[发明专利]一种海底界面一维粗糙度谱计算方法

说明书

本发明涉及一种海底界面一维粗糙度谱计算方法，属于水声技术领域。该方法首先对测量的海底界面一维粗糙度去均值，得到相对于平均界面的海底界面起伏；然后进行预白化处理，减小海底界面一维粗糙度的空间相关性；对预白化处理后的海底界面一维粗糙度加能量归一化的Hanning窗处理，减小谱泄露；采用周期图法估计功率谱，得到海底界面一维粗糙度谱；最后，采用幂率谱对计算得到的海底界面一维粗糙度谱进行拟合，计算粗糙度谱的谱指数和谱强度。该方法计算过程明确，计算结果能够真实反映海底界面起伏的统计特征，为海底声散射模型提供精确的模型参数值。

技术领域

本发明属于水声技术领域，是一种用于计算海底界面粗糙度统计特征的方法,具体为一种基于周期图法估计海底界面一维粗糙度谱的方法。

背景技术

海底界面粗糙度是引起海底高频声散射的主要来源之一，特别是与沙纹有关的海底界面粗糙度可以使声波衍射至沉积物中，因而研究海底界面粗糙度特征对于声呐探测掩埋目标是十分必要的。对海底界面粗糙度进行统计描述的常用方式有：界面起伏的相关函数、均方根粗糙度、均方根坡度和粗糙度谱。

海底界面粗糙度测量结果通常以粗糙度谱的形式给出的，相关函数可以通过经简单函数拟合后的粗糙度谱的傅里叶逆变换得到，而其它统计量，如均方根粗糙度和均方根坡度，都可以根据粗糙度谱计算得到。

多种测量方法已被用于定量地确定海底界面粗糙度(或微地貌)，包括手工描绘、立体摄影术、电导率探测、激光线扫描、激光成像、超声测深、拖曳多波束与侧扫声呐、座底扇形扫描以及笔波束声呐等。这些光学、电学和声学的测量方法被用于建立一维海底高度剖面或二维海底高度分布图，它们是对海底界面粗糙度进行统计描述所需的基本数据。

目前，对于测得的海底界面粗糙度，如何精确计算粗糙度谱尚未形成统一的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于周期图法估计海底界面一维粗糙度谱的方法。该方法首先对测量的海底界面一维粗糙度去均值，得到相对于平均界面的海底界面起伏；然后进行预白化处理，减小海底界面一维粗糙度的空间相关性；对预白化处理后的海底界面一维粗糙度加能量归一化的Hanning窗处理，减小谱泄露；采用周期图法估计功率谱，得到海底界面一维粗糙度谱；最后，采用幂率谱对计算得到的海底界面一维粗糙度谱进行拟合，计算粗糙度谱的谱指数和谱强度。

本发明采取以下技术方案：

一种海底界面一维粗糙度谱计算方法，其特征在于包括以下五个步骤：

(1)将测量的海底界面一维粗糙度减去其平均值，得到相对于平均界面的海底界面起伏，保证计算得到的粗糙度谱无对应于空间频率为零的“直流”分量

h₁(x)＝h(x)-h_m(x) (1)

式中，x为等间隔的水平距离，h(x)表示测量的海底界面一维粗糙度，h_m(x)表示测量的海底界面一维粗糙度的平均值，h₁(x)表示去均值后的海底界面一维粗糙度；

(2)对h₁(x)进行预白化处理，得到h₂(x)，减小海底界面一维粗糙度的空间相关性；

(3)对预白化处理后的海底界面一维粗糙度h₂(x)加能量归一化的Hanning窗处理，得到h₃(x)，减少谱泄漏

式中，W(n)表示Hanning窗函数，N为测量的海底界面一维粗糙度对应的水平距离点数，h₂(x)为预白化处理后的h₁(x)；

(4)采用周期图法估计功率谱，得到海底界面一维粗糙度谱