一种在厚度缓变海冰中的声传播波形预测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种波形预测方案设计，尤其涉及一种在厚度缓变海冰中的声传播波形预测方法及装置，属于极地通信领域。

背景技术

北极地区存在丰富的待开发资源、重大科研价值以及显著战略地位，发展前景广阔，引起近北极国家高度关注。随着“冰上丝绸之路”经济建设的深化发展，我国对高纬度冰区海洋监测、资源开发、航行保障、军事存在的立体化、智能化要求越来越高。跨冰介质信息传输作为基础保障技术，也成为科研热点。然而北极地区常年寒风夹雪，冰雪覆盖海面，加之卫星覆盖范围难以抵达极地，导致传统的可见光、电磁波作为媒介的信息传输方法实施困难。而声波具有优良穿透性，是海冰内部信息传输的优质载体。基于声波在海冰波导中的传播规律实现接收波形预测，可以为极地环境下跨冰介质信息传输提供技术支撑。

极地海冰多以浮冰形式存在，其覆盖面积与厚度相差若干数量级，此薄板状宏观构型带来了冰层声波导现象，内部可以形成能量较为集中，传播过程较为稳定的弹性导波。海冰中的弹性导波存在多波多模态，其中，在冰声通信领域常用的低频段(<2kHz)，弯曲波模态能量占比最大，传播过程中能量损耗较小，更适于远距离传播，因此本发明选取弯曲波作为信息载体进行波形预测。

此外，现有波形预测方法均基于厚度均匀的理想海冰模型展开，然而在实际极地环境下，海冰的厚度分布并非均匀，这使得海冰中的声传播过程变得更为复杂。

发明内容

为贴合实际环境，本发明提出一种在厚度缓变海冰中的声传播波形预测方法及装置，结合厚度缓变海冰的弯曲波频散特性与声传播规律，实现对目标接收点的波形预测。

本发明的目的是为了解决现有的基于平整海冰声传播模型的波形预测方法与实际极地环境下厚度变化海冰难以贴合的问题，利用厚度缓变海冰的频散特性，快速计算出接收点的接收波形，从而实现对厚度缓变海冰的波形预测。

本发明首先依托实际极地环境下海冰物理参数(声速、密度、厚度)及上下表面边界条件，求解获得弯曲波相速度频散函数和群速度频散函数。其次，选用发射信号能量占比超过90％的频带，结合海冰厚度变化函数与频散函数，计算出各距离微元处各频率组分的传播时间以及相位。最后，将各频率组分信号转换到时域并求和，计算出理论预测接收波形，从而实现对经过海冰的波形进行预测。

本发明对厚度缓变的定义如下：

如果海冰厚度变化连续，且厚度变化程度满足公式，便认为该海冰厚度缓变：

其中，d

本发明提出一种在厚度缓变海冰中的声传播波形预测方法，该方法包括以下步骤：

S1、计算海冰弯曲波频散曲线，包括弯曲波相速度频散曲线和弯曲波群速度频散曲线；

S2、确定发射信号波形并获得频域谱图；

S3、计算不同频带能量占频谱总能量之比，并选择能量占比超过90％的频带；

S4、将收发间距分成若干微元，求解弯曲波的不同频率组分在各微元内的传播时间并求和；

S5、对每一个频率组分反傅里叶变换并求和获得理论预测接收波形的时域谱图。

有利地，步骤S1中首先设定极地薄板状海冰的经验参数，之后利用局部峰搜索法获取海冰的频厚积与弯曲波相速度的映射关系，然后利用弯曲波相速度与弯曲波群速度之间的关系求解频率与弯曲波群速度之间的映射关系。

有利地，所述经验参数包括海冰纵波波速、横波波速、海冰密度、海冰平均厚度、海水中声速、海水密度。

有利地，所述弯曲波相速度与弯曲波群速度之间的关系表示为：

其中，c

有利地，步骤S3中，计算从0Hz开始的不同频率段能量占频谱总能量的比例，并做出能量占比图，横坐标为频率，纵坐标为能量占比，选择由0Hz开始的能量占频谱总能量之比超过90％的频带。

有利地，步骤S4包括以下步骤：

S4.1、以信源为原点，空气-冰界面为xOy平面，垂直于空气-冰界面方向为z轴，建立直角坐标系，测量并建立在该坐标系下的海冰厚度变化函数d(x

S4.2、将海冰上的发射点与接收点间距，分解成若干个微元，微元的长度为dx；

S4.3、利用各个微元的长度除以不同频率组分的群速度，算出在海冰不同位置x

S4.4、对弯曲波在各个微元内的传播时间t(f,x

有利地，步骤S4.3中，

有利地，为了方便相位计算，各个微元在不同频率组分下的波数与微元长度乘积，利用公式表示为：

其中，k(f)是波数，ω是角频率，c

本发明还提出一种在厚度缓变海冰中的声传播波形预测装置，该装置执行上述的声传播波形预测方法。

有利地，该装置包括处理单元，其计算海冰弯曲波频散曲线，包括弯曲波相速度频散曲线和弯曲波群速度频散曲线；确定发射信号波形并获得频域谱图；计算不同频带能量占频谱总能量之比，并选择能量占比超过90％的频带；将收发间距分成若干微元，求解弯曲波的不同频率组分在各微元内的传播时间并求和；对每一个频率组分反傅里叶变换并求和获得理论预测接收波形的时域谱图。

有益效果：与现有技术相比，本发明结合了北极海冰厚度分布不均的实际情况，提出了一种在厚度缓变海冰中的声传播波形预测方法及装置，实用性大大提升。具体优点如下：

(1)实用性强，更加贴近真实的极地环境

对于现有的基于平整冰板声传播模型的波形预测方案而言，由于模型过于理想，在实际极地环境下进行波形预测精确性不足。事实上，极地海冰厚度分布大多不均匀，因此本发明引入了海冰厚度变化函数，来表征实际环境下冰层波导的厚度变化情况，依据厚度不均带来的频散特征变化，实现更精确的声传播波形预测，更加贴近真实的极地环境，实用性更强。

(2)能量易检测，传播过程稳定

海冰薄板状宏观构型形成的声波导现象带来多模传播特征，在冰声传播常用的低频段，弯曲波能量占比最高，传播较为稳定，适于远距离传播。本发明通过结合海冰中的弯曲波传播规律来实现波形预测，接收信号具有能量易检测，传播过程稳定的优点。

已经讨论的特征、功能和优点可在各种示例中独立实现，或者可以在其他示例中进行组合。

附图说明

当结合附图阅读时，通过参考以下对本发明示例的详细描述，将最好地理解示例以及优选的使用模式、其他目的机器描述，其中：

图1是本发明在厚度缓变海冰中的声传播波形预测方法的流程图；

图2是本发明实施例的场景演示图；

图3是海冰中的弯曲波相速度(实线)和群速度(虚线)频散曲线；

图4是发射信号波形时域图；

图5是发射信号波形频域谱图；

图6是发射信号从0到不同频率的频带能量占总能量之比；

图7是距离信源50m处接收点理论接收信号波形图；

图8是厚度缓变海冰理论接收信号波形(实线)与COMSOL仿真接收信号波形(虚线)对比图。

具体实施方式

将参照附图更充分地描述所公开的示例，在附图中示出了所公开示例中的一些(但并非全部)。事实上，可描述许多不同的示例并且这些示例不应被解释为限于本文中阐述的示例。相反，描述这些示例，是的本发明公开彻底且完全，并且将把本发明公开的范围充分传达给本领域技术人员。

结合图1的流程图和图2所示实施例，预测方法具体包括以下步骤：

步骤一、计算海冰弯曲波频散曲线。

1.1设置海冰纵波波速为3193.4m/s，横波波速为1809.8m/s，海冰密度为920kg/m

1.2利用局部峰搜索法获取海冰的频厚积(即频率与厚度的乘积)与弯曲波相速度的映射关系，然后利用弯曲波相速度与弯曲波群速度之间的关系求解频率与弯曲波群速度之间的映射关系。

弯曲波相速度与弯曲波群速度之间的关系用公式可以表示为：

其中，c

可求得：频厚积与弯曲波相速度之间的映射关系(即弯曲波相速度频散曲线)、频率与弯曲波群速度之间的映射关系(即弯曲波群速度频散曲线)。

实施例中平均厚度为1m的海冰，频率与弯曲波的相速度和群速度之间的映射关系，求解结果如图3所示，其中实线为海冰中弯曲波相速度频散曲线，虚线为海冰中弯曲波群速度频散曲线。

步骤二、确定发射信号波形并获得频域谱图。

2.1设置一个发射信号波形，此处为了方便演示，设置幅值为1×10

发射信号波形如图4所示；

2.2利用快速傅里叶变换获得发射信号S(t)的频域谱图，傅里叶变换公式表示为：

其中，f是频率，t是时间，F(f)是发射信号的频域函数，S(t)为发射信号公式，ω是角频率，角频率与频率满足关系ω＝2πf。

发射信号的频谱图如图5所示。

步骤三、计算不同频带能量占频谱总能量之比，并选择能量占比超过90％的频带。

3.1计算从0Hz开始的不同频率段能量占频谱总能量的比例，并做出能量占比图，横坐标为频率，纵坐标为能量占比如图6所示。由于冰声通信所用脉冲信号主频一般较低，高频段能量占比小，对计算结果影响有限，为减小运算量，此处选择由0Hz开始的能量占频谱总能量之比超过90％的频带，以便完成后续计算。

步骤四、将收发间距分成若干微元，求解弯曲波的不同频率组分在各微元内的传播时间并求和。

4.1以信源为原点，空气-冰界面为xOy平面，垂直于空气-冰界面方向为z轴，建立直角坐标系。测量并建立在该坐标系下的海冰厚度变化函数d(x

d(x

其中x

4.2将海冰上的发射点与接收点间距，分解成若干个微元，实施例中取微元的长度为dx＝10

4.3利用各个微元的长度除以不同频率组分的群速度，算出在海冰不同位置x

其中，dx是微元长度，d(x

为了方便后续的相位计算，各个微元在不同频率组分下的波数与微元长度乘积，利用公式可表示为：

其中，k(f)是波数，ω是角频率，c

每个微元对应的海冰厚度会影响频散程度，在此利用步骤1获得的海冰相速度c

4.4对弯曲波在各个微元内的传播时间t(f,x

从而获得不同频率组分从发射到接收点所需的传播时间t(f)。其中，x

步骤五、对每一个频率组分反傅里叶变换并求和获得理论预测接收波形的时域谱图。

5.1信源激发的信号在厚度变化的海冰中传播，不同频率组分传播速度以及抵达接收点时的相位是不同的，对每一个频率组分进行反傅里叶变换冰求和即可获得理论预测接收波形。利用公式表示为：

其中R(x

实施例中设定收发距离x＝50m与接收时间t

下面为了验证该波形预测方法的可行性，结合COMSOL仿真实例进行说明：

利用COMSOL仿真软件构建一个从左至右厚度线性缓变的海冰模型，模型的具体构建参考图2所示实施例，为方便后续利用仿真结果与理论预测接收波形进行对比，海冰的厚度变化函数、边界条件、海水的物理参数以及发射信号函数等参数的设置与前文一致。

在信源右侧50m处设置一个二维截点作为接收点，获得的COMSOL仿真接收波形与弯曲波理论预测接收波形的对比如图8所示，其中实线是理论预测接收波形，虚线是COMSOL仿真接收波形。通过对比发现仿真接收波形与理论预测接收波形的弯曲波波包较为吻合，证明了本发明方法可以实现对厚度缓变海冰指定接收点的波形预测。而接收波形的后半部分仿真结果与理论结果存在一定的差异，这是由于仿真实验模拟的厚度缓变海冰的声传播过程中不止存在弯曲波，其内部还存在多波多模态的影响所导致的。

已出示示例和描述的目的展示了对不同有利布置的描述，但是该描述并不旨在是排他性的或限于所公开形式的示例。许多修改形式和变化形式对于本领域技术人员而言将是显而易见的。另外，不同的有利示例可描述与其他有利示例相比具有不同的有点。选择和描述所选择的一个示例或多个示例，以便最佳地说明示例的原理、实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开有进行了适于所料想特定使用的各种修改的各种示例。