一种楔形海域甚低频声矢量场相关性分析方法与流程

本发明涉及水声物理，具体领域为一种楔形海域甚低频声矢量场相关性分析方法。

背景技术：

1、声波在大陆坡声场传播时，会产生反射、折射和吸收等物理现象，这些因素影响着声波在声场中传播，研究海洋中声传播规律和声场时空相关特性是海洋声学中比较关心的两个基本课题。为了研究声场中能量分布，往往要进行相关分析。引起声场空间相关性下降的主要原因是水体与边界对声波散射以及信号多途干涉效应等，空间相关特性的研究对研究海洋信道中各种动力学过程、水声阵列信号处理等问题有着重要意义。

2、关于空间相关特性研究，国内外学者做了很多研究，纵观国内外研究现状，未见有关楔形海域甚低频声矢量场条件下声压和水平振速对声场相关性影响研究。

3、纵观国内外研究现状，未见有关楔形海域甚低频声矢量场条件下声压和水平振速对声场相关性影响研究。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种楔形海域甚低频声矢量场相关性分析方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种楔形海域甚低频声矢量场相关性分析方法，其步骤为：

3、步骤1、利用抛物方程程序对楔形海域甚低频声压场进行仿真；

4、步骤2、对声压场进行差分，得到水平振速和垂直振速，利用声压代替水平振速计算；

5、步骤3、利用声压代替水平振速计算声矢量场的空间相关特性。

6、在其中一些实施例中，根据步骤2和步骤3，其具体实现方式为：

7、声矢量场的空间相关系数推导为：

8、当声波随时间做简谐运动时，忽略时间项e-iwt，声场波动方程转换为helmholtz方程

9、

10、其中，p＝p(r，z)表示声压，ρ是介质密度，k＝ω/c是介质波数；

11、在远场条件下，声波可认为以柱面波方式进行传播，忽略介质参数在半径方向变化，令可得

12、

13、在远场条件下，kr＞＞1，即k2＞＞1/r2，p/4r2可忽略不计；令u＝p/α可得

14、

15、其中如果仅仅考虑单项传播，可得

16、

17、令并对式(4)常微分方程进行求解可得

18、

19、其中，n为介质折射率，介质折射率n＝(c0/c)(1+iηα)，α为介质声吸收系数，单位为db/λ，η＝1/(40πlge)，c为介质声速，c0为参考声速；根式算子有多种近似方式，这里采用padé近似方法，得到一个宽角的抛物方程模型，padé近似方法为

20、

21、其中，m为展开式中的项数，j＝1，2，…，m；随着m值增加，理论上可以覆盖±90°之间的范围，但是计算量逐渐增加，能覆盖范围的增加量逐渐减小，一般取m＝5，就可以处理大部分声学问题；

22、求得声压p后，为了进一步得到振速信息，可利用欧拉公式得到振速信息；

23、

24、空间相关系数和空间相关半径是声场中研究声场空间相关性的两个重要参数；声场空间相关系数ρ是指在某一空间位置上，水平距离相距dr或者垂直距离相距dz的两个接收位置接收到同一声源信号的相似性度量，通常还需要进行归一化；消除时间差异，归一化相关系数表达式为

25、归一化相关系数表达式为

26、

27、其中，ρz(z，z1)为接收阵元与参考阵元在同一水平位置的情况下，相距|z-z1|时p与p1的相似性；ρr(r，r1)为接收阵元与参考阵元在同一海水深度情况下，相距|r-r1|时p与p1的相似性；p(z，r，t)为t时刻参考阵元所接收信号，p1(z1，r，t1)和p1(z，r1，t1)分别为t1时刻接收阵元与参考阵元垂直距离|z-z1|、水平距离|r-r1|下所接收到的信号；

28、声场空间相关半径定义为当声场空间相关系数第一次下降到0.707时，对应参考阵元与接收阵元的水平间距；离散化后空间相关系数频域计算公式为

29、

30、其中ωi为角频率，z为接收深度，r为接收阵元与声源之间水平距离，[ω1，ωn]为相关系数计算频率范围，n为所需计算频段内频率点总个数，p(z，r，ωi)为参考阵元接收到声源信号的频域复声压；p1(z1，r，ωi)、p1(z，r1，ωi)分别表示垂直方向、水平方向上接收阵元接收到声源信号的频域复声压；τ＝t-t1为接收信号p与p1间的时延差，由于原信号到达垂直阵各阵元的时间延迟基本一致，因此应用式(9)计算ρz时可忽略τ影响；当求解声矢量场时，由于声压与水平振速干涉结构较为一致，因此涉及水平振速的空间相关特性的研究，只需要利用声压数据即可。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在计算声矢量场的空间相关特性时，利用抛物方程程序对楔形海域甚低频声压场进行仿真，对声压场进行差分，得垂直振速，利用声压代替水平振速计算声矢量场的空间相关特性，极大减少了计算量和耗时。

32、本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂，通过本申请的实施例对本申请进行详尽说明和了解。

技术特征：

1.一种楔形海域甚低频声矢量场相关性分析方法，其特征在于：其步骤为：

2.根据权利要求1所述的一种楔形海域甚低频声矢量场相关性分析方法，其特征在于：根据步骤2和步骤3，其具体实现方式为：

技术总结本发明涉及水声物理技术领域，尤其是一种楔形海域甚低频声矢量场相关性分析方法，其步骤为：步骤1、利用抛物方程程序对楔形海域甚低频声压场进行仿真；步骤2、对声压场进行差分，得到水平振速和垂直振速，利用声压代替水平振速计算；步骤3、利用声压代替水平振速计算声矢量场的空间相关特性，本发明在计算声矢量场的空间相关特性时，利用抛物方程程序对楔形海域甚低频声压场进行仿真，对声压场进行差分，得垂直振速，利用声压代替水平振速计算声矢量场的空间相关特性，极大减少了计算量和耗时。技术研发人员：张帅帅,郑广赢,朱方伟,白琳琅,王方勇,郭小玮,周健受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一五研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/2