水下运动声源动态声场模拟计算方法及系统与流程

1.本发明涉及水下声场模拟计算技术领域，特别涉及一种适用于对水下运动声源所产生的动态声场进行模拟计算方法及系统。


背景技术：

2.随着海洋开发的不断深入，各种潜水器及水下机器人等水下目标在水下的活动日益增多。在活动过程中，水下目标不断产生噪声信号向外辐射，可近似为一个或多个运动声源。如何在实际海洋环境中用声纳系统对这些声源进行有效探测与识别成为目前急需解决的难题。在进行探测与识别前，必须对这些运动声源所产生的声场行深入理解与分析。
3.运动声源产生的声场使用实验测量时，需要使用数量庞大的接收水听器和相应数据采集设备，设备的安装、调试、布放、回收工作费时费力，实验数据获得代价不菲。
4.为此，通常使用模拟计算和实验测试相结合的方法对声场特性进行研究。现有的运动声源声场模拟计算方法可以实现在声信道环境下运动声源激发声场的模拟。模拟的接收信号中同时具有相对运动产生的多普勒效应和声信道产生多途效应。这种模拟方法是先计算出从声源到接收器之间的声信道多途到达时延和俯仰角，将每个途径传播的辐射噪声信号分别施加对应的多普勒频移和时间延迟，再将所有途径的到达信号进行累加，获得最终的接收信号。
5.但该种方法存在如下缺点：(1)声源做非匀速运动时，信号产生的多普勒频移受速度变化的影响不会是一个常量，对其施加对应的多普勒频移较为困难。(2)多途到达俯仰角只有在理想波导条件下，且声源与接收水听器距离较远时才会近似为常数，在实际环境中，海底地形起伏和近场测试条件，都会引起多途到达俯仰角的大幅度抖动，引起上述方法的失效。因这两个缺点限制了现有运动声源声场模拟的应用范围，制约了后续探测与识别等研究工作。


技术实现要素：

6.本发明旨在解决声场模拟过程中面临的上述两个技术问题，为此提出了一种水下运动声源动态声场模拟计算方法。该方法能够在声源以任意速度运动、复杂海底地形起伏界面和近场测试条件下，对其产生的动态声场和接收信号进行模拟计算。
7.此外，本发明还提出一种水下运动声源动态声场模拟计算系统。
8.为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了水下运动声源动态声场模拟计算方法，包括以下步骤：步骤s1，获取预设运动声源的运动范围和声场模拟范围，以建立声源坐标系，并划分接收水听器的网格点，其中，第i个网格点的接收水听器位置为(x
ri
,y
ri
,z
ri
)，0≤i≤m-1，m为所述水听器的个数；步骤s2，采集所述预设运动声源的发射信号，并进行降采样处理获得运动轨迹s(n)，0≤n≤n-1，n为所述运动轨迹s(n)的长度；步骤s3，对所述运动轨迹s(n)进行插值，得到声源位置序列[xs(n),ys(n),zs(n)]，0≤n≤n-1；步骤s4，令i＝0，n＝0，计算第i个网格点上的水听器对应时刻n时，水听器位置(x
ri
,y
ri
,z
ri
)与声源位置[xs(n),ys(n),zs(n)]之间的信道冲激响应h
in
(t)，0≤t≤t-1，t为信道冲激响应长度；步骤s5，计算第i个网格点上的水听器对应时刻n时，接收信号时间序列ri(t)＝ri(t) s(n)
×hin
(t-n)，0≤t≤l-1，再迭代执行步骤s4-步骤s5，直至n＝n，得到第i个网格点上的接收信号时间序列，其中，l为时间序列的长度l≥t n-1，初始值为0；步骤s6，令i＝i 1，n＝0，将接收水听器位置更改为下一个网格点，迭代执行步骤s4-步骤s5，直至i＝m，完成所有网格点上接收信号时间序列的计算；步骤s7，将所有网格点计算得到的接收信号时间序列r0(t)，
…
，ri(t)，
…
，r
m-1
(t)按空间位置进行组合，起始时刻对齐，最终得到所述预设运动声源激发的动态声场模拟计算结果。
[0009]
本发明实施例的水下运动声源动态声场模拟计算方法，能够在声源以任意速度运动和复杂界面条件下，对其产生的动态声场和接收信号进行模拟计算，有效克服了现有模拟计算方法中施加对应的多普勒频移较为困难以及多途到达俯仰角只有在理想波导条件下的缺点，扩大了运动声源声场模拟的应用范围，也对后续探测与识别等研究工作起到帮助作用。
[0010]
另外，根据本发明上述实施例的水下运动声源动态声场模拟计算方法还可以具有以下附加的技术特征：
[0011]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述声源坐标系为二维直角坐标系xoz，x轴方向为水平方向，正方向向右，z轴方向为深度方向，正方向指向海底。
[0012]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述降采样后的s(n)对应的采样率fs≥2.5
×fh
，其中，fh为所述运动轨迹s(n)中发射信号的最高频率。
[0013]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s3插值过程中需使所述运动轨迹s(n)的采样率与发射信号的采样率fs相等，且长度同样为所述运动轨迹s(n)的长度n。
[0014]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s4中利用声传播模型计算所述信道冲激响应h
in
(t)，其中，所述信道冲激响应h
in
(t)的采样率与发射信号的采样率fs相等，且为信道冲激响应长度t应大于信道的最后一个多途到达时刻。
[0015]
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了水下运动声源动态声场模拟计算系统，包括：划分模块，用于获取预设运动声源的运动范围和声场模拟范围，以建立声源坐标系，并划分接收水听器的网格点，其中，第i个网格点的接收水听器位置为(x
ri
,y
ri
,z
ri
)，0≤i≤m-1，m为所述水听器的个数；降采样模块，用于采集所述预设运动声源的发射信号，并进行降采样处理获得运动轨迹s(n)，0≤n≤n-1，n为所述运动轨迹s(n)的长度；插值模块，用于对所述运动轨迹s(n)进行插值，得到声源位置序列[xs(n),ys(n),zs(n)]，0≤n≤n-1；信道冲激响应计算模块，用于令i＝0，n＝0，计算第i个网格点上的水听器对应时刻n时，水听器位置(x
ri
,y
ri
,z
ri
)与声源位置[xs(n),ys(n),zs(n)]之间的信道冲激响应h
in
(t)，0≤t≤t-1，t为信道冲激响应长度；第一迭代模块，用于计算第i个网格点上的水听器对应时刻n时，接收信号时间序列ri(t)＝ri(t) s(n)
×hin
(t-n)，0≤t≤l-1，再迭代执行所述信道冲激响应计算模块和所述第一迭代模块，直至n＝n，得到第i个网格点上的接收信号时间序列，其中，l为时间序列的长度l≥t n-1，初始值为0；第二迭代模块，用于令i＝i 1，n＝0，将接收水听器位置更改为下一个网格点，迭代执行执行所述信道冲激响应计算模块和所述第一迭代模块，直至i＝m，完成所有网格点上接收信号时间序列的计算；组合模块，用于将所有网格点计算得到的接收信号时间序列r0(t)，
…
，ri(t)，
…
，r
m-1
(t)按空间位置进行组合，
起始时刻对齐，最终得到所述预设运动声源激发的动态声场模拟计算结果。
[0016]
本发明实施例的水下运动声源动态声场模拟计算系统，能够在声源以任意速度运动和复杂界面条件下，对其产生的动态声场和接收信号进行模拟计算，有效克服了现有模拟计算方法中施加对应的多普勒频移较为困难以及多途到达俯仰角只有在理想波导条件下的缺点，扩大了运动声源声场模拟的应用范围，也对后续探测与识别等研究工作起到帮助作用。
[0017]
另外，根据本发明上述实施例的水下运动声源动态声场模拟计算系统还可以具有以下附加的技术特征：
[0018]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述声源坐标系为二维直角坐标系xoz，x轴方向为水平方向，正方向向右，z轴方向为深度方向，正方向指向海底。
[0019]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述降采样后的s(n)对应的采样率fs≥2.5
×fh
，其中，fh为所述运动轨迹s(n)中发射信号的最高频率。
[0020]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述插值模块中需使所述运动轨迹s(n)的采样率与发射信号的采样率fs相等，且长度同样为所述运动轨迹s(n)的长度n。
[0021]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述信道冲激响应计算模块中利用声传播模型计算所述信道冲激响应h
in
(t)，其中，所述信道冲激响应h
in
(t)的采样率与发射信号的采样率fs相等，且为信道冲激响应长度t应大于信道的最后一个多途到达时刻。
[0022]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0023]
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0024]
图1是本发明一个具体实施例的水下运动声源动态声场模拟计算方法的流程图；
[0025]
图2是本发明一个具体实施例的水下运动声源动态声场模拟计算方法的具体执行图；
[0026]
图3是本发明一个具体实施例的声源坐标系的示意图；
[0027]
图4是本发明一个具体实施例中水听器上接收信号图；
[0028]
图5是本发明一个具体实施例中模拟的接收信号的频谱分析结果图；
[0029]
图6是本发明一个具体实施例中模拟计算的动态声场在3个不同时刻的空间分布图；
[0030]
图7是本发明一个实施例的水下运动声源动态声场模拟计算系统的结构示意图。
具体实施方式
[0031]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0032]
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的水下运动声源动态声场模拟计算方法及系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的水下运动声源动态声场模拟计算
方法。
[0033]
举例而言，假设模拟环境为最简单的浅海pekeris波导，水深为70m，水面为空气介质，反射系数为-1，水的密度为1.0g/cm3，声速为1500m/s，海底为泥沙底，密度为1.6g/cm3，声速为1800m/s；水中声源深度为5m，从t＝0时刻开始，以0m/s的速度，加速度为100m/s2作水平匀加速运动；运动过程中，声源发射脉宽为0.3s的单频脉冲信号，频率为100hz。
[0034]
图1是本发明一个实施例的水下运动声源动态声场模拟计算方法的流程图。
[0035]
如图1所示，该水下运动声源动态声场模拟计算方法包括以下步骤：
[0036]
在步骤s1中，获取预设运动声源的运动范围和声场模拟范围，以建立声源坐标系，并划分接收水听器的网格点，其中，第i个网格点的接收水听器位置为(x
ri
,y
ri
,z
ri
)，0≤i≤m-1，m为水听器的个数。
[0037]
具体地，如图2所示，先建立二维直角坐标系xoz，x轴方向为水平方向，正方向向右，z轴方向为深度方向，正方向指向海底。
[0038]
结合上述举例，则令z＝0所确定平面为海面，则海底为z＝70所确定平面；再设运动声源初始坐标为(-250,5)，如图2中空心圆圈所示。为了对其激发声场进行精细模拟，设定接收水听器网格水平坐标从-300m到300m间距1m，深度坐标从0m到70m间距1m，水听器位置如图2种实心圆圈所示。共计601
×
71＝42671个水听器，即m＝42671。对这m个水听器从左至右，从上至下进行编号，可以得到第i个水听器的坐标(x
ri
,z
ri
)。
[0039]
在步骤s2中，采集预设运动声源的发射信号，并进行降采样处理获得运动轨迹s(n)，0≤n≤n-1，n为运动轨迹s(n)的长度。
[0040]
进一步地，在本发明的一个实施例中，降采样后的s(n)对应的采样率fs≥2.5
×fh
，其中，fh为运动轨迹s(n)中发射信号的最高频率。
[0041]
具体地，结合上述举例，声源发射的是频率为100hz的单频脉冲信号，即fh＝100hz，为了保证接收信号波形细节，其采样率设置为fs＝10
×fh
＝1000hz。以该采样率生成一个单频脉冲信号时间序列s(n)，0≤n≤n-1，则其序列长度n＝0.3
×
fs＝300。
[0042]
在步骤s3中，对运动轨迹s(n)进行插值，得到声源位置序列[xs(n),ys(n),zs(n)]，0≤n≤n-1。
[0043]
进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤s3插值过程中需使运动轨迹s(n)的采样率与发射信号的采样率fs相等，且长度同样为运动轨迹s(n)的长度n。
[0044]
具体地，结合上述举例，声源从t＝0时刻开始，以0m/s的速度，加速度为100m/s2作水平匀加速运动，以采样间隔为0.001s产生其对应轨迹点坐标序列[xs(n),zs(n)]，0≤n≤n-1，长度n＝300。
[0045]
在步骤s4中，令i＝0，n＝0，计算第i个网格点上的水听器对应时刻n时，水听器位置(x
ri
,y
ri
,z
ri
)与声源位置[xs(n),ys(n),zs(n)]之间的信道冲激响应h
in
(t)，0≤t≤t-1，t为信道冲激响应长度。
[0046]
进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤s4中利用声传播模型计算信道冲激响应h
in
(t)，其中，信道冲激响应h
in
(t)的采样率与发射信号的采样率fs相等，且为信道冲激响应长度t应大于信道的最后一个多途到达时刻。
[0047]
结合上述举例，步骤s4具体执行过程为：
[0048]
步骤401，当i＝0，n＝0时，水听器0的位置为(-300,0)，声源位置为(-250,5)。由于
前述举例为浅海pekeris波导，可以直接使用虚源法计算得到第p个多途(多途数量可根据实际情况选择，本发明实施例可取0≤p≤11)到达时刻τ
p
和对应的幅度a
p
。
[0049]
步骤402，将信道冲激响应h
in
(t)序列初始化为长度t的零序列。使用采样率fs＝1000hz将步骤401中计算的多途到达时刻τ
p
和对应幅度a
p
转化为信道冲激响应序列h
in
(t)，具体转换关系如下：
[0050][0051]
序列的长度t满足t≥max(τ
p
)
×
fs，式中max(τ
p
)运算表示取τ
p
的最大值。
[0052]
在步骤s5中，计算第i个网格点上的水听器对应时刻n时，接收信号时间序列ri(t)＝ri(t) s(n)
×hin
(t-n)，0≤t≤l-1，再迭代执行步骤s4-步骤s5，直至n＝n，得到第i个网格点上的接收信号时间序列，其中，l为时间序列的长度l≥t n-1，初始值为0。
[0053]
需要说明的是，s(n)是对应时刻n发射信号的幅度值，是一个标量，h
in
(t-n)是对步骤s4中计算得到的冲激响应h
in
(t)延时n个时刻，并填充多个零的结果，是一个长度为l的序列。
[0054]
具体地，结合上述举例，令n＝n 1，重复步骤s4-步骤s5过程，直到n＝n＝300，此时得到的ri(t)即为水听器i上的接收信号时间序列。
[0055]
在步骤s6中，令i＝i 1，n＝0，将接收水听器位置更改为下一个网格点，迭代执行步骤s4-步骤s5，直至i＝m，完成所有网格点上接收信号时间序列的计算。
[0056]
也就是说，结合上述举例，令i＝i 1，n＝0，将接收水听器位置更改为下一个网格点，重复步骤s4到步骤s5过程，直到i＝m＝42671，所有网格点上的接收信号都计算完成。
[0057]
在步骤s7中，将所有网格点计算得到的接收信号时间序列r0(t)，
…
，ri(t)，
…
，r
m-1
(t)按空间位置进行组合，起始时刻对齐，最终得到预设运动声源激发的动态声场模拟计算结果。
[0058]
具体地，如图3可知，接收信号具有明显的多途特性；如图4可知，接收信号中存在明显的多普勒频移特性，由于声源为匀加速运动和多途的存在，其多普勒频移产生的频率分量较多，不再是一个单独的频率；图5是模拟计算得到的整个动态声场在0.1s，0.3s，0.5s这3个不同时刻的空间分布图，图中颜色越亮，表明该处的声信号越强，从图5中可以清晰看出声源发射信号的传播过程，同时由于声源运动和多途而产生的声场复杂干涉结构。上述计算结果充分说明了本发明实施例所提出方法对水下运动声源所产生的动态声场进行模拟计算的有效性。
[0059]
综上，本发明实施例提出的水下运动声源动态声场模拟计算方法，能够在声源以任意速度运动和复杂界面条件下，对其产生的动态声场和接收信号进行模拟计算，有效克服了现有模拟计算方法中施加对应的多普勒频移较为困难以及多途到达俯仰角只有在理想波导条件下的缺点，扩大了运动声源声场模拟的应用范围，也对后续探测与识别等研究工作起到帮助作用。
[0060]
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的水下运动声源动态声场模拟计算装置。
[0061]
图6是本发明一个实施例的水下运动声源动态声场模拟计算系统的结构示意图。
[0062]
如图6所示，该系统10包括：划分模块100、降采样模块200、插值模块300、信道冲激
响应计算模块400、第一迭代模块500、第二迭代模块600和组合模块700。
[0063]
其中，划分模块100用于获取预设运动声源的运动范围和声场模拟范围，以建立声源坐标系，并划分接收水听器的网格点，其中，第i个网格点的接收水听器位置为(x
ri
,y
ri
,z
ri
)，0≤i≤m-1，m为水听器的个数。降采样模块200用于采集预设运动声源的发射信号，并进行降采样处理获得运动轨迹s(n)，0≤n≤n-1，n为运动轨迹s(n)的长度。插值模块300用于对运动轨迹s(n)进行插值，得到声源位置序列[xs(n),ys(n),zs(n)]，0≤n≤n-1。信道冲激响应计算模块400用于令i＝0，n＝0，计算第i个网格点上的水听器对应时刻n时，水听器位置(x
ri
,y
ri
,z
ri
)与声源位置[xs(n),ys(n),zs(n)]之间的信道冲激响应h
in
(t)，0≤t≤t-1，t为信道冲激响应长度。第一迭代模块500用于计算第i个网格点上的水听器对应时刻n时，接收信号时间序列ri(t)＝ri(t) s(n)
×hin
(t-n)，0≤t≤l-1，再迭代执行信道冲激响应计算模块和第一迭代模块，直至n＝n，得到第i个网格点上的接收信号时间序列，其中，l为时间序列的长度l≥t n-1，初始值为0。第二迭代模块600用于令i＝i 1，n＝0，将接收水听器位置更改为下一个网格点，迭代执行信道冲激响应计算模块和第一迭代模块，直至i＝m，完成所有网格点上接收信号时间序列的计算。组合模块700用于将所有网格点计算得到的接收信号时间序列r0(t)，
…
，ri(t)，
…
，r
m-1
(t)按空间位置进行组合，起始时刻对齐，最终得到预设运动声源激发的动态声场模拟计算结果。
[0064]
进一步地，在本发明的一个实施例中，声源坐标系为二维直角坐标系xoz，x轴方向为水平方向，正方向向右，z轴方向为深度方向，正方向指向海底。
[0065]
进一步地，在本发明的一个实施例中，降采样后的s(n)对应的采样率fs≥2.5
×fh
，其中，fh为运动轨迹s(n)中发射信号的最高频率。
[0066]
进一步地，在本发明的一个实施例中，插值模块中需使运动轨迹s(n)的采样率与发射信号的采样率fs相等，且长度同样为运动轨迹s(n)的长度n。
[0067]
进一步地，在本发明的一个实施例中，信道冲激响应计算模块中利用声传播模型计算信道冲激响应h
in
(t)，其中，信道冲激响应h
in
(t)的采样率与发射信号的采样率fs相等，且为信道冲激响应长度t应大于信道的最后一个多途到达时刻。
[0068]
综上，本发明实施例提出的水下运动声源动态声场模拟计算系统，能够在声源以任意速度运动和复杂界面条件下，对其产生的动态声场和接收信号进行模拟计算，有效克服了现有模拟计算方法中施加对应的多普勒频移较为困难以及多途到达俯仰角只有在理想波导条件下的缺点，扩大了运动声源声场模拟的应用范围，也对后续探测与识别等研究工作起到帮助作用。
[0069]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0070]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0071]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。