一种基于单矢量水听器的深海声场多途到达结构的分离方法

1.本发明涉及水声探测和声纳技术领域，涉及一种基于单矢量水听器的深海声场多途到达结构的分离方法。


背景技术：

2.海洋浅表的声速特性和海表面起伏对声传播有着重要影响。一方面，冬季海洋的表面强风和海-气作用，会在海表面形成表面声道，大于该声道截止频率的声线能量大部分会被束缚在声道中，与海底接触较少，从而使得该传播模式的传播损失减少。另一方面，冬季在风浪的作用下，海表面的风浪和涌浪会显著影响声线在海面的反射和散射，从而影响声场的传播损失，文献1(刘今,彭朝晖,张灵珊,刘若芸,李整林.浅海涌浪对表面声道声传播的影响[j].物理学报,2021,70(05):195-204.)指出考虑涌浪的情形下，70km处的传播损失会多增加10db。海洋环境中记录到的波场是声场中不同路径声线叠加的综合结果，而深海中海表面的信息是由海面反射波携带的，若可以单独分离海面反射路径，可有利于单独研究海表面声速变化或海面起伏对声场相位、传播损失等声传播规律的影响。另外，对于通信信号，其有效信号由直达波携带，多途路径会对直达波中携带的信号造成干扰，分离多途路径有利于直达波提取。
[0003]
水声学中通常基于垂直阵采用波束形成的办法，对不同到达角的声线进行分离。波束形成是常规的俯仰角或方位角估计方法，是利用互谱密度矩阵(csdm)进行目标俯仰角或方位角估计的一类方法，常用的方法有常规波束形成方法(conventional beamforming，cbf)和自适应波束形成方法。
[0004]
但是，波束形成方法用来分离不同到达角声线时，对接收阵的垂直孔径有较高要求，且方法计算量较大。地球物理学中通常通过计算海底反射系数，分离海底深层反射信息和水中多次反射。目前尚未看到基于单个矢量检波器进行水中多途到达结构分离的案例。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于，为弥补现有方案基于单个矢量检波器进行水中多途分离的空白,克服基于阵列的波场分离方法计算量大和海上施工布放难度大的问题，从而提出一种利用单矢量水听器的深海声场的上行波场和下行波场分离方法。本发明基于垂直振速检波器对上行波场和下行波场不同的极性响应特性，基于单个矢量水听器，对深海声场中不同路径声线进行分离，以解决深海中最主要的两条水中声线的多途分离问题。
[0006]
为解决上述技术问题，本发明的技术方案所提供的基于单矢量水听器的深海声场多途到达结构的分离方法，将矢量水听器潜标系统布放于海面附近，接收水下声源辐射信号的声压分量和质点振速分量，利用振速检波器对到达角相反的波场极性响应相反的特性，通过不同分量相加或者相减的方式，实现不同路径声线的分离；声场的上行波场和下行波场的分离步骤如下：
[0007]
步骤1)：通过布放于深海近海面附近的单个矢量水听器，采集深度大于布放位置
的水下声源辐射的宽带信号，并记录时间域的标量声压信号p(t)、质点振速信号在垂直的z方向上的分量vz(t)、质点振速信号在水平的x方向上的分量v
x
(t)和质点振速信号在水平的y方向上的分量vy(t)，其中，x、y和z方向互相垂直；
[0008]
步骤2)：利用快速傅里叶变换得到所述声压信号p(t)以及质点振速信号在x、y和z方向上的分量v
x
(t)、vy(t)和vz(t)的对应的频谱p(f)、v
x
(f)、vy(f)和vz(f)，并计算x、y和z方向上的声能流i
x
、iy和iz；
[0009]
步骤3)：利用所述x和y方向上的声能流i
x
和iy，获得水下声源方位角利用所述时间域的质点振速信号在水平的x方向上的分量v
x
(t)、所述质点振速信号在水平的y方向上的分量vy(t)和水下声源方位角台成时间域的径向振速分量vr；
[0010]
步骤4)：利用射线方法bellhop进行仿真，分别得到直达波和海面反射波在水平分量上和垂直分量上的振幅；
[0011]
步骤5)：计算直达波的垂直分量与水平分量的第一振幅比α1和海面反射波的垂直分量与水平分量第二振幅比α2：
[0012][0013]
其中，amp
z1
表示所述直达波在垂直分量上的振幅，amp
x1
表示所述直达波在水平分量上的振幅，amp
z2
表示所述海面反射波在垂直分量上的振幅，amp
x2
表示所述海面反射波在水平分量上的振幅；
[0014]
步骤6)：分别获取所述深海声场的下行波场和上行波场，以实现分离深海声场的上、下行波场的目的；其中，通过经所述第一振幅比α1校正后的时间域的径向振速分量vr与时间域垂直振速分量vz(t)相减，获得声场的下行波场v
down
：
[0015]vdown
＝α1*v
r-vz(t)
[0016]
通过经所述第二振幅比α2校正后的时间域径向振速分量vr与垂直振速分量vz(t)相加，获得声场的上行波场v
up
：
[0017]vup
＝α2*vr+vz(t)；
[0018]
其中，vr为时间域的径向振速分量。
[0019]
作为上述方法的一种改进，所述步骤2)中的计算x、y和z方向上声能流i
x
、iy和iz的具体步骤为：
[0020]
x方向上的声能流：
[0021]
y方向上的声能流：
[0022]
z方向上的声能流：
[0023]
其中，上标*表示复共轭算符，符号表示取数据实部，p(fi)为频点fi处的声压信号频谱，v
x
(fi)为x方向上的质点振速信号在频点fi处的频谱，vy(fi)为x方向上的质点振速信号在频点fi处的频谱，i＝1，2，3，...l，f1和f
l
分别为参与运算的最小和最大频率。
[0024]
作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：
[0025]
利用x和y方向上的声能流i
x
和iy，计算水下声源方位角
[0026][0027]
利用所述时间域的质点振速信号在水平的x方向上的分量v
x
(t)、所述质点振速信号在水平的y方向上的分量vy(t)和水下声源方位角合成时间域的径向振速分量vr：
[0028][0029]
作为上述方法的一种改进，所述深海的海深h范围为1000-6000m。
[0030]
作为上述方法的一种改进，所述矢量水听器布放深度范围为0-300m。
[0031]
作为上述方法的一种改进，所述水下声源和矢量水听器之间的水平距离范围为直达波的到达范围。
[0032]
作为上述方法的一种改进，所述水下声源的深度为300-600m。
[0033]
本发明的有益效果是：通过布放于海面附近的单个矢量水听器潜标记录的径向振速分量和垂直振速分量的简单运算，就可得到上行波场或下行波场，实现了波场分离的目的，本发明提供的方法计算量小，对硬件要求低，可以得到纯粹的单条路径的时间域波场。
附图说明
[0034]
图1深海水下声源辐射的直达波、海面反射波传播路径示意图；
[0035]
图2仿真采用的声速剖面；
[0036]
图3(a)为矢量水听器收到的时间域声压信号p(t)波形图；
[0037]
图3(b)为矢量水听器收到的时间域质点振速信号在垂直的z方向上的分量vz(t)的波形图；
[0038]
图3(c)为矢量水听器收到的时间域质点振速信号在水平的x方向上的分量v
x
(t)的波形图；
[0039]
图3(d)为矢量水听器收到的时间域质点振速信号在水平的y方向上的分量vy(t)的波形图；
[0040]
图4bellhop仿真得到的直达波和海面反射路径的到达角；
[0041]
图5(a)收发距为2.2693km时水平振速和垂直振速分量相加后得到的上行波场；
[0042]
图5(b)收发距为3.5161km时水平振速和垂直振速分量相加后得到的上行波场；
[0043]
图6(a)收发距为2.2693km时水平振速和垂直振速分量相减后得到的下行波场；
[0044]
图6(b)收发距为3.5161km时水平振速和垂直振速分量相减后得到的下行波场；
[0045]
图7为波场合并后得到的直达波与仿真得到的直达波水平分量相关系数。
具体实施方式
[0046]
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
[0047]
本发明提出的基于单矢量水听器的深海声场多途到达结构的分离方法，方法中的声源为经过矢量水听器潜标布放区域的水下声源。本发明首先由布放在深海海面附近的矢量水听器潜标系统接收水下声源辐射的宽带声压和三分量质点振速信号，利用bellhop仿真得到直达波和海面反射波在垂直分量和水平分量上的振幅，对水平和垂直分量进行校正，对校正后的水平和垂直分量进行相加操作，得到上行波信号；对二者进行相减操作得到下行波信号。本发明从深海声场传播角度，利用垂直振速检波器对上行波场和下行波场极
性响应相反的特性，通过波场相加或者相减的操作，实现上行波场和下行波场的分离。该方法提出利用单个矢量检波器进行波场分离的方法，是对传统的基于垂直阵进行波场分离的有益补充，解决了垂直阵方案计算量大和海上施工布放难度的问题。
[0048]
本发明提供的方法为对水下声源发射，水下矢量检波器接收的实验配置，已知声源深度和距离，并且声源深度大于检波器深度的前提下，对接收到的波场进行多途分离。因深海中多次反射能量衰减大，深海直达波区收到的波场主要由直达波和海面反射组成，本发明只考虑这条两条主要路径。深海环境下，单矢量水听器潜标布放在海面附近，接收水下声源辐射的宽带信号。通过声能流估计声源方位角，通过声源深度和距离估计水平分量和垂直分量的振幅比、对振速分量能量校正并做合并等处理，实现深海不同路径声线分离，本实施例中，提供了利用本发明提供的深海声场分离方法进行仿真分离的实例，其过程分为以下步骤：
[0049]
步骤1：图1给出了本实施例中仿真环境示意图，海水深度为1600m，海深水平不变，声速见图2；仿真中，矢量水听器潜标系统布放深度为300m，距海底1300m；水下声源为脉冲声源，深度为600m，声源子波为雷克子波，声源辐射信号频率为1-50hz，主频20hz；水下声源和矢量水听器之间的水平距离范围为直达波的到达范围，该距离与海深、声速剖面、声源深度和接收点深度有关，本实施例中，海深为1600米，声源位于600米深度，接收点位于300米深度，直达波到达范围为0-6.7km。
[0050]
仿真中，水下声源水平距离由0km增加到10km，距离间隔为0.05km，水面声源方位角设置为60
°
，时间域波场仿真采用的软件为specfem2d；
[0051]
只考虑对声场起主要作用的直达波(声线1)、海面反射波(声线2)两条路径，不考虑其他经过海面和海底多次反射的路径。本实施例的目的是利用单个矢量水听器采用波场合并的办法来分离这两条声线。
[0052]
步骤2：图3(a)-图3(d)给出了仿真的矢量水听器记录到的时间域声压信号p(t)以及三分量质点振速信号v
x
(t)、vy(t)和vz(t)；利用快速傅里叶变换，得到声压和水平振速分量的频谱，再利用下式计算x方向的声能流i
x
和y方向的声能流iy：
[0053][0054][0055]
其中，上标*表示复共轭算符，符号表示取数据实部；p(fi)、v
x
(fi)、vy(fi)分别为频点fi处的声压信号频谱、x方向质点振速信号频谱和y方向质点振速信号频谱，其中i＝1,2,3...l，l为频点的总数，f1和f
l
为选用频率范围的上下界，本实施例中，f1和f
l
之间的频率范围选为1-50hz。
[0056]
步骤3：由x和y方向的声能流，利用下式计算水下声源的方位角：
[0057][0058]
计算得到声源的方位角为60度；
[0059]
利用下式合成径向方向的振速分量：
[0060][0061]
步骤4：通过已知的声源深度ds、检波点深度dr、收发距r、海深h和海水深度剖面，
利用bellhop进行仿真；其中，利用已知的声源深度和声源距离，计算水下声源的直达波(声线1)在垂直分量和径向分量上，能量随收发距的变化曲线，见图4，得到直达波在水平分量和垂直分量上的振幅；利用已知的声源深度和声源距离，计算水下声源的海面反射波(声线2)在垂直分量和径向分量上能量随收发距的变化曲线，见图4，得到海面反射波在水平分量和垂直分量上的振幅；
[0062]
步骤5：通过以下公式计算直达波声线在垂直分量和水平分量的第一振幅比α1：
[0063]
α1＝amp
z1
/amp
x1
；
[0064]
通过以下公式计算海面反射波在垂直分量和水平分量的第二振幅比α2：
[0065]
α2＝amp
z2
/amp
x2
；
[0066]
步骤6：通过声源的深度和距离计算得到的垂直分量和径向分量的第一振幅比和第二振幅比，分别针对直达波和海面反射波，对时间域的径向分量信号进行校正，并与垂直分量进行波场合并；其中
[0067]
径向分量与垂直分量进行相加运算，得到的即为上行波场：
[0068]vup
＝α2*vr+vz(t)；
[0069]
其中vr为时间域的径向振速分量，vz为时间域的垂直速度分量，以收发距2.2693km和3.5161km的波场合并过程为例，分别见图5(a)和图5(b)。可以看到，图5(a)中，波场合并以后，到达时间1.6s附近的直达波得到了加强，而1.65s附近的海面反射被有效抑制，相当于波场合并以后只留下了上行波场，而去掉了下行波场。图5(b)中，直达波和海面反射波在时间上混叠在了一起，其到达时间在2.4s附近，波场合并以后，2.4s附近的直达波得到了增强，而紧随其后的海面反射波得到了压制。这里需要说明的是，由于声速剖面的存在，直达波的到达角在收发距从小变大的过程中会发生反转，本实施例中直达波的到达角在3.96km处由负变正，相应的3.96km之外，实施波场合并后，海面反射依然被有效抑制，直达波不像3.96km之内的那样得到加强，而是同样被削弱，但是本实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本发明提供的方法对于3.96km以外的收发距，波场分离依然有效。
[0070]
将径向分量与垂直分量进行相减运算，得到的即为下行波场：
[0071]vdown
＝α1*v
r-vz(t)；
[0072]
同样以收发距2.2693km和3.5161km的波场合并过程为例，分别见图6(a)和图6(b)。可以看到，图6(a)中，波场合并以后，到达时间为1.6s附近的直达波得到了压制，而1.65s附近的海面反射得到了加强，相当于波场合并以后只留下了下行波场，而去掉了上行波场。图6(b)中，直达波和海面反射波在时间上混叠在了一起，其到达时间在2.4s之间，波场合并以后，2.4s附近的直达波得到了有效压制，而紧随其后的海面反射波得到了增强。这里需要说明的是，由于声速剖面的存在，直达波的到达角在收发距从小变大的过程中会发生反转，本实施例中直达波的到达角在3.96km处由负变正，相应的3.96km之外，实施波场合并后，直达波被有效抑制，而海面反射波不像3.96km之内的那样得到加强，而是同样被削弱，但是本实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本发明提供的方法对于3.96km以外的收发距，波场分离依然有效。
[0073]
为考察波场合并分离上行波场和下行波场的效果，计算波场分离后得到的直达波与理论计算得到的单纯的直达波的相关系数，不同距离处的相关系数见图7。可以看到波场分离后得到的上行波与理论计算得到的相关系数在6.5km范围内大于0.8。该海深和声速剖
面下，直达波在6.5km距离以外几乎没有了。仿真数据处理结果表明，本实施例中上行波场和下行波场分离的方法是有效的，在检波器深度小于声源深度的情形下，可以有效分离水下声源辐射的直达波和海面反射这两条路径。
[0074]
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明通过布放于海面附近的单个矢量水听器潜标记录的径向振速分量和垂直振速分量的简单运算，就可得到上行波场或下行波场，实现了波场分离的目的，本发明提供的方法计算量小，对硬件要求低，可以得到纯粹的单条路径的时间域波场。
[0075]
最后所应说明的是，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。