專利名稱：任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水聲工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法。
背景技術(shù)：
海洋混響是海洋中的發(fā)射陣發(fā)射的聲波在傳播過程中，在起伏海面、不平整海底及海水介質(zhì)內(nèi)部隨機不均勻體上反向散射到接收陣中的接收點所產(chǎn)生的信號。它是主動聲納的主要背景干擾并限制了對聲納設(shè)備的作用距離。因此，越來越多的人開始了對混響抑制算法的研究。在嵌有混響抑制算法的主動聲納裝備的研制過程中，由于水聲設(shè)備的研制周期長、投資大、海上試驗復雜且成本昂貴，因而，裝備的研制過程受到試驗設(shè)備、環(huán)境條件和經(jīng)費的制約而不能進行大量的海上試驗。如果在設(shè)備研制開始前能夠利用仿真系統(tǒng)預(yù)先評估出不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)對抑制性能的影響，那么可事半功倍、縮短研制周期和節(jié)省研制經(jīng)費。因此，混響仿真是水聲設(shè)備調(diào)試、測試和作戰(zhàn)模擬訓練的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，常用的混響仿真是采用一種將散射元的反向散射時間信號直接疊加的方法。該方法是采用單元散射理論，假設(shè)海底底質(zhì)是均勻緩變且等聲速梯度的條件下，將接收換能器在某時刻接收到的所有有貢獻的反向散射波進行疊加。然而，一方面，由于上述方法是在等聲速梯度條件下獲得混響，而實際海洋環(huán)境在多數(shù)情況下是變聲速梯度，因而，上述方法不能準確反映海洋的實際情況，從而影響了仿真的準確度和精度。另一方面，聲納平臺在實際應(yīng)用時具有一定的運動速度，而聲納平臺的運動會帶來多普勒頻移且多普勒頻移使得混響特性對方位有非常密切的依賴關(guān)系，由于上述混響仿真方法并未考慮聲納平臺運動所帶來的具有方位耦合的多普勒頻移，因而，上述方法不能準確反映混響對方位的依賴關(guān)系，從而使得該方法的應(yīng)用受到限制。因此，有必要提供一種任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法來克服上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法，不僅能在任意聲速梯度下工作，而且能精確模擬海洋混響。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法包括如下步驟(1)計算海水的變聲速梯度；(2)在空間上均勻布置混響散射元；(3)根據(jù)海水的變聲速梯度計算混響散射元的本征聲線，并根據(jù)混響散射元的本征聲線選取混響散射元；(4)分別計算選取的混響散射元中海面散射元產(chǎn)生的海面混響時間序列、體積散射元產(chǎn)生的體積混響時間序列和海底散射元產(chǎn)生的海底混響時間序列，并將海面混響時間序列、體積混響時間序列和海底混響時間序列進行疊加得到海洋混響時間序列。較佳地，所述步驟(1)具體為沿海水的深度方向?qū)ＫM行分層，設(shè)定每層的頂部聲速和底部聲速，根據(jù)每層的頂部聲速和底部聲速進行線性擬合得到該層的線性聲速梯度，將每層的線性聲速梯度組合得到海水的變聲速梯度。較佳地，所述步驟(2)具體為通過海水聲速和仿真時間確定混響散射元環(huán)帶，并在由混響散射元環(huán)帶和海水的深度確定的空間上均勻布置混響散射元。較佳地，所述步驟(3)和步驟(4)之間還包括根據(jù)
Td=IC0S(科-各)COS(氏)+ tC0S(%-&)C0S(民)計算接收陣處的多普勒頻移，上述公
式中的參數(shù)描述如下以接收陣相位中心在海底水平面上的投影為原點，以海底水平面為 xoy平面，依據(jù)右手法則建立直角坐標系，接收陣的高度為Hk，發(fā)射陣位于T點，距離海底的高度為Ht，設(shè)接收陣沿χ軸正向運動，δκ = 0，速度為νκ，設(shè)發(fā)射陣沿δ 向運動，速度為ντ，發(fā)射陣發(fā)射的脈沖沿斜徑Rst到達海底的某一點P，散射脈沖再沿著斜徑Rsk到達接收陣，Rst在xoy平面上的投影為RgT，Rgl與χ軸正向的夾角為件，Rsl與RgT的夾角為θ τ ；RsE 在xoy平面上的投影為RgK，RgK與χ軸正向的夾角為％，Rsk與RgK的夾角為θ κ，λ為聲波波長，當發(fā)射陣和接收陣是同一陣列時，ντ = νκ，件=外，θτ= ΘΕ, δτ= δΕΟ可理解地，本發(fā)明通過計算具有方位耦合的多普勒頻移，并將該多普勒頻移用于對發(fā)射信號進行頻率調(diào)制，從而使得經(jīng)過調(diào)制后的各散射元的后向散射回波信號包含了多普勒頻移的信息，因而， 通過本發(fā)明獲得的海洋混響更真實的反應(yīng)了海洋實際情況，具有高擬合度。較佳地，所述步驟(4)具體為(41)對發(fā)射信號進行幅度的衰減調(diào)制并根據(jù)多普勒頻移對發(fā)射信號進行頻率調(diào)制得到各散射元的后向散射回波信號，計算海面散射元、體積散射元和海底散射元的本征聲線的聲程，根據(jù)三種本征聲線的聲程和海水聲速計算海面散射元的時延、體積散射元的時延和海底散射元的時延，根據(jù)海面散射元的時延、體積散射元的時延和海底散射元的時延分別對海面散射元的后向散射回波信號、體積散射元的后向散射回波信號和海底散射元的后向散射回波信號進行延時后，分別在時間軸上疊加分別得到海面散射元的混響時間序列、體積散射元的混響時間序列和海底散射元的混響時間序列；(42)合并海面散射元的混響時間序列、體積散射元的混響時間序列和海底散射元的混響時間序列獲得海洋混響時間序列。較佳地，所述步驟(41)具體為(4111)分別對發(fā)射信號進行幅度的衰減調(diào)制并根據(jù)多普勒頻移對發(fā)射信號進行頻率調(diào)制得到各散射元的后向散射回波信號；(4112)依次計算海面散射元、體積散射元和海底散射元的本征聲線的聲程，并根據(jù)三種本征聲線的聲程和海水聲速依次計算海面散射元的時延、體積散射元的時延和海底散射元的時延； (4113)根據(jù)海面散射元的時延，對海面散射元的后向散射回波信號進行延時后，在時間軸上疊加得到海面散射元的混響時間序列；(4114)根據(jù)體積散射元的時延，對體積散射元的后向散射回波信號進行延時后，在時間軸上疊加得到體積散射元的混響時間序列；(4115) 根據(jù)海底散射元的時延，對海底散射元的后向散射回波信號進行延時后，在時間軸上疊加得到海底散射元的混響時間序列。較佳地，所述步驟(41)具體還可以為(4121)將散射元中的海面散射元、體積散射元和海底散射元分別配置給刀片服務(wù)器的三個節(jié)點，且刀片服務(wù)器的每個節(jié)點內(nèi)部采用 OpenMP技術(shù)進行數(shù)據(jù)并行處理；(4122)每個節(jié)點同時分別對發(fā)射信號進行幅度的衰減調(diào)制并根據(jù)多普勒頻移對發(fā)射信號進行頻率調(diào)制得到各散射元的后向散射回波信號；(4123) 每個節(jié)點同時分別計算配置給相應(yīng)節(jié)點的散射元的本征聲線的聲程，并根據(jù)本征聲線的聲程和海水聲速計算配置給相應(yīng)節(jié)點的散射元的延時；(4124)每個節(jié)點同時分別根據(jù)配置給相應(yīng)節(jié)點的散射元的延時，對配置給相應(yīng)節(jié)點的散射元的后向散射回波信號進行延時后，在時間軸上疊加得到配置給相應(yīng)節(jié)點的散射元的混響時間序列。優(yōu)選地，配置給多個相應(yīng)節(jié)點的散射元的混響時間序列通過MPI技術(shù)進行合并，從而獲得海洋混響時間序列?？衫斫獾?，作為本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)后可通過MPI技術(shù)將散射元中的海面散射元、體積散射元和海底散射元分別配置給刀片服務(wù)器的三個節(jié)點，且三個節(jié)點可同時分別計算一種類型的混響。另外，每個節(jié)點內(nèi)部采用OpenMP技術(shù)進行數(shù)據(jù)并行處理。因此，這種實施方式能夠在裝備測試或聲納系統(tǒng)仿真過程中進行實時處理，從而節(jié)省了仿真時間和提高了運行效率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于通過本發(fā)明的海洋混響的仿真方法獲得的海洋混響是在變聲速梯度的條件下得到，因而，仿真獲得的海洋混響不僅保持了各通道的空間相關(guān)性，而且真實反映了海洋的實際情況，從而提高了仿真的準確度和精度，高度擬合了真實的海洋混響。另外，當通過本發(fā)明的仿真方法獲得的海洋混響應(yīng)用于聲納裝備性能測試、模擬訓練和作戰(zhàn)效能研究中時，可準確的評估出聲納裝備的性能，從而可縮短研制周期和節(jié)省研制經(jīng)費。通過以下的描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明的實施例。


圖1為本發(fā)明任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法實施例一的主流程圖。圖2為雙基地系統(tǒng)幾何配置示意圖。圖3為本發(fā)明任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法實施例二的主流程圖。圖4為本發(fā)明實施例二中刀片服務(wù)器計算節(jié)點配置的拓撲結(jié)構(gòu)圖。圖5為采用本發(fā)明任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法仿真得到的海洋混響時間序列的波形圖。圖6為采用本發(fā)明任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法仿真得到的海洋混響時間序列包絡(luò)值的分布與理論的海洋混響時間序列包絡(luò)值的分布的對比圖。
具體實施例方式現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實施例，附圖中類似的元件標號代表類似的元件。如圖1所示，本發(fā)明實施例一的方法包括如下步驟步驟Si，沿海水的深度方向?qū)ＫM行分層，設(shè)定每層的頂部聲速和底部聲速，根據(jù)每層的頂部聲速和底部聲速進行線性擬合得到該層的線性聲速梯度，將每層的線性聲速梯度組合得到海水的變聲速梯度；步驟S2，在空間上均勻布置混響散射元；步驟S3，根據(jù)公式S1 = 2 · fZs (ξ / ^/η2(ζ)- ξ2 )dz
J Z b^12 = 2· \Z/ (ξ / Λ/η2(ζ)-ξ2) ζ
權(quán)利要求
1.一種任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法，包括如下步驟(1)計算海水的變聲速梯度；(2)在空間上均勻布置混響散射元；(3)根據(jù)海水的變聲速梯度計算混響散射元的本征聲線，并根據(jù)混響散射元的本征聲線選取混響散射元；(4)分別計算選取的混響散射元中海面散射元產(chǎn)生的海面混響時間序列、體積散射元產(chǎn)生的體積混響時間序列和海底散射元產(chǎn)生的海底混響時間序列，并將海面混響時間序列、體積混響時間序列和海底混響時間序列進行疊加得到海洋混響時間序列。
2.如權(quán)利要求1所述的任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法，其特征在于，所述計算海水的變聲速梯度的步驟具體為沿海水的深度方向?qū)ＫM行分層，設(shè)定每層的頂部聲速和底部聲速，根據(jù)每層的頂部聲速和底部聲速進行線性擬合得到該層的線性聲速梯度，將每層的線性聲速梯度組合得到海水的變聲速梯度。
3.如權(quán)利要求2所述的任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法，其特征在于，所述在空間上均勻布置混響散射元的步驟具體為通過海水聲速和仿真時間確定混響散射元環(huán)帶，并在由混響散射元環(huán)帶和海水的深度確定的空間上均勻布置混響散射元。
4.如權(quán)利要求2或3所述的任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法，其特征在于，所述步驟⑶和步驟⑷之間還包括根據(jù)
5.如權(quán)利要求4所述的任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法，其特征在于，所述步驟 ⑷具體為(41)對發(fā)射信號進行幅度的衰減調(diào)制并根據(jù)多普勒頻移對發(fā)射信號進行頻率調(diào)制得到各散射元的后向散射回波信號，計算海面散射元、體積散射元和海底散射元的本征聲線的聲程，根據(jù)三種本征聲線的聲程和海水聲速計算海面散射元的時延、體積散射元的時延和海底散射元的時延，根據(jù)海面散射元的時延、體積散射元的時延和海底散射元的時延分別對海面散射元的后向散射回波信號、體積散射元的后向散射回波信號和海底散射元的后向散射回波信號進行延時后，分別在時間軸上疊加分別得到海面散射元的混響時間序列、 體積散射元的混響時間序列和海底散射元的混響時間序列；(42)合并海面散射元的混響時間序列、體積散射元的混響時間序列和海底散射元的混響時間序列獲得海洋混響時間序列。
6.如權(quán)利要求5所述的任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法，其特征在于，所述步驟 (41)具體為(4111)分別對發(fā)射信號進行幅度的衰減調(diào)制并根據(jù)多普勒頻移對發(fā)射信號進行頻率調(diào)制得到各散射元的后向散射回波信號；(4112)依次計算海面散射元、體積散射元和海底散射元的本征聲線的聲程，并根據(jù)三種本征聲線的聲程和海水聲速依次計算海面散射元的時延、體積散射元的時延和海底散射元的時延；(4113)根據(jù)海面散射元的時延，對海面散射元的后向散射回波信號進行延時后，在時間軸上疊加得到海面散射元的混響時間序列；(4114)根據(jù)體積散射元的時延，對體積散射元的后向散射回波信號進行延時后，在時間軸上疊加得到體積散射元的混響時間序列；(4115)根據(jù)海底散射元的時延，對海底散射元的后向散射回波信號進行延時后，在時間軸上疊加得到海底散射元的混響時間序列。
7.如權(quán)利要求5所述的任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法，其特征在于，所述步驟 (41)具體為(4121)將散射元中的海面散射元、體積散射元和海底散射元分別配置給刀片服務(wù)器的三個節(jié)點，且刀片服務(wù)器的每個節(jié)點內(nèi)部采用OpenMP技術(shù)進行數(shù)據(jù)并行處理；(4122)每個節(jié)點同時分別對發(fā)射信號進行幅度的衰減調(diào)制并根據(jù)多普勒頻移對發(fā)射信號進行頻率調(diào)制得到各散射元的后向散射回波信號；(4123)每個節(jié)點同時分別計算配置給相應(yīng)節(jié)點的散射元的本征聲線的聲程，并根據(jù)本征聲線的聲程和海水聲速計算配置給相應(yīng)節(jié)點的散射元的延時；(4124)每個節(jié)點同時分別根據(jù)配置給相應(yīng)節(jié)點的散射元的延時，對配置給相應(yīng)節(jié)點的散射元的后向散射回波信號進行延時后，在時間軸上疊加得到配置給相應(yīng)節(jié)點的散射元的混響時間序列。
8.如權(quán)利要求7所述的任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法，其特征在于，配置給多個相應(yīng)節(jié)點的散射元的混響時間序列通過MPI技術(shù)進行合并，從而獲得海洋混響時間序列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種任意聲速梯度下海洋混響的仿真方法，包括如下步驟(1)計算海水的變聲速梯度；(2)在空間上均勻布置混響散射元；(3)根據(jù)海水的變聲速梯度計算混響散射元的本征聲線，并根據(jù)混響散射元的本征聲線選取混響散射元；(4)分別計算選取的混響散射元中海面散射元產(chǎn)生的海面混響時間序列、體積散射元產(chǎn)生的體積混響時間序列和海底散射元產(chǎn)生的海底混響時間序列，并將海面混響時間序列、體積混響時間序列和海底混響時間序列進行疊加得到海洋混響時間序列。本發(fā)明的仿真方法不僅能在任意聲速梯度下工作，而且能精確模擬海洋混響。
文檔編號G01S7/52GK102435988SQ201110262358
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者幸高翔, 張衛(wèi), 程廣利, 胡金華, 蔡志明, 袁駿 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學