基于单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111458008A(43)申请公布日2020.07.28(21)申请号202010299943.4(22)申请日2020.04.16(71)申请人浙江大学地址310058浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号(72)发明人潘翔沈一宁姜景宁章杰楼晨露(74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公司33200代理人傅朝栋张法高(51)Int.Cl.G01H3/00(2006.01)G01H3/04(2006.01)G01S7/52(2006.01)G01S15/88(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图3页(54)发明名称基于单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法(57)摘要本发明公开了一种基于单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法。所述反演方法包括：利用单固定水听器采集由移动合作声源产生的水声信号；利用声传播的互易性，利用声源移动带来的空间增益，构建虚拟合成阵列接收信号；利用KRAKEN前向模型，在多普勒情况下，计算拷贝声场；对接收信号进行傅立叶变换，在指定频率上，使用频率相干的BARTLETT相关器作为目标函数，计算拷贝声场和测量声场的匹配程度；利用差分进化算法，获取使得匹配程度达到最大值的最优地声参数估计。本发明提供的单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法，能够准确估计海洋地声参数，并提供了资源需求最小化和设备部署便捷化的解决方案。CN111458008ACN111458008A权利要求书1/2页1.一种基于单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用单固定水听器采集由移动合作声源产生的水声信号；步骤2：利用声传播的互易性，利用声源移动带来的空间增益，构建虚拟合成阵列接收信号；步骤3：利用KRAKEN前向模型，结合移动声源的多普勒效应，计算多普勒效应下的拷贝声场；步骤4：匹配场反演：对接收信号进行傅立叶变换，在指定若干频率上，使用频率相干的BARTLETT相关器作为目标函数，计算拷贝声场和测量声场的匹配程度，进而利用差分进化算法，获取使得匹配程度达到最大的最优地声参数估计。2.根据权利要求1所述的一种基于单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法，其特征在于，所述步骤1具体实现方法为：在待探测水域内，使用船只或水下自助航行器搭载中频声源按规划航迹航行，并以相同时间轴记录航迹信息与发射波形；该发射波形作为反演所用的移动合作声源；单固定水听器用以采集由合作声源产生的水声信号，采集时间覆盖移动声源的整个航行时间。3.根据权利要求2所述的一种基于单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法，其特征在于，所述步骤1中，所述单固定水听器悬挂固定于浮标、船只或水下自助航行器上，或锚定于海底实现固定。4.根据权利要求2所述的一种基于单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法，其特征在于，所述步骤2具体实现方法为：利用所述的航迹信息，选取M个同一直线上不同时刻的声源位置，获取该M个时刻后一定时间内由固定水听器采集的大小为M×N的信号矩阵y，作为接收声场向量，其中N为数据长度；根据声传播的互易性，交换接收端和发射端的位置，声线沿原传播的路径，反向传播；航迹上任意时刻，声源所处位置发射信号，由水听器接收，均视为水听器所处位置发出的声信号由声源所处位置的传感器接收；由此在所述M个时刻位于不同位置的移动声源，构成M个时刻移动声源对应位置上的M个传感器接收到来自于固定水听器位置的虚拟声源所发射的信号；M个位置的接收信号，共同组成虚拟合成阵列接收信号，即一个M元线阵的测量水声信号y。5.根据权利要求4所述的一种基于单固定水听器和单移动声源的海洋地声参数反演方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下子步骤：步骤3-1：首先在静止情况下，利用KRAKEN前向模型，计算接收频率、发射频率下的模深度函数以及波数、群速度，得到：{Ψn(zr；ωr),Ψn(zs；ωs),krn,urn}其中Ψn(zr；ωr)为接收频率下的模深度函数，Ψn(zs；ωs)为发射频率下的模深度函数，krn为波数，urn为群速度；zr为接收节点与水面的距离，zs为发送节点与水面的距离，n代表模的阶数；步骤3-2：利用步骤3-1中得到的krn和urn，结合运动声源的径向速度vs计算多普勒情况下的修正波数kn：2CN111458008A权利要求书2/2页步骤3-3：基于修正波数kn计算接收频率ωr的对应多普勒偏移发射频率ωs：其中，为修正波数kn下计算得到的多普勒偏移发射频率，vr为接收节点的速度；步骤3-4：通过发射信号的频谱在指定频率ωs处的幅度和相位信息结合运动声源的位置信息r＝r0+vst，计算声压场ψ(r,z,ωr)，其中r0为该