一种本征声线的求取方法

摘要

本发明提供了一种通用性好，运算效率高，并且易于编程实现的本征声线求取方法。方法步骤为：确定声源、接收点的位置参数和相关的环境参数；分声线初始俯仰角大于零和小于零两种情况，先采用大的步长进行试算，得到所求本征声线初始俯仰角可能的粗略值，作为角度搜索范围的中心值，确定合适的角度搜索范围；在确定的角度搜索范围内，按一定的步长搜索求取相应的本征声线；计算声线时判断声线在水平方位上是否发生变化，如果变化，对声线的初始方位角进行修正；保留已经计算的声线数据。本发明的方法可以减少许多不必要的声线计算，通用性好，运算效率高，并且所有步骤易于编程实现。

说明书

(一)技术领域

本发明属于水声传播技术领域，具体涉及射线理论中一种本征声线的求取方法。

(二)背景技术

海洋及海面与海底边界一起形成了一个非常复杂的介质，声信号在海洋中传播时受到各种海洋环境因素的影响。射线理论是最早提出的描述声场的理论方法之一，也是物理上最直观的声场计算方法，应用比较广泛。在射线理论中声传播看作是由声源向外传播的一束声线的传播。在环境条件已知的情况下，声线由声源处以一定的初始角度出射向外传播，声线的计算结果反映了声信号在海洋中的传播规律。本征声线是由声源经过一定的路径到达接收点的声线，接收点处的声场可以看成是到达接收点的本征声线叠加的结果。目前求取本征声线采用的方法一般是在本征声线初始角度可能变化的范围内按一定的步长计算一束声线，然后根据声线与接收平面交点的位置调整声线由声源出射时的初始俯仰角或初始方位角，逐步迭代确定所求的本征声线。在二维的情况下即海洋环境与水平方位无关时，主要是要确定本征声线的初始俯仰角。首先根据本征声线初始俯仰角可能变化的角度范围确定角度搜索范围，在角度搜索范围内按给定的步长计算一束声线，然后根据不同初始俯仰角的声线与接收平面交点的水平距离估计到达接收点位置的本征声线的初始俯仰角。如果计算时所求本征声线的初始俯仰角可能的变化范围较大，往往需要在较大的角度范围内进行搜索，需要计算的声线数目较多，如果同时需要计算到达多个接收点的本征声线，一般运算量较大。在三维的情况下声线在水平方位上也会发生变化，不仪要确定本征声线的初始俯仰角，同时还要确定本征声线的初始方位角，这时需要在水平和竖直两个扇面内同时进行搜索，运算量甚至难以承受。需要考虑声线在水平方位上变化的情况下求取本征声线已有文献研究([1]Mercer J A，FeltonW J and Booker J R.Three-dimensional eigenrays through ocean mesoscale structure.JASA.1985，78(1)，pp.157-163.)，但通常步骤较为复杂，或者要根据计算的需要人为的对角度搜索范围等参数进行设置或调整，不利于应用计算机进行计算。

(三)发明内容

本发明的目的在于提出一种通用性好，运算效率高，并且易于编程实现的本征声线求取方法。

本发明的目的是这样实现的：

1.1、确定声源、接收点的位置参数和相关的环境参数；

1.2、分声线初始俯仰角大于零和小于零两种情况，先采用大的步长进行试算，得到所求本征声线初始俯仰角可能的粗略值，作为角度搜索范围的中心值，确定合适的角度搜索范围；

1.3、在确定的角度搜索范围内，按一定的步长搜索求取相应的本征声线；

1.4、计算声线时判断声线在水平方位上是否发生变化，如果变化，对声线的初始方位角进行修正；

1.5、保留已经计算的声线数据。

本发明还包括这样一些技术特征：

1、根据声线到达接收点距离处的方位角相对接收点实际方位角的偏差对声线的初始方位角进行修正；

2、保留已经计算的声线数据时按声线的初始俯仰角进行排序。

进一步，本发明的方法步骤可以归纳为：

1、确定声源、接收点的位置参数和声速，海深及其他相关的环境参数；

2、自适应的确定角度的搜索范围；

3、根据确定的角度搜索范围，按一定的步长搜索求取本征声线。

在第2步和第3步中：分声线初始俯仰角大于零和小于零两种情况分别计算；判断声线在水平方位上是否发生变化，如果变化，对每一根搜索的声线进行方位角的迭代，修正声线的初始方位角；保留已经计算的声线数据，以便在同时求取由同一声源向外传播的其他本和声线时直接调用。

本发明主要的技术特征为：

1、采用自适应的角度搜索范围选择机制，即根据实际的位置参数和声速，海深及其他相关的环境参数，采用大的步长进行试算，得到所求本征声线初始俯仰角可能的粗略值，作为角度搜索范围的中心值，确定合适的角度搜索范围。

2、计算声线时判断声线在水平方位上是否发生变化，如果变化，对每一根搜索的声线进行方位角的迭代，修正声线的初始方位角。使计算的声线到达接收点距离处的方位角基本接近于接收点的实际方位角。

3、对已经计算的声线数据进行保留，并按声线的初始俯仰角进行排序，以便在同时求取由同一声源向外传播的其他本征声线时直接调用，避免对声线重复进行计算。

本发明在求取本征声线时根据实际的声源、接收点以及环境参数等来确定一个比较合适的角度搜索范围。声源和接收点的位置不同或声速、海深及其他相关的环境参数不同，相应的本征声线的初始俯仰角通常也会有较大的差别。同时计算声源和接收点的位置不同或声速剖面等环境参数不同的情况下相应的本征声线时，需要在一个较大的角度范围内进行搜索。根据实际的声源、接收点的位置参数以及环境参数先采用大的步长进行试算，得到所求本征声线初始俯仰角可能的粗略值。以得到的本征声线初始俯仰角的粗略值为中心，确定合适的角度搜索范围，这样可以有效减少不必要的声线计算，提高运算效率。声线初始俯仰角大于零或者小于零的范围内通常会有类似的本征声线，初始俯仰角为零度的声线(即在声源处声线的方向为水平方向)有可能在确定的角度搜索范围之外，计算时需要分初始俯仰角大于零和小于零两种情况分别求取本征声线。

本发明在取本征声线时判断声线在水平方位上是否发生变化，如果变化，对每一根搜索的声线进行方位角的迭代，即利用声线到达接收点距离处的方位角相对接收点实际方位角的偏差对声线的初始方位角进行修正，逐步迭代使搜索时每一根计算的声线到达接收点距离处的方位角为接收点相对于声源的实际方位角。这种方法在通常的情况下比较容易收敛，在搜索本征声线的过程中每一根计算的声线进行方位角的迭代时，并不需要十分精确，使计算的声线到达接收点距离处的方位角基本接近于接收点的实际方位角即可，并且相邻的两根搜索的声线到达接收点距离处的方位角收敛于接收点相对于声源的实际方位角时对应的初始方位角一般相差很小，计算时将前一根声线迭代收敛后的初始方位角作为下一根声线迭代前的初始方位角，这样迭代计算的次数一般较少，运算量较小。本发明的方法不需要在水平和竖直两个扇面内同时进行搜索，可以在较小运算量的情况下较为准确求取所需计算的本征声线。

本发明在求取本征声线时对已经计算的声线数据进行保留，并按声线的初始俯仰角进行排序。搜索由声源到达接收点的本征声线时，如果需要计算的声线前面已经计算得到，可以根据声线的初始俯仰角从保存的结果中直接获得相应的声线数据，不再重复进行计算，即只对没有计算过的声线进行计算，并把计算获得的声线数据同样进行保存。计算由同一声源到达多个不同距离或深度接收点的本征声线时，采用相同的方法搜索由声源到达每一个接收点的本征声线将会有大量的声线需要重复进行计算。本发明的方法可以有效减少不必要的重复计算。

本发明的方法易于编程实现，可以应用于各种不同情况下求取本征声线的计算，并且有较高的计算效率。计算表明，对于不同的情况采用本发明方法求取本征声线与常规方法相比所需要的计算时间一般可以降低一个数量级以上。

(四)附图说明

图1-2为由本发明方法求取的相应的声速剖面下从声源到达接收阵各水听器传播时间最短的本征声线示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步具体说明：

在一定的海洋环境条件下，给定的声源发射声信号，由布放在另一给定位置的垂直接收阵的各个水听器进行接收。信号的传播时间可以根据声线的轨迹和海洋中的声速分布计算得到。根据本发明所述的方法求取由声源到达接收点传播时间最短的本征声线。图1-2为求取的相应声速剖面下从声源到达接收阵各水听器传播时间最短的本征声线示意图。求取本征声线的主要步骤为：

1、根据给定的声源和接收阵的位置得到声源、各个接收点的位置参数。声速及其他相关的环境参数直接给出或者随机产生；

2、分声线初始俯仰角大于零和小于零两种情况，分别以步长0.5°进行试算，得到传播时间最短的本征声线的初始俯仰角为α₁和α₂，选择分别以α₁和α₂为中心值±5°的角度区间范围作为下一步求取本征声线的角度搜索范围；

3、在确定的角度搜索范围内取步长为0.05°搜索求取相应传播时间最短的本征声线；

4、比较声线初始俯仰角大于零和小于零两种情况下计算得到的本征声线，两者结果中传播时间较短的即为所求的本征声线。

在步骤1中声速等环境参数可以直接给出或者随机产生，海洋环境介质可能为水平均匀或者水平非均匀的。图1-2中为水平均匀的海洋环境介质，声线在水平方位上不发生偏转。如果海洋环境条件在水平方位上存在一定的变化，声线在水平方位上也会发生变化。

在步骤2和步骤3中判断声线在水平方位上是否发生变化，如果变化，对每一根计算的声线进行方位角的迭代，利用声线到达接收点距离处的方位角相对接收点实际方位角的偏差对声线的初始方位角进行修正，使声线到达接收点距离处的方位角基本收敛于接收点相对于声源的实际方位角。计算时将前一根声线迭代收敛后的初始方位角作为下一根声线迭代前的初始方位角，以减少跌代计算的次数。

在步骤2和步骤3中，对已经计算的声线数据进行保留，并按声线的初始俯仰角进行排序。求取由声源到达其中一个接收点的本征声线时，如果需要计算的声线在前面的接收点求取相应的本征声线时已经计算得到，可以根据声线的初始俯仰角从保存的结果中直接获得相应的声线数据，不再重复进行计算。如果需要计算的声线没有已经保存的结果，进行声线的计算并保存相应的声线数据，同时按声线的初始俯仰角对保存的声线数据进行排序。

在步骤3中如果得到的本征声线误差较大(偏离接收点位置较远)，分别交替对本征声线的初始俯仰角和初始方位角进行修正直到所求本征声线满足计算精度的要求。