[发明专利]一种水下声源功率谱特征获取方法、系统及应用

权利要求书

1.一种水下声源功率谱特征获取方法，其特征在于，所述水下声源功率谱特征获取方法包括以下步骤：

水平阵接收目标辐射信号及傅里叶变换预处理；

计算距离-频率域的声强干涉结构；

确定声功率谱与声强干涉结构的关系；

利用插值算法沿干涉亮纹提取声强值；

进行声源功率谱估计。

2.如权利要求1所述的水下声源功率谱特征获取方法，其特征在于，所述水平阵接收目标辐射信号及傅里叶变换预处理，包括：利用包含N个等间隔阵元的水平阵，接收目标辐射声信号，阵元间距为d；水平阵布放方式为海底固定的方式；假设第n个阵元接收信号为y_n(t)，对接收信号作傅里叶变换对应的频谱为Y_n(ω)，浅海信道的声传输函数为G(ω；r_n,z_s,z_r)，目标辐射信号的频谱为S(ω)，则接收信号的频谱可以表示为：

Y_n(ω)＝S(ω)G(ω；r_n,z_s,z)+N_n(ω) n＝1,2,...,N；

对于密度均匀的分层介质来说，声传输函数可以用简正波求和来表示：

其中，k_m(ω),α_m(ω)分别为第m号简正波在频率为ω时的本征水平波数的实部和虚部，是第m号简正波的本征函数，z_s为声源的深度，z为接收器的深度，r为声源和接收器之间的水平距离；

假设声源的频谱为：

在高信噪比条件下，忽略环境噪声的影响，接收器位置接收到的声信号的频域表达式为：

其中，r_n为第n个阵元到目标声源的距离；

当测量距离满足远场条件，但测量距离远大于水平阵有效孔径时，A_m可近似表示为：

其中，r₀为声源到水平阵阵中心的距离。

3.如权利要求1所述的水下声源功率谱特征获取方法，其特征在于，所述计算距离-频率域的声强干涉结构，包括：

定义水平阵第n个阵元接收信号的强度为：

其中，

式声强度分为两部分：相干成分和非相干成分：

其中式右边第一项为非相干成分，第二项为相干成分。

4.如权利要求1所述的水下声源功率谱特征获取方法，其特征在于，所述确定声功率谱与声强干涉结构的关系，包括：

由分层介质中的波导不变量理论可得：

Δk_ml(ω)＝γ_mlω^-1/β；

其中，γ_ml跟简正波号数和海洋环境参数有关，随频率基本不变；β为波导不变量，用来刻画声场的干涉结构和频散特性，使得声场的干涉结构可以利用较少的参数来表示；

当两号简正波的相位差满足：

则此两号简正波相长干涉；

对于均匀的测量环境，水体密度、水体声速近似为常数，此时简正波的本征函数几乎随频率不变；声源和接收器的水平位置和深度一定时，声强干涉亮纹轨迹满足：

对于远距离测量时，仅有低号简正波对声场其主要贡献，近似有k_m(ω)≈ω/c，c为水体内平均声速，沿式表示的干涉条纹有：

其中，D₂为常数，跟目标深度、水听器深度、目标-水平阵间距和测试海洋环境有关，在干涉亮纹上的强度分布为：

亦即：

公式与距离无关，这样沿干涉曲线就可以近似估计目标声源的辐射功率谱。