浅海波导不变量计算方法研究.pdf

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1、第35卷第6期2016年12月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYVol_35．No．6Dec，2016doi：lO．3969／j．issn．1003—2029．2016．06．004浅海波导不变量计算方法研究海伟t，石敏1，储泽国2(1．海军装备研究院，北京100161；2．中国人民解放军91388部队，广东湛江524022)摘要：浅海波导不变量的研究是近年来水声学中热门课题之一。波导不变量是表征浅海声场干涉条纹结构一个标量。可利用二维傅立叶变换的方法估计得到．但在试验数据处理过程中会出现多极值点情况以及距离一频率谱图难获取的问题。文中提出采用

2、Gabor滤波提取单条条纹解决前一问题．采用统计方法解决后一问题。关键词：波导不变量；浅海；干涉条纹；二维傅立叶变换中图分类号：0427．9文献标志码：A文章编号：1003—2029(2016)06—0017—04波导不变量的概念由俄罗斯科学家S．D．ChuprovEl]和其它研究者提出，由D’Spain和Kuper—man引入到水平变化环境中[21，它体现了声场中与频率有关的频散特性。Brekhovskikh和Lysanov[3]指出，对于声场中的某一组简正波来讲，／3是唯一确定的，即是不变的常数。但实际上，当距离和频率都发生变化时，声场将由另外一组模决定，口也将发生

3、变化，使得／3不再是一个确定的常数，而是表现为一个分布量。本文就波导不变量值在实际数据处理中的估计进行了探讨。1利用二维傅立叶变换估计波导不变量凹对于距离连续变化的水下宽带噪声信号，其声强将在距离一频率二维平面上出现如图1(a)所示的干涉条纹图案，在图1(b)中，实线代表亮条纹，虚线代表暗条纹。假设对于特定的某一条纹，条纹上各点声强值相同。图中AB代表亮条纹，可知AB上声强值近似相等。如图1所示，A，B两点的声强值满足：l(r,to)=I(r—dr，to-dto)(1)式中：dto=dr·tanO。65。。‰．flIr-dI．LO--([Ⅲl主-。o。。9””胁”o‰2

4、5。30。‘。、L————一——__

5、1_?}：／II，Ⅲ”

6、(u付(￡Jmt、㈨j‘涉条纹图案(¨1‘涉条纹函数图1声强干涉条纹示意图令声强测量窗限定空间为l'nit。

7、。显然，一维函数厶(r)可近似表示二维函数gr,to)的条纹特性。定义声强I(r,to)的二维傅立叶变换：叼皤力=』t(r，to)exp[一i((r+rto)]drdoJ(4)将式(3)代人式(4)，得到：叼(￡丁)=叼o(f：弦(r+∥tanO)(5)收稿日期：2016—05—26作者简介：海伟(1990一)，男，硕士，工程师，主要研究方向为水声环境效应技术。E-mail：825269460@qq．con18海洋技术学报第35卷式中：卵。为厶的傅立叶变换，6为Dirac函数，即只有当r=-孝／tan口时，声强，的二维傅立叶变换才能达到最大值770④，因此叼@力在手一丁

8、平面上应该呈现为一条直线，把这条直线称为叼侮力的脊，脊的斜率一tanO就反映了波导不变量的值。对于离散化的I(r,w)，设距离r=MAr，频率∞=NAw，M、N均为整数。则在叼@力平面上有：口：一三生K：一』堕单，((6)∞mid∞min△r式中：鸳=蚴r)～，Ar=(Nato)q；K为77@丁)的脊的斜率：Y1n52·-------------—----------------------------·----。。。。。------------一1．8l·15Ij】lc_1．4}。差1,21L·O8L一0e一．50050100150200角度／(。’)(h)图2二维傅

9、立叶变换脊及其斜率图2给出了图1中干涉条纹二维傅立叶变换得到的脊，并进行拉东变换，得到脊斜率，求得波导不变量的值为1．1297。2实际海试数据估计卢值存在问题及解决方案2．1存在问题对于实际海试数据估计口值存在两方面问题，一方面是在处理实验数据过程中发现，若信噪比较低，利用二维傅立叶变换后对脊拉东变换估计口值不准确，易出现多个大小相近的极值点，且标准差的值差距较小，因此不易判断最佳估计角度，如图3(a)所示，横坐标表示拉东变换结果在各个角度处进行标准差处理后的输出结果。对比图2(b)出现了多个极值点，若取最大值对应的角度求口，结果不准确。