一種高斯隨機(jī)起伏海底界面混響信號(hào)仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于混響信號(hào)仿真領(lǐng)域，具體涉及一種仿真高斯隨機(jī)起伏海底界面混響信 號(hào)仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 海底混響是影響主動(dòng)聲納工作性能的重要干擾因素之一，海底混響的仿真預(yù)報(bào)對(duì) 聲納的使用和設(shè)計(jì)有重要意義。對(duì)海底混響信號(hào)仿真的研宄主要包括混響強(qiáng)度仿真和混響 時(shí)間序列仿真。當(dāng)聲納系統(tǒng)所采用的信號(hào)處理方法主要依賴(lài)能量時(shí)，常用混響強(qiáng)度對(duì)其進(jìn) 行估計(jì)和評(píng)價(jià)。隨著聲納系統(tǒng)的發(fā)展，如多波束和復(fù)雜的相干信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用，就需要 對(duì)混響時(shí)間序列進(jìn)行仿真。
[0003]目前混響時(shí)間序列仿真的方法主要有兩種，一種根據(jù)混響信號(hào)的概率分布，仿真 所需分布的混響信號(hào)；另一種是以點(diǎn)散射模型為基礎(chǔ)的仿真方法，即通過(guò)計(jì)算散射體或通 過(guò)網(wǎng)格劃分海底為小散射元的散射信號(hào)在接收點(diǎn)的疊加得到混響信號(hào)，例如郭熙業(yè)等人將 點(diǎn)散射模型與單元散射模型混合使用仿真混響信號(hào)（郭熙業(yè)，蘇紹璟，王躍科等，收發(fā)合置 情況下海底混響仿真，國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,第32卷第2期）。海底混響主要是由于 海底界面的隨機(jī)起伏引起的，但以上海底混響信號(hào)仿真方法都沒(méi)有考慮界面的隨機(jī)起伏因 素。本發(fā)明針對(duì)高斯隨機(jī)起伏海底界面，發(fā)明一種可以得到不同起伏參數(shù)海底界面混響信 號(hào)的仿真方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種可以通過(guò)建立不同起伏參數(shù)的隨機(jī)起伏海底界面，得 到對(duì)應(yīng)起伏海底的混響信號(hào)的仿真高斯隨機(jī)起伏海底界面混響信號(hào)方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] (1)導(dǎo)入聲源的位置、指向性、發(fā)射信號(hào)波形參數(shù)以及起伏界面相關(guān)長(zhǎng)度、均方根 高度參數(shù)；
[0007] (2)利用蒙特卡洛方法建立三維高斯隨機(jī)起伏界面模型：
[0008] 三維高斯隨機(jī)起伏界面上每一點(diǎn)處的高度由下式得到
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高斯隨機(jī)起伏海底界面混響信號(hào)仿真方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 導(dǎo)入聲源的位置、指向性、發(fā)射信號(hào)波形參數(shù)以及起伏界面相關(guān)長(zhǎng)度、均方根高度 等參數(shù)； (2) 利用蒙特卡洛方法建立三維高斯隨機(jī)起伏界面模型： 三維高斯隨機(jī)起伏界面上每一點(diǎn)處的高度由下式得到
其中z(xm，yn)為（xm，yn)處的高度，x m=mAx，yn=nAy，m、n為x、y方向的點(diǎn)的序號(hào)，m =-M/2+1,…，M/2，n = -N/2+1,…，N/2，M、N為x、y方向等間隔離散點(diǎn)數(shù)，Δχ、Ay分別表示 x、y方向兩點(diǎn)之間的間隔，Lx、Ly分別表示隨機(jī)起伏界面在x、y方向的長(zhǎng)度
i表示虛數(shù)單位，)由下式得到
其 中N(0, 1)表示均值為0,方差為1的正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)為三維高斯隨機(jī)起伏界 面的功率譜密度：
其中S為高度起伏的均方根高度，IjP Iy為起伏界面X方向和y方向的相關(guān)長(zhǎng)度，得 到三維空間中的M X N個(gè)點(diǎn)，每一點(diǎn)的坐標(biāo)為（xm, yn, z (xm, yn)); (3) 利用Delaunay三角剖分方法對(duì)xoy平面上的MXN個(gè)點(diǎn)進(jìn)行三角面元?jiǎng)澐郑恳稽c(diǎn) 的坐標(biāo)為（Xm， yJ，得到xoy平面上每一個(gè)面元的三個(gè)頂點(diǎn)信息； (4) 將xoy平面上的三角面元映射到三維空間中的z(xm，yn)隨機(jī)起伏界面上，得到隨 機(jī)起伏界面的三角面元?jiǎng)澐值拿總€(gè)面元的頂點(diǎn)信息； (5) 根據(jù)聲源的位置以及指向性信息，計(jì)算聲波照射海底的區(qū)域，判斷面元是否在照射 區(qū)域內(nèi)，這里面元中心點(diǎn)在照射區(qū)域內(nèi)則認(rèn)為整個(gè)面元都被聲波照射，得到聲波照射區(qū)域 所包含的共M/h面元； (6) 對(duì)于步驟（5)中得到的Mm個(gè)面元中的第s個(gè)面元，1彡s彡Mm，連接聲源與第s個(gè) 面元中心點(diǎn)，計(jì)算連線(xiàn)與M m個(gè)面元中的第w個(gè)面元所在平面的交點(diǎn)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為第w個(gè)面元的第I個(gè)頂點(diǎn)位置矢量，rp為交點(diǎn)P的位置 矢量，Vw為第w個(gè)面元的法向矢量，β i為求得的判斷參數(shù)，如果所有的β i>0,則第s個(gè) 面元被第W個(gè)面元遮擋，反之未被第W個(gè)面元遮擋； (7) 重復(fù)步驟（6)，遍歷所有w e [1，Mm]且w辛s個(gè)面元，如果第s個(gè)面元均為被遮擋， 則保留第s個(gè)面元，反之刪除； (8) 重復(fù)以上步驟（6)和（7)，遍歷所有s e [l，Mm]個(gè)面元，所有保留下來(lái)的共Mm'個(gè) 面元即為入射聲波照亮的面元； (9) 采用Gordon面元積分法得到Mm'個(gè)面元中每個(gè)面元在接收點(diǎn)的散射聲場(chǎng)：
其中，
，（Φ上，是第m'個(gè)面元的聲 散射勢(shì)函數(shù)，為聲源坐標(biāo)矢徑，r 接收點(diǎn)的坐標(biāo)矢徑，k為波數(shù)，w q(l為聲源坐標(biāo)矢量的 z方向分量，Wmtl為接收點(diǎn)坐標(biāo)矢量的z方向分量，b n為第η個(gè)頂點(diǎn)的位置矢量，1 < η < 3， 且比=b i，Abn= bn+1_bn，r = r9()+rm。+ ，符號(hào)中上橫線(xiàn)表示矢量，丨和y分別表示X 和y方向
V為聲源的單位坐標(biāo)矢量，^為觀察點(diǎn)的單位坐標(biāo)矢量，^和t y 分別是^和^在X方向和y方向分量之和； (10) 計(jì)算所有Mm'個(gè)面元的聲散射勢(shì)函數(shù)，得到仿真的混響信號(hào)：
其中，Sk為仿真的混響信號(hào)，Mm'表示總的需要求和的面元個(gè)數(shù)，（Φ3) π，表示第m'個(gè)面 元的聲散射勢(shì)函數(shù)，X(t)為發(fā)射信號(hào)，τπ，為第m'個(gè)面元對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)延。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于混響信號(hào)仿真領(lǐng)域，具體涉及一種仿真高斯隨機(jī)起伏海底界面混響信號(hào)仿真方法。本發(fā)明包括：導(dǎo)入聲源的位置、指向性、發(fā)射信號(hào)波形參數(shù)以及起伏界面相關(guān)長(zhǎng)度、均方根高度參數(shù)；利用蒙特卡洛方法建立三維高斯隨機(jī)起伏界面模型。本發(fā)明由具體的隨機(jī)起伏界面得到對(duì)應(yīng)的仿真混響信號(hào)，考慮了界面的隨機(jī)起伏因素，更符合混響產(chǎn)生的物理過(guò)程，物理意義更加明確；可以通過(guò)改變隨機(jī)起伏界面的相關(guān)長(zhǎng)度、均方根高度等參數(shù)，得到不同起伏界面的仿真混響信號(hào)；對(duì)于同一個(gè)隨機(jī)起伏界面，可以通過(guò)改變發(fā)射信號(hào)調(diào)制方式，得到同一起伏界面、不同發(fā)射信號(hào)時(shí)的仿真混響信號(hào)。
【IPC分類(lèi)】G01S7-537
【公開(kāi)號(hào)】CN104765028
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510140919
【發(fā)明人】陳文劍, 孫輝
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年3月27日