一种高斯随机起伏海底界面混响信号仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于混响信号仿真领域，具体涉及一种仿真高斯随机起伏海底界面混响信 号仿真方法。
【背景技术】
[0002] 海底混响是影响主动声纳工作性能的重要干扰因素之一，海底混响的仿真预报对 声纳的使用和设计有重要意义。对海底混响信号仿真的研宄主要包括混响强度仿真和混响 时间序列仿真。当声纳系统所采用的信号处理方法主要依赖能量时，常用混响强度对其进 行估计和评价。随着声纳系统的发展，如多波束和复杂的相干信号处理技术的应用，就需要 对混响时间序列进行仿真。
[0003]目前混响时间序列仿真的方法主要有两种，一种根据混响信号的概率分布，仿真 所需分布的混响信号；另一种是以点散射模型为基础的仿真方法，即通过计算散射体或通 过网格划分海底为小散射元的散射信号在接收点的叠加得到混响信号，例如郭熙业等人将 点散射模型与单元散射模型混合使用仿真混响信号（郭熙业，苏绍璟，王跃科等，收发合置 情况下海底混响仿真，国防科技大学学报，2010,第32卷第2期）。海底混响主要是由于 海底界面的随机起伏引起的，但以上海底混响信号仿真方法都没有考虑界面的随机起伏因 素。本发明针对高斯随机起伏海底界面，发明一种可以得到不同起伏参数海底界面混响信 号的仿真方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种可以通过建立不同起伏参数的随机起伏海底界面，得 到对应起伏海底的混响信号的仿真高斯随机起伏海底界面混响信号方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] (1)导入声源的位置、指向性、发射信号波形参数以及起伏界面相关长度、均方根 高度参数；
[0007] (2)利用蒙特卡洛方法建立三维高斯随机起伏界面模型：
[0008] 三维高斯随机起伏界面上每一点处的高度由下式得到
【主权项】
1. 一种高斯随机起伏海底界面混响信号仿真方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 导入声源的位置、指向性、发射信号波形参数以及起伏界面相关长度、均方根高度 等参数； (2) 利用蒙特卡洛方法建立三维高斯随机起伏界面模型： 三维高斯随机起伏界面上每一点处的高度由下式得到
其中z(xm，yn)为（xm，yn)处的高度，x m=mAx，yn=nAy，m、n为x、y方向的点的序号，m =-M/2+1,…，M/2，n = -N/2+1,…，N/2，M、N为x、y方向等间隔离散点数，Δχ、Ay分别表示 x、y方向两点之间的间隔，Lx、Ly分别表示随机起伏界面在x、y方向的长度
i表示虚数单位，)由下式得到
其 中N(0, 1)表示均值为0,方差为1的正态分布的随机数为三维高斯随机起伏界 面的功率谱密度：
其中S为高度起伏的均方根高度，IjP Iy为起伏界面X方向和y方向的相关长度，得 到三维空间中的M X N个点，每一点的坐标为（xm, yn, z (xm, yn)); (3) 利用Delaunay三角剖分方法对xoy平面上的MXN个点进行三角面元划分，每一点 的坐标为（Xm， yJ，得到xoy平面上每一个面元的三个顶点信息； (4) 将xoy平面上的三角面元映射到三维空间中的z(xm，yn)随机起伏界面上，得到随 机起伏界面的三角面元划分的每个面元的顶点信息； (5) 根据声源的位置以及指向性信息，计算声波照射海底的区域，判断面元是否在照射 区域内，这里面元中心点在照射区域内则认为整个面元都被声波照射，得到声波照射区域 所包含的共M/h面元； (6) 对于步骤（5)中得到的Mm个面元中的第s个面元，1彡s彡Mm，连接声源与第s个 面元中心点，计算连线与M m个面元中的第w个面元所在平面的交点P，1彡w彡MnJLw辛s， 求得 ^i= [(r rrP) (rI+1-rp)] · vw 其中h (I = 1，2, 3, r4= r D为第w个面元的第I个顶点位置矢量，rp为交点P的位置 矢量，Vw为第w个面元的法向矢量，β i为求得的判断参数，如果所有的β i>0,则第s个 面元被第W个面元遮挡，反之未被第W个面元遮挡； (7) 重复步骤（6)，遍历所有w e [1，Mm]且w辛s个面元，如果第s个面元均为被遮挡， 则保留第s个面元，反之删除； (8) 重复以上步骤（6)和（7)，遍历所有s e [l，Mm]个面元，所有保留下来的共Mm'个 面元即为入射声波照亮的面元； (9) 采用Gordon面元积分法得到Mm'个面元中每个面元在接收点的散射声场：
其中，
，（Φ上，是第m'个面元的声 散射势函数，为声源坐标矢径，r 接收点的坐标矢径，k为波数，w q(l为声源坐标矢量的 z方向分量，Wmtl为接收点坐标矢量的z方向分量，b n为第η个顶点的位置矢量，1 < η < 3， 且比=b i，Abn= bn+1_bn，r = r9()+rm。+ ，符号中上横线表示矢量，丨和y分别表示X 和y方向
V为声源的单位坐标矢量，^为观察点的单位坐标矢量，^和t y 分别是^和^在X方向和y方向分量之和； (10) 计算所有Mm'个面元的声散射势函数，得到仿真的混响信号：
其中，Sk为仿真的混响信号，Mm'表示总的需要求和的面元个数，（Φ3) π，表示第m'个面 元的声散射势函数，X(t)为发射信号，τπ，为第m'个面元对应的传播时延。
【专利摘要】本发明属于混响信号仿真领域，具体涉及一种仿真高斯随机起伏海底界面混响信号仿真方法。本发明包括：导入声源的位置、指向性、发射信号波形参数以及起伏界面相关长度、均方根高度参数；利用蒙特卡洛方法建立三维高斯随机起伏界面模型。本发明由具体的随机起伏界面得到对应的仿真混响信号，考虑了界面的随机起伏因素，更符合混响产生的物理过程，物理意义更加明确；可以通过改变随机起伏界面的相关长度、均方根高度等参数，得到不同起伏界面的仿真混响信号；对于同一个随机起伏界面，可以通过改变发射信号调制方式，得到同一起伏界面、不同发射信号时的仿真混响信号。
【IPC分类】G01S7-537
【公开号】CN104765028
【申请号】CN201510140919
【发明人】陈文剑, 孙辉
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月27日