李 孟 周榮艷,2
(1.南陽理工學(xué)院 南陽 473000)(2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院 西安 710072)
隨著水聲信道建模技術(shù)的發(fā)展,衍生出很多建模技術(shù),例如,拋物線方程法、波數(shù)積分算法等都是基于聲傳播的射線理論[1~2]。聲場射線理論因其計算簡潔,尤為適合求解和距離相關(guān)的聲場環(huán)境的特點受到科研人員的追捧[3]。射線模型以聲場中的聲源和接收點為出發(fā)點,兩點間的連線即為本征聲線[4~5]。計算接收點上的聲場就因此被簡化了很多,只需知聲源和環(huán)境文件即可通過兩點之間形成的本征聲線進行計算,這使得仿真的過程變得更加簡單,并且只需要一個很小的基陣進行采樣便可以達(dá)到觀察大規(guī)模海洋聲學(xué)特征的目的[6]。
基于聲場射線模型的諸多特點,結(jié)合實際科研需要,本文采取基于BELLHOP射線模型的方法對水聲信道進行仿真研究。本文在Matlab開發(fā)仿真平臺上,對海洋水聲環(huán)境中的聲速剖面、幾何結(jié)構(gòu)、海底地形及聲波在海洋界面中的反射和折射損失等各種相關(guān)參數(shù)進行輸入和設(shè)置[7],通過基于Bell?hop模型程序的處理,得出海洋水聲環(huán)境中水聲聲波的幅度、入射角和通信時延等信息。提取與傳感器節(jié)點接收信號相關(guān)的傳遞函數(shù)參與運算,同時對聲線數(shù)目的多少與傳感器節(jié)點的最優(yōu)節(jié)點放置之間的關(guān)系進行研究。
BELLHOP模型是依據(jù)射線跟蹤從而在海洋環(huán)境之中預(yù)測聲壓的模型,是由 Porter和 Bueker[3]在1987年編寫的。這種射線跟蹤結(jié)構(gòu)使得其算法十分的簡單,它是基于幾何和物理的傳播規(guī)律,可以實現(xiàn)包括高斯波束和帽形波束等多種類型的射線。BELLHOP能產(chǎn)生各種有用的輸出信息,包括傳輸損耗,本征聲線,到達(dá)和接收的時間序列等。BELLHOP模型在600Hz-30kHz的頻率范圍內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)與理論模型比較相符,所以被指定為美國海軍海洋預(yù)報10-100kHz頻帶聲傳播的標(biāo)準(zhǔn)模型[7]。使用BELLHOP模型對水聲信道仿真能夠有效地預(yù)測信道的數(shù)據(jù)以及工作性能。
式(5)中P為程函,將這個解代入到Helmholtz方程中,并將實部與虛部分開,即可得到下面兩個關(guān)系式:的乘積,即為
方程(5)為實部,確定聲線的幾何形狀。方程(6)為虛部,確定聲波的振幅,這種函數(shù)分離是在假設(shè)幾何聲學(xué)近似條件成立的情況下才成立。射線理論模型不僅考慮了本征聲線,還考慮了折射-海面反射(RSR)、折射-海底反射(RBR)以及折射-海面反射-海底反射(RSRBR),為了考慮邊界作用以及體積效應(yīng)通常將海洋環(huán)境參數(shù)等物理模型并入到射線模型中[8]。
在Bellhop模型中可對海洋水聲環(huán)境中的聲速剖面、幾何結(jié)構(gòu)、海底地形及聲波在海洋界面中的反射和折射損失等各種相關(guān)參數(shù)進行輸入及設(shè)置,得出海洋水聲環(huán)境中聲波傳播的幅度和時延,由此得到從目標(biāo)聲源發(fā)射的信號到達(dá)傳感器節(jié)點處的傳遞函數(shù)h()
其中,narr表示到達(dá)的聲線個數(shù)。
將傳遞函數(shù)h(t)與目標(biāo)聲源的發(fā)射信號做卷積,即可得到各個節(jié)點處的接收信號。若是對在Bellhop模型中提取的所有聲線到達(dá)時延信息與幅度信息進行研究非常復(fù)雜且不現(xiàn)實[9],本文只考慮目標(biāo)聲源對應(yīng)于傳感器節(jié)點的所有路接收信號中的最大幅值,代表到達(dá)此傳感器節(jié)點處的接收信號,對應(yīng)于傳遞函數(shù)的最大值hmax。同時對于TOA之類的定位算法[10~11],只考慮節(jié)點處接收信號的最大幅度,也具有一定的現(xiàn)實意義。因此,本文中之后所用到傳遞函數(shù)h(t)均為hmax。
由上可知得到傳遞函數(shù)后,用傳遞函數(shù)與聲源發(fā)射信號做卷積,可得到陣列輸出信號,對陣列輸出信號進行波束形成處理,得到波束形成圖,通過波束形成的結(jié)果分析判斷信號是否存在。在上述水聲信道參數(shù)和傳播參數(shù)條件下,得到的傳遞函數(shù)如圖1所示。
圖1 傳遞函數(shù)圖
本節(jié)主要對基于BELLHOP的海洋聲場進行仿真和分析。目標(biāo)聲源的信號參數(shù)如下:fc=1000Hz,Ts=0.005s,B=700Hz,信號1m處的信噪比SNR=70;
海洋環(huán)境參數(shù)和信號傳播參數(shù)如下表1、2所示。
根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置,由Bellhop模型仿真得到水下聲線Munk圖,如下圖2所示。
由水下聲線Munk圖可知,聲線的疏密表征聲能的強度,聲線會聚的地方聲強大,聲線發(fā)散的地方聲強?。?2],當(dāng)聲源在500m深度時,畫出的傳遞函數(shù)h(t)等高線圖與水下Munk圖對比可發(fā)現(xiàn),傳遞函數(shù)h(t)變化與水下聲強的變化一致,即可用h(t)值來近似代表節(jié)點處于不同位置時接收信號的強弱。
表1 海洋環(huán)境參數(shù)表
表2 信號傳播參數(shù)
圖2 Bellhop模型仿真得到水下聲線Munk圖
圖3 聲源深度為500m時傳遞函數(shù)h(t)等高線圖
設(shè)聲源深度范圍為0~1000m,傳感器節(jié)點的深度范圍為0~1000m,聲源與傳感器之間的水平距離范圍為0~1200m,設(shè)置間隔為10m,即以10m為間隔將聲源深度、傳感器節(jié)點深度和水平距離劃分為101*101*121的矩陣,分別求出矩陣中的h(t)值,這樣能夠保證聲源與傳感器節(jié)點在不同深度和水平距離處,都可以通過臨近的h(t)計算得到傳感器節(jié)點的接收信號。
在本文中主要考慮單個目標(biāo)聲源在Bellhop模型下的最優(yōu)布局時與聲線數(shù)目的關(guān)系,假定聲源在[500,500]坐標(biāo)處,選取5個節(jié)點采用遺傳算法[]來進行布局。為了證明聲線設(shè)置的多少對布局結(jié)果的影響,分別在Bellhop的*.env文件中設(shè)置聲線個數(shù)為31條和161條來進行仿真。
聲線數(shù)為31時優(yōu)化布局結(jié)果如圖4(a)所示。之后,將節(jié)點放置于聲線圖中,由于此時的聲源為全向型點源,所以在*.env文件中設(shè)置發(fā)射角度為-180°~180°,此時聲源位于500m的深度,在聲線圖中點源的位置坐標(biāo)為[0 500],將節(jié)點的X軸坐標(biāo)-500,Y軸坐標(biāo)不變,將其表示在聲線圖中,如圖4(b)所示。由圖4(b)可知,最優(yōu)布局時的五個節(jié)點坐標(biāo)都位于聲線上。
聲線數(shù)為31時優(yōu)化布局和與聲線的關(guān)系如圖4中(a)和(b)所示。
圖4 聲線條數(shù)為31時候的5個節(jié)點布局圖和節(jié)點與聲線關(guān)系圖
設(shè)置同樣的數(shù)據(jù)和條件,只是將聲線數(shù)目變?yōu)?61,節(jié)點布局圖與聲線圖如圖5中(a)和(b)所示。
由圖4和圖5可知,無論聲線數(shù)目多少,優(yōu)化布局的節(jié)點位置始終置于聲線上。除此之外,針對于單個目標(biāo)聲源,選取5個節(jié)點采用自適應(yīng)遺傳算法對其進行最優(yōu)布局,可從圖中看出五個節(jié)點都布放于聲源周圍較近的位置,這一布局也符合文獻[10]的結(jié)論。
圖5 聲線條數(shù)為31時候的5個節(jié)點布局圖和節(jié)點與聲線關(guān)系圖
本文主要基于BELLHOP模型對水下信道進行仿真,并研究分析目標(biāo)聲源探測的方法和陣列最佳布放方法與聲線的關(guān)系。首先對水下聲場建?;驹磉M行介紹,利用BELLHOP模型對水下信道進行仿真并得到所需要相關(guān)輸出參數(shù),之后求得水聲信道中聲源到各個陣元的傳遞函數(shù),通過改變聲源位置參數(shù),得到各組相應(yīng)的傳遞函數(shù)。最后研究采用遺傳算法的最優(yōu)布局中節(jié)點的放置位置與聲線之間的關(guān)系。仿真實驗結(jié)果表明,采用傳遞函數(shù)能夠很好地對水聲信道中信號的傳播途徑模擬,此外,無論聲線數(shù)目的多少,最優(yōu)節(jié)點始終放置在聲線上。