一种基于冰基垂直阵的冰层声反射系数测量方法及系统

本技术涉及水声工程、海洋工程、声呐，特别涉及一种基于冰基垂直阵的冰层声反射系数测量方法及系统。

背景技术：

1、冰层散射和反射是影响极地冰区声场特性的最敏感的要素之一。在典型的正梯度声速结构下，声波传播时不断向上折射、反射，导致与海冰频繁交互。

2、为了表征冰层对声传播损失的影响，国内外学者主要考虑海冰的前向反射系数。diachok将海冰冰脊等效为随机分布的半无限长椭圆体，使用twersky散射理论计算了冰面反射系数。kuperman等将海冰界面等效为空气-海冰-海水三层弹性介质，使用横纵波速度及衰减等参数表征介质物理性质，使用粗糙度表征海冰界面起伏，基于微扰法计算了粗糙冰面的反射系数。然而，理论模型方法难以真实的反映实际的海冰环境，导致反射系数计算结果误差较大。langleben设计了一种冰层反射系数测量装置，声源和接收水听器位于半圆形刚性结构，通过控制恒定的反射路径长度，来计算不同掠射角下冰面反射系数。但是，该测量装置结构较为复杂，冰上实际操作较为困难。

技术实现思路

1、本技术的目的在于，克服现有的极地冰区冰层反射系数获取困难，不易实施，理论模型计算结果偏差较大的缺陷，以解决冰层反射系数快速获取的问题，从而提供一种基于冰基垂直阵的冰层声反射系数测量方法及系统。

2、为解决上述技术问题，本技术的技术方案所提供的基于冰基垂直阵的冰层声反射系数测量方法，包括：

3、步骤1：在冰场布放声源发射换能器和垂直阵水听器，基于布放条件和冰场的直线传播条件，计算各水听器的冰面掠射角、直达路径的传播距离和一次冰面反射路径的传播距离，并计算直达路径与一次冰面反射路径之间的时延差；其中，声源发射换能器的声源发射信号的持续时间小于所述时延差；

4、步骤2：对于每个水听器，基于声源发射信号的波形，提取直达路径的起始时刻与一次冰面反射路径的起始时刻，并结合声源发射信号的持续时间，提取直达波时域波形和一次冰面反射波时域波形；利用直达路径的传播距离和一次冰面反射路径的传播距离，对直达波时域波形和一次冰面反射波时域波形进行几何扩展损失补偿后，进行傅里叶变换，得到各深度的直达波频域声压数据和一次冰面反射波频域声压数据；

5、步骤3：基于直达波频域声压数据中的最大值和一次冰面反射波频域声压数据中的最大值，获得垂直阵水听器对应的不同中心频率和冰面掠射角下的冰面反射系数。

6、作为上述技术方案的一种改进，所述步骤1中，基于布放条件和冰场的直线传播条件，计算各水听器的冰面掠射角、直达路径的传播距离和一次冰面反射路径的传播距离，并计算直达路径与一次冰面反射路径之间的时延差，具体包括：

7、第个水听器的冰面掠射角为：

8、；

9、其中，为水听器序数，，为水听器总数，为声源深度，为第个水听器的深度，为声源至第水听器个水听器的距离；

10、第个水听器的直达路径的传播距离为：

11、；

12、第个水听器的一次冰面反射路径的传播距离为：

13、；

14、第个水听器的直达路径与一次冰面反射路径之间的时延差为：

15、；

16、其中，代表水听器所在深度对应的声速。

17、作为上述技术方案的一种改进，所述步骤1中，所述声源发射换能器的声源发射信号的持续时间满足：

18、；

19、从而使水听器接收信号中的直达波和一次冰面反射波在时域上分开。

20、作为上述技术方案的一种改进，所述步骤2中，基于声源发射信号的波形，提取直达路径的起始时刻与一次冰面反射路径的起始时刻，具体包括：

21、基于声源发射信号的波形，对垂直阵第个水听器的接收时域信号进行匹配滤波，获得匹配滤波结果；

22、对匹配滤波结果进行希尔伯特变换，得到实测信号信道多途结构：

23、；

24、其中，表示取绝对值，表示希尔伯特变换；

25、提取直达路径的起始时刻：

26、；

27、提取一次冰面反射路径的起始时刻：

28、；

29、其中，为时刻。

30、作为上述技术方案的一种改进，所述步骤2中，结合声源发射信号的持续时间，提取直达波时域波形和一次冰面反射波时域波形，具体包括：

31、提取直达波时域波形：

32、；

33、其中，为声源发射信号的持续时间；

34、提取一次冰面反射波时域波形：

35、。

36、作为上述技术方案的一种改进，所述步骤2中，几何扩展损失补偿具体包括：

37、基于球面波扩展，利用直达路径的传播距离对直达波时域波形进行补偿，获得补偿后的直达波时域波形：

38、；

39、基于球面波扩展，利用一次冰面反射路径的传播距离，对一次冰面反射波时域波形进行补偿，获得补偿后的一次冰面反射波时域波形：

40、。

41、作为上述技术方案的一种改进，所述步骤3具体包括：

42、基于直达波频域声压数据中的最大值和一次冰面反射波频域声压数据中的最大值，求解垂直阵水听器对应不同中心频率和冰面掠射角下的冰面反射系数：

43、

44、其中，表示频率且水听器深度处的直达波频域声压数据；表示频率且水听器深度处的一次冰面反射波频域声压数据，为频率，为以中心频率为中心的带宽。

45、为实现本发明的另一目的，本发明还提供一种基于冰基垂直阵的冰层声反射系数测量系统，用于实现上述的基于冰基垂直阵的冰层声反射系数测量方法，包括：

46、布放至冰场的声源发射换能器；

47、布放至冰场的垂直阵水听器；

48、持续时间设定模块，用于基于布放条件和冰场的直线传播条件，计算各水听器的冰面掠射角、直达路径的传播距离和一次冰面反射路径的传播距离，并计算直达路径与一次冰面反射路径之间的时延差；用于设定声源发射换能器的声源发射信号的持续时间小于所述时延差；

49、频域声压获取模块，对于每个水听器，用于基于声源发射信号的波形，提取直达路径的起始时刻与一次冰面反射路径的起始时刻，并结合声源发射信号的持续时间，提取直达波时域波形和一次冰面反射波时域波形；利用直达路径的传播距离和一次冰面反射路径的传播距离，对直达波时域波形和一次冰面反射波时域波形进行几何扩展损失补偿后，进行傅里叶变换，得到各深度的直达波频域声压数据和一次冰面反射波频域声压数据；

50、冰面反射系数获取模块，用于基于直达波频域声压数据中的最大值和一次冰面反射波频域声压数据中的最大值，获得垂直阵水听器对应的不同中心频率和冰面掠射角下的冰面反射系数。

51、为实现本发明的另一目的，本发明还提供一种计算机设备，包括：存储器和处理器；所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行上述的基于冰基垂直阵的冰层声反射系数测量方法。

52、为实现本发明的另一目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行上述的基于冰基垂直阵的冰层声反射系数测量方法。

53、与现有技术相比，本技术的优势在于：

54、本发明基于冰基垂直阵，无需额外设计，布放实施简便，可与传统的声传播试验发射和接收设备实现完整复用。通过匹配滤波操作，实现直达波和一次冰面反射波起点提取，进而快速分离出直达波和一次冰面反射波时域波形。通过多通道垂直阵接收以及频域处理方式，可快速得到不同频率，不同掠射角下的冰面反射系数。该方法计算量较小，反射系数结果符合实际的海冰环境，准确率高。