相關測速聲吶海底回波仿真系統設計

李丹丹，陳 龍，王長紅

(1. 中國科學院聲學研究所，北京 100190；2. 中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

海洋混響包含著許多物理、聲學特性，是影響聲吶性能的重要因素之一。對于工作于淺海的主動聲吶，海洋混響是主要的干擾信號；對于測速、測深以及成像聲吶，海洋混響是主要的研究對象。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，長期以來，國內外的學者對海底混響特性進行了大量的研究。由于組織進行海上實驗需要花費大量的人力物力，同時，仿真技術是一種可控制、無破壞性、耗費小、并允許多次重復的實驗手段，多數學者選擇建模仿真方法[1-5]，進行理論分析后，采用模擬仿真進行驗證分析，最終將其用于實際。

本文的研究工作主要基于相關測速聲吶，它的換能器基陣是平面陣，由一個發射子陣和數個接收陣元組成。發射陣元垂直向下發射聲波，入射角基本接近0°。提出了采用MVC模式構建相關測速聲吶海底回波仿真系統的設計方法，將數據、顯示和處理相分離，提高了程序的可維護性、可移植性、可擴展性與可重用性。并基于VC 6.0軟件開發平臺實現了相關測速聲吶海底回波仿真系統軟件，為海底回波空間相關函數特性的研究提供了便利的平臺。同時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際情況。

1 相關測速聲吶系統架構

相關測速聲吶的實時工作系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件系統一般分為水下分機和水上分機，主要包括換能器基陣、DSP處理機、數字顯示平臺、模擬分機等，完成信號的發射、接收和采集、存儲、處理和顯示等功能。軟件系統主要完成信號發射控制、回波采集、數據處理以及結果的顯示和保存等功能。

將相關測速聲吶系統的實際工作進行簡化，系統的架構主要包括以下4個模塊：信號發射、海洋散射回波、回波接收以及信號處理。如圖1所示。

圖1 相關測速聲吶系統架構Fig.1 The structure of the correlation sonar for velocity measurements

其中，信號發射模塊主要負責生成發射聲波。散射回波模塊負責形成各接收陣元的海底散射回波。回波接收模塊負責獲得散射回波，并進行數據截取、解調濾波等預處理工作。信號處理模塊負責對經過預處理的回波數據進行再處理，包括空間相關函數矩陣的計算、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致的聲散射引起的。很多學者在海底回波建模方面做了大量的工作[6-8]，本文只作出簡要的描述說明。

習慣上用海底回波散射截面來表征海底散射強度。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應的散射截面積；σv(θ)為海底沉積物單位面積單位立體角對應的散射截面積。

對應的海底回波強度為[8]

實際的海底沉積層介質具有分層或非均勻結構，是各向異性的。海底沉積物隨著掩埋深度的增加，由于壓實和固結等作用，一般有密度和聲速增大的趨勢。密度和聲波速度是研究海底聲波反射特性的重要參數。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雜，影響到海底表面反射損失、海底表面以及沉積層散射強度。空間相關函數根據接收陣元接收到的海底回波數據計算而來，這就使得海底沉積層密度梯度和速度梯度在空間相關特性的研究過程中具有重要意義。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作用形成。生物擾動作用是生物體對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作用，孔隙率不斷變小，密度不斷增大。由于沉積作用是持續進行的，后續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，生物擾動作用時間就越長，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，生物擾動作用最終將會停止。

海底沉積層密度是隨深度變化的函數，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。

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

2.2 反射系數的計算

假設海底沉積層介質為各向同性的流體時，聲波在海水與沉積層交界面上的反射系數一般表示為瑞利反射系數：

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，結合沉積層密度公式(3)，反射系數可表示為：

當ρ0≠ρw時，

其中，k為海水中聲波波數。

當ρ0=ρw時，

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。考慮到相關測速聲吶垂直向下發射聲波的工作特點，采用基爾霍夫模型對海底表面的散射回波進行建模。

根據基爾霍夫模型，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度；γ2為譜指數；h0為參考長度；Γ(·)為Gamma函數。

t時刻接收到的海底表面散射回波強度為[8]其中：Ix(t)為發射聲波強度；R=L/cosθ，L為發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；b(θ,?)為收發系統的指向性系數；θ1(t)和θ2(t)分別為t時刻散射區域對應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，σv0為體積散射系數，αb為聲波在沉積層中的衰減系數；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)為全反射時臨界角。則t時刻接

c收到的沉積層體積散射回波強度為[8]：

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

3 仿真系統軟件的設計與實現

MVC(Model-View-Controller)是一種軟件設計模式，它的設計思想是將一個應用的輸入、處理、輸出流程按照Model、View、Controller進行分離。模型(Model)負責數據管理，視圖(View)負責從模型中獲得信息，并在屏幕上加以顯示。控制器(Controller)負責對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應關系，協調著模型和視圖的工作。

MFC文檔-視圖結構是在MVC支撐下軟件界面體系結構的一個具體應用模型。文檔用來管理和保存數據，視圖用來顯示數據。本文采用MVC設計模式，基于MFC文檔-視圖結構來實現仿真系統軟件，有利于軟件的功能擴展和后期維護。

3.1 模型部分

模型是仿真軟件的主體部分，主要包括業務邏輯模塊和數據模塊。

依據上述相關測速聲吶的系統架構，業務邏輯模塊主要完成生成發射信號、模擬海底散射過程、接收回波數據，處理回波數據。圖2給出了工作流程圖。

數據模塊使用一個數據類，相當于一個數據庫，定義各種數據格式以及共享數據變量等，并實現簡單的數據讀取、存儲等功能。文檔類負責從數據庫中獲取需要顯示的各種數據，并進行一些簡單的數據轉換，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引擎類來實現，負責接收來自界面的請求，如參數設置請求、開始仿真請求。將其交給模型進行處理。

圖3為用戶參數設置界面，引擎類需接收的參數有：

(1) 系統的收發綜合開角。相關測速聲吶發射陣元垂直向下發射聲波，發射開角為 30°，接收開角為60°，系統的收發綜合開角為19.0°，發射聲波呈圓錐形。

(2) 聲波入射角度。根據相關測速聲吶工作特點，默認入射角度為90°。

(3) 獨立仿真次數。在計算空間相關函數時，采用多次獨立仿真求平均的方法。

(4) 海底深度。相關測速聲吶的作用距離。

(5) 沉積物平均粒徑的φ值。該參數表征各種沉積物類型，區分不同海底地質。

(6) 脈沖填充數(Q值)。使用的發射聲波是經過載波調制的寬帶偽隨機信號，Q值用于調節發射信號帶寬。

(7) 密度分布參數(a)。表征沉積層密度梯度的大小，當密度分布參數的值為零時，根據式(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。用于發射信號的形成。

圖3 用戶參數設置界面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模型可以對應多個視圖。本文采用切分靜態視圖來實現單文檔多視圖，即將主框架窗口劃分為幾個子窗口，每個子窗口代表一個視圖，內容由對應的視圖來管理，所有的視圖各自與文檔相關聯，從文檔獲得數據。各視圖分別用于仿真參數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、回波的空間相關函數以及沉積層密度梯度的圖形顯示。效果圖如圖4所示。該仿真結果采用表1所示仿真參數，考慮沉積層的密度梯度，密度分布參數為50/m。

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

表1 仿真參數Table 1 Parameters of simulation

仿真參數直接影響回波空間相關函數。本文所設計的仿真軟件可根據用戶的需求，在不同仿真參數下進行回波仿真，并將結果以圖形的形式呈現給用戶，便于用戶觀察分析仿真結果。

4 結 論

本文通過搭建相關測速聲吶的仿真系統，基于MVC設計模式，分別從模型、視圖、控制三部分完成了相關測速聲吶海底回波仿真系統軟件的設計與實現，為海底回波相關函數特性的研究提供了便利的平臺，同時，為仿真軟件今后的擴展和維護提供了方便。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際情況。

今后研究的重點將立足于海底混響的物理機制，考慮復雜海底地形情況，逐步完善相關測速聲吶海底回波仿真軟件。

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