相關(guān)測(cè)速聲吶海底回波仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李丹丹，陳 龍，王長(zhǎng)紅

(1. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

海洋混響包含著許多物理、聲學(xué)特性，是影響聲吶性能的重要因素之一。對(duì)于工作于淺海的主動(dòng)聲吶，海洋混響是主要的干擾信號(hào)；對(duì)于測(cè)速、測(cè)深以及成像聲吶，海洋混響是主要的研究對(duì)象。因此，深入研究混響的特性是十分必要的。海底混響作為海洋混響的重要組成部分，長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)海底混響特性進(jìn)行了大量的研究。由于組織進(jìn)行海上實(shí)驗(yàn)需要花費(fèi)大量的人力物力，同時(shí)，仿真技術(shù)是一種可控制、無(wú)破壞性、耗費(fèi)小、并允許多次重復(fù)的實(shí)驗(yàn)手段，多數(shù)學(xué)者選擇建模仿真方法[1-5]，進(jìn)行理論分析后，采用模擬仿真進(jìn)行驗(yàn)證分析，最終將其用于實(shí)際。

本文的研究工作主要基于相關(guān)測(cè)速聲吶，它的換能器基陣是平面陣，由一個(gè)發(fā)射子陣和數(shù)個(gè)接收陣元組成。發(fā)射陣元垂直向下發(fā)射聲波，入射角基本接近0°。提出了采用MVC模式構(gòu)建相關(guān)測(cè)速聲吶海底回波仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，將數(shù)據(jù)、顯示和處理相分離，提高了程序的可維護(hù)性、可移植性、可擴(kuò)展性與可重用性。并基于VC 6.0軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了相關(guān)測(cè)速聲吶海底回波仿真系統(tǒng)軟件，為海底回波空間相關(guān)函數(shù)特性的研究提供了便利的平臺(tái)。同時(shí)將海底沉積層密度梯度引入海底混響仿真模型，使海底混響仿真更接近海底的實(shí)際情況。

1 相關(guān)測(cè)速聲吶系統(tǒng)架構(gòu)

相關(guān)測(cè)速聲吶的實(shí)時(shí)工作系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件系統(tǒng)一般分為水下分機(jī)和水上分機(jī)，主要包括換能器基陣、DSP處理機(jī)、數(shù)字顯示平臺(tái)、模擬分機(jī)等，完成信號(hào)的發(fā)射、接收和采集、存儲(chǔ)、處理和顯示等功能。軟件系統(tǒng)主要完成信號(hào)發(fā)射控制、回波采集、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果的顯示和保存等功能。

將相關(guān)測(cè)速聲吶系統(tǒng)的實(shí)際工作進(jìn)行簡(jiǎn)化，系統(tǒng)的架構(gòu)主要包括以下4個(gè)模塊：信號(hào)發(fā)射、海洋散射回波、回波接收以及信號(hào)處理。如圖1所示。

圖1 相關(guān)測(cè)速聲吶系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 The structure of the correlation sonar for velocity measurements

其中，信號(hào)發(fā)射模塊主要負(fù)責(zé)生成發(fā)射聲波。散射回波模塊負(fù)責(zé)形成各接收陣元的海底散射回波?；夭ń邮漳K負(fù)責(zé)獲得散射回波，并進(jìn)行數(shù)據(jù)截取、解調(diào)濾波等預(yù)處理工作。信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，包括空間相關(guān)函數(shù)矩陣的計(jì)算、模型匹配以及其他處理等。

2 海底回波模型

海底混響主要由海底沉積層中沉積物的非均勻性以及海底界面的不平整性導(dǎo)致的聲散射引起的。很多學(xué)者在海底回波建模方面做了大量的工作[6-8]，本文只作出簡(jiǎn)要的描述說(shuō)明。

習(xí)慣上用海底回波散射截面來(lái)表征海底散射強(qiáng)度。海底回波散射截面為海底表面散射的反向散射截面與沉積層體積的反向散射截面之和[6-8]：其中：σi(θ)為海底表面單位面積單位立體角對(duì)應(yīng)的散射截面積；σv(θ)為海底沉積物單位面積單位立體角對(duì)應(yīng)的散射截面積。

對(duì)應(yīng)的海底回波強(qiáng)度為[8]

實(shí)際的海底沉積層介質(zhì)具有分層或非均勻結(jié)構(gòu)，是各向異性的。海底沉積物隨著掩埋深度的增加，由于壓實(shí)和固結(jié)等作用，一般有密度和聲速增大的趨勢(shì)。密度和聲波速度是研究海底聲波反射特性的重要參數(shù)。沉積物中的密度梯度和速度梯度使得海水與沉積層交界面處的聲散射變得復(fù)雜，影響到海底表面反射損失、海底表面以及沉積層散射強(qiáng)度?？臻g相關(guān)函數(shù)根據(jù)接收陣元接收到的海底回波數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)，這就使得海底沉積層密度梯度和速度梯度在空間相關(guān)特性的研究過(guò)程中具有重要意義。考慮到海底表層沉積物中速度梯度較密度梯度弱，因此主要將海底垂直密度梯度引入到海底回波模型中。

2.1 垂直密度梯度模型

沉積層分布著各種類型的沉積物，不同類型沉積物的密度不同。垂直方向上，海底表層沉積物的密度梯度主要由生物擾動(dòng)作用形成。生物擾動(dòng)作用是生物體對(duì)沉積物顆粒的混合作用[9]。沉積層表層的沉積物受到生物擾動(dòng)作用，孔隙率不斷變小，密度不斷增大。由于沉積作用是持續(xù)進(jìn)行的，后續(xù)沉積物將表層的沉積物掩埋，成為表層沉積物。掩埋深度越深，生物擾動(dòng)作用時(shí)間就越長(zhǎng)，孔隙率越小，密度越大。即隨著深度的增加沉積物密度迅速增加。隨著沉積深度增加至一定值時(shí)，生物擾動(dòng)作用最終將會(huì)停止。

海底沉積層密度是隨深度變化的函數(shù)，可以表示為[10]：

式中，z為沉積物掩埋深度，z=0表示海水與沉積層交界面；ρs為深度z=∞處沉積物密度；ρ0為海水與沉積層交界面處密度；a為密度分布參數(shù)。

由式(3)可知，當(dāng)ρs=ρ0時(shí)，ρ(z)=ρs，即未引入密度梯度情況下沉積物的密度。

2.2 反射系數(shù)的計(jì)算

假設(shè)海底沉積層介質(zhì)為各向同性的流體時(shí)，聲波在海水與沉積層交界面上的反射系數(shù)一般表示為瑞利反射系數(shù)：

其中，ρ=ρs/ρw，ρw為海水密度；v=vs/vw，vs和vw分別為聲波在沉積層和海水中的傳播速度；φ=π/2?θ為掠射角，θ為入射角。

引入沉積層垂直密度梯度，結(jié)合沉積層密度公式(3)，反射系數(shù)可表示為：

當(dāng)ρ0≠ρw時(shí)，

其中，k為海水中聲波波數(shù)。

當(dāng)ρ0=ρw時(shí)，

2.3 海底表面散射模型

建立海底表面散射模型主要有兩種方法：一種是基于小尺度微擾近似建立的微擾模型；另一種是基于大尺度基爾霍夫近似建立的基爾霍夫模型?？紤]到相關(guān)測(cè)速聲吶垂直向下發(fā)射聲波的工作特點(diǎn)，采用基爾霍夫模型對(duì)海底表面的散射回波進(jìn)行建模。

根據(jù)基爾霍夫模型，海底表面的回波散射截面為[7]

其中：

其中：w2為表征海底表面起伏程度的二維高度譜的譜強(qiáng)度；γ2為譜指數(shù)；h0為參考長(zhǎng)度；Γ(·)為Gamma函數(shù)。

t時(shí)刻接收到的海底表面散射回波強(qiáng)度為[8]其中：Ix(t)為發(fā)射聲波強(qiáng)度；R=L/cosθ，L為發(fā)射陣元與海底的垂直距離；dA=R2sinθdθd?，?為水平方位角；αw為聲波在海水中的衰減系數(shù)；b(θ,?)為收發(fā)系統(tǒng)的指向性系數(shù)；θ1(t)和θ2(t)分別為t時(shí)刻散射區(qū)域?qū)?yīng)入射角的下限和上限。

2.4 海底沉積層體積散射模型

沉積層的體積散射截面表示為[6,8]

其中： Α ≡ 2 ( 1 0 log10e)；σ2=σv0αb為體積散射常數(shù)，σv0為體積散射系數(shù)，αb為聲波在沉積層中的衰減系數(shù)；υl(θ)為大尺度粗糙海底表面的均方根斜率?較小(?＜0.1)情況下聲波的雙程傳播損失[6,8]：

其中，

υf(θ)為海底表面平整情況下的雙程傳播損失。

υf(θ)=

其中，θ= s in?1(v?1)為全反射時(shí)臨界角。則t時(shí)刻接

c收到的沉積層體積散射回波強(qiáng)度為[8]：

其中：βe= 0 .2303αb；l1(t) 和l2(t)分別是t時(shí)刻聲波的首部和尾部在沉積層中傳播的距離。

3 仿真系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

MVC(Model-View-Controller)是一種軟件設(shè)計(jì)模式，它的設(shè)計(jì)思想是將一個(gè)應(yīng)用的輸入、處理、輸出流程按照Model、View、Controller進(jìn)行分離。模型(Model)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理，視圖(View)負(fù)責(zé)從模型中獲得信息，并在屏幕上加以顯示?？刂破?Controller)負(fù)責(zé)對(duì)模型中任何變化的傳播加以控制，確保用戶界面和模型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，協(xié)調(diào)著模型和視圖的工作。

MFC文檔-視圖結(jié)構(gòu)是在MVC支撐下軟件界面體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)具體應(yīng)用模型。文檔用來(lái)管理和保存數(shù)據(jù)，視圖用來(lái)顯示數(shù)據(jù)。本文采用MVC設(shè)計(jì)模式，基于MFC文檔-視圖結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)軟件，有利于軟件的功能擴(kuò)展和后期維護(hù)。

3.1 模型部分

模型是仿真軟件的主體部分，主要包括業(yè)務(wù)邏輯模塊和數(shù)據(jù)模塊。

依據(jù)上述相關(guān)測(cè)速聲吶的系統(tǒng)架構(gòu)，業(yè)務(wù)邏輯模塊主要完成生成發(fā)射信號(hào)、模擬海底散射過(guò)程、接收回波數(shù)據(jù)，處理回波數(shù)據(jù)。圖2給出了工作流程圖。

數(shù)據(jù)模塊使用一個(gè)數(shù)據(jù)類，相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，定義各種數(shù)據(jù)格式以及共享數(shù)據(jù)變量等，并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)讀取、存儲(chǔ)等功能。文檔類負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取需要顯示的各種數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提供給各視圖類顯示。

3.2 控制器部分

圖2 仿真軟件的工作流程圖Fig.2 The working flowchart of the simulation software

軟件的控制器部分由一個(gè)引擎類來(lái)實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)接收來(lái)自界面的請(qǐng)求，如參數(shù)設(shè)置請(qǐng)求、開(kāi)始仿真請(qǐng)求。將其交給模型進(jìn)行處理。

圖3為用戶參數(shù)設(shè)置界面，引擎類需接收的參數(shù)有：

(1) 系統(tǒng)的收發(fā)綜合開(kāi)角。相關(guān)測(cè)速聲吶發(fā)射陣元垂直向下發(fā)射聲波，發(fā)射開(kāi)角為 30°，接收開(kāi)角為60°，系統(tǒng)的收發(fā)綜合開(kāi)角為19.0°，發(fā)射聲波呈圓錐形。

(2) 聲波入射角度。根據(jù)相關(guān)測(cè)速聲吶工作特點(diǎn)，默認(rèn)入射角度為90°。

(3) 獨(dú)立仿真次數(shù)。在計(jì)算空間相關(guān)函數(shù)時(shí)，采用多次獨(dú)立仿真求平均的方法。

(4) 海底深度。相關(guān)測(cè)速聲吶的作用距離。

(5) 沉積物平均粒徑的φ值。該參數(shù)表征各種沉積物類型，區(qū)分不同海底地質(zhì)。

(6) 脈沖填充數(shù)(Q值)。使用的發(fā)射聲波是經(jīng)過(guò)載波調(diào)制的寬帶偽隨機(jī)信號(hào)，Q值用于調(diào)節(jié)發(fā)射信號(hào)帶寬。

(7) 密度分布參數(shù)(a)。表征沉積層密度梯度的大小，當(dāng)密度分布參數(shù)的值為零時(shí)，根據(jù)式(3)，為未引入密度梯度，將沉積層視為各向同性的、均勻的流體。

(8) 載波頻率。

(9) 載體三維速度。用于發(fā)射信號(hào)的形成。

圖3 用戶參數(shù)設(shè)置界面Fig.3 The interface of parameter setting

3.3 視圖部分

由于模型和視圖的分離使得一個(gè)模型可以對(duì)應(yīng)多個(gè)視圖。本文采用切分靜態(tài)視圖來(lái)實(shí)現(xiàn)單文檔多視圖，即將主框架窗口劃分為幾個(gè)子窗口，每個(gè)子窗口代表一個(gè)視圖，內(nèi)容由對(duì)應(yīng)的視圖來(lái)管理，所有的視圖各自與文檔相關(guān)聯(lián)，從文檔獲得數(shù)據(jù)。各視圖分別用于仿真參數(shù)的文本顯示以及回波的散射截面、某接收陣元接收的海底回波、回波的空間相關(guān)函數(shù)以及沉積層密度梯度的圖形顯示。效果圖如圖4所示。該仿真結(jié)果采用表1所示仿真參數(shù)，考慮沉積層的密度梯度，密度分布參數(shù)為50/m。

圖4 仿真軟件的運(yùn)行效果圖Fig.4 The effect drawing of simulation software running

表1 仿真參數(shù)Table 1 Parameters of simulation

仿真參數(shù)直接影響回波空間相關(guān)函數(shù)。本文所設(shè)計(jì)的仿真軟件可根據(jù)用戶的需求，在不同仿真參數(shù)下進(jìn)行回波仿真，并將結(jié)果以圖形的形式呈現(xiàn)給用戶，便于用戶觀察分析仿真結(jié)果。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)搭建相關(guān)測(cè)速聲吶的仿真系統(tǒng)，基于MVC設(shè)計(jì)模式，分別從模型、視圖、控制三部分完成了相關(guān)測(cè)速聲吶海底回波仿真系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為海底回波相關(guān)函數(shù)特性的研究提供了便利的平臺(tái)，同時(shí)，為仿真軟件今后的擴(kuò)展和維護(hù)提供了方便。此外，本文將沉積層密度梯度引入海底混響仿真模型，使海底混響仿真更接近海底的實(shí)際情況。

今后研究的重點(diǎn)將立足于海底混響的物理機(jī)制，考慮復(fù)雜海底地形情況，逐步完善相關(guān)測(cè)速聲吶海底回波仿真軟件。

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