图；

图3为归一化的频域自相关函数随频移量的变化曲线图；

图4为中心频率1000Hz时应用本发明的声传播衰减预报值与实验值及传统算法得到的预报值的比较图。

具体实施方式

下面结合附图和优选的实施例，对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明的基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法的步骤详细说明如下。

步骤S1，对水听器阵接收到的声信号(参考图2，为水听器阵接收到的声信号的实验数据的示意图，该示例中水听器阵包含1#～4#共四个水听器)进行频域自相关处理，根据下述公式(1)，得到归一化的频域自相关函数：

将水听器接收到的声信号傅里叶变换到频域后，进行归一化的自相关处理：

${\mathrm{\ρ}}_{\left|p\right|}\left(\mathrm{\Δ}f\right)=\frac{\⟨\left|p\left(f\right)\right|\left|p(f+\mathrm{\Δ}f)\right|\⟩-{\⟨\left|p\left(f\right)\right|\⟩}^2}{\⟨{\left|p\left(f\right)\right|}^2\⟩-{\⟨\left|p\left(f\right)\right|\⟩}^2}---\left(1\right)$

其中，ρ_|p|(Δf)为归一化的频率自相关函数，p(f)为所述声信号的傅里叶变换，Δf是取任一固定值时所对应的频移，〈〉代表均值。

步骤S2，获取归一化的频域自相关函数下降到0.5时所对应的频移量。参考图3，由公式(1)可以得到归一化的频域自相关函数随频移量的变化曲线Line_f。Δf_H定义为自相关函数下降到0.5时的频移量，可由变化曲线Line_f得到频移量Δf_H的取值。

步骤S3，利用频移量与浅海海底单参数F_db之间的关系，反演得到单参数F_db值。

在浅海近似均匀水层条件下，经过一系列理论推导，可以得到浅海海底单参数F_db与归一化频域自相关系数下降到0.5时的频移量Δf_H之间的关系表达式：

$F_{dB}=\frac{20{\mathrm{\π}H\log }_{10}\left(e\right)\·{\mathrm{\Δf}}_H}{c_w}---\left(2\right)$

其中，c_w为海水中的声速，H为海深。根据上述公式(2)，可以由频移量得到待反演的单参数F_db值。

下面详细说明本发明的基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法的原理。

在不考虑多途扩展损失时，归一化的自相关系数可以表示为：

${\mathrm{\ρ}}_{\left|p\right|}\left(\mathrm{\Δ}f\right)=\frac{1}{1+{\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\τ}\mathrm{\Δ}f\right)}^2}---\left(3\right)$

其中，τ为声场强度降低了1/e所需的时间。

由于Δf_H为归一化自相关系数降到0.5时的频移，从而：

${\mathrm{\Δf}}_H=\frac{1}{2\mathrm{\π}\mathrm{\τ}}---\left(4\right)$

从射线几何的角度出发，对τ与单参数F_dB之间的关系表达式进行推导。在浅海均匀水层条件下，考虑到海底单参数模型通常讨论的是声线与海底多次接触后大掠射的反射声已经可以忽略不计的情况，直达波后经n次接触海底的脉冲时延Δt_n可以忽略声源深度和接收器的深度，近似表达为：

${\mathrm{\Δt}}_n\≈\frac{2n^2{H}^2}{{\mathrm{rc}}_w}---\left(5\right)$

其中，c_w海水声速，H为海深，r为接收器与声源之间的距离。对于浅海均匀层，第n次海底接触的小掠射角可以近似表示为：

因此，第n次海底接触的海底反射损失BL_n可以由单参数F_dB表示为：

总的海底反射损失BL表示为：

$BL=\frac{2n^2{\mathrm{HF}}_{dB}}{r}---\left(8\right)$

联立公式(5)和(8)可得：

${\mathrm{BL}}_{\left({\mathrm{\Δt}}_n\right)}=\frac{c_w{F}_{dB}{\mathrm{\Δt}}_n}{H}---\left(9\right)$

对于浅海近似均匀水层，信号能量随Δt_n呈指数衰减，因此，基于公式(9)，声场强度降低了1/e时的脉冲时延τ可以表示为：

$\mathrm{\τ}=\frac{10{H\log }_{10}\left(e\right)}{c_w{F}_{dB}}---\left(10\right)$

将公式(10)代入公式(4)，最终得到了单参数的频域反演表达式：

${\mathrm{\Δf}}_H=\frac{c_w{F}_{dB}}{20{\mathrm{\π}H\log }_{10}\left(e\right)}---\left(11\right)$

将上述公式(11)进行主项变换既可得到公式(2)。

本发明的基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法，采用浅海海底单参数模型，基于归一化频域自相关对浅海海底单参数进行反演，得到的反演结果稳健，且在实际应用中所需测量的物理量少，对测量条件要求低，信号处理简单，可进行快速反演，能够应用于浅海声传播预报、海底沉积物分类等领域。

下面参照图2-4，描述本发明的一个实施例，该实施例利用东中国海域浅海声学实验数据，其反演频率采用1000～2000Hz，所有的数据均在三分之一倍频程内平均。

步骤S1，在频域上对实验中水听器阵的各水听器接收到的声信号进行自相关处理，得到归一化的频率自相关函数。图2为在距离***声源4.65Km处，1#～4#水听器接收到的***声源的声信号。

步骤S2，获取归一化的频域自相关函数下降到0.5时所对应的频移量Δf_H。附图3为距离***声源4.65Km处，中心频率为2000Hz时，1#～4#水听器接收到的声信号频域自相关函数随偏移量Δf的变化关系曲线Line_f。从该变化曲线图，可以得到频域自相关函数降到0.5时的频移量Δf_H的值。

步骤S3，利用频移量Δf_H与浅海海底单参数F_db之间的关系，反演得到单参数F_db的值。根据浅海海底单参数F_db与之间的关系表达式，即公式(2)，最终得到不同频率下待反演的海底单参数值F_db，最终反演结果见表1：

表1东海实验海域海底单参数

声传播损失预报是检验反演结果正确性的最有效方式。图4为本发明的单参数反演结果的传播预报值与实验值以及传统算法的声传播预报值的比较图，可以看出，本发明的海底单参数反演方法与实验值的符合较好，说明本发明的海底单参数反演方法有效。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法，其特征在于，包括步骤：

S1.计算接收到的声信号的归一化的频域自相关函数；

S2.计算当所述归一化的频域自相关函数下降到0.5时所对应的频移量，记为Δf_H；

S3.计算所述单参数。

2.根据权利要求1所述的基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法，其特征在于，步骤S1中按照如下公式计算接收到的声信号的归一化的频域自相关函数：

${\mathrm{\&rho;}}_{\left|p\right|}\left(\mathrm{\&Delta;f}\right)=\frac{<\left|p\left(f\right)\right|\left|p(f+\mathrm{\&Delta;f})\right|>-{<\left|p\left(f\right)\right|>}^2}{<{\left|p\left(f\right)\right|}^2>-{<\left|p\left(f\right)\right|>}^2}$

其中，p(f)为所述声信号的傅里叶变换，Δf为频移量，〈〉表示均值。

3.根据权利书要求1所述的基于频域自相关的浅海海底单参数反演方法，其特征在于，步骤S3中按照如下公式计算所述单参数：

$F_{\mathrm{dB}}=\frac{20\mathrm{\&pi;H}{\log }_{10}\left(e\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{f}_H}{c_w}$

其中，c_w为海水中的声速，H为海深。