距离相关条件下水声信道冲击响应函数计算方法研究

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为提升与距离相关条件下阵元级信号仿真的逼真性和实时性,本文针对现有的简正波模型、抛物近似模型以及射线模型在进行阵元级信号仿真中的局限性,开展了与距离相关条件下的水声信道传播特性和信道冲击响应函数计算方法优化研究。
  针对KRAKEN模型不能计算与距离相关信道传播特性的局限性,对基于绝热耦合简正波理论的MOATL模型进行了改进,利用本征函数归一化公式,实现了MOATL模型本征函数归一化计算,增加了信道频率响应函数计算所需的特征值、本征函数等参数的输出功能。在此基础上,实现了环境参数水平缓慢变化的海洋信道冲击响应函数计算,弥补了MOATL 模型仅能计算信道传播损失的不足。针对MOATL 模型在计算多频点、多环境参数传播特性时,环境文件配置复杂的缺点,引入频率分辨率参数参与MOATL模型计算,使用程序脚本改善MOATL 模型调用方式,简化了MOATL 模型环境文件,提高了MOATL模型的易用性。
  针对传统傅里叶合成法宽带信号建模所需频率分辨率高、计算量大的问题,提出了基于绝热耦合简正波水平波数理论算式的特征值插值方法,推导了绝热耦合简正波特征值实部和虚部插值公式。在减少传播模型代码调用次数的同时,实现了高分辨率傅里叶合成法水声宽带信号建模。仿真结果表明,在保证仿真精度的要求下,计算量可下降90%,在20Hz分辨率情况下,计算量可下降95%。
  针对RAM模型仅能输出信道频率响应计算结果,而用于频率响应插值和信道冲击响应函数优化的特征值、本征函数、群速度等参数缺失的问题,提出了基于能量-群延时联合筛选准则的信道冲击响应函数窗口优化算法,实现了对信道冲击响应函数的窗口起始时间和窗口时间长度的合理优化。仿真结果表明,与传统傅里叶合成算法相比,信道冲击响应函数窗长可减少90%,信道频率响应相似度达到0.99。
  针对 BELLHOP 模型在不同海洋环境参数、声源频率、声源-接收器相对位置等条件下,本征声线数波动较大,单一的筛选准则难以兼顾阵元级信号仿真的实时性和逼真性问题,设计了兼顾能量准则和时延准则的遗传算法适应度函数,提出了基于遗传算法的本征声线筛选准则,实现了在多种应用场景下的BELLHOP模型本征声线筛选。仿真结果表明,与单一的时延准则和能量准则相比,本征声线筛选结果既保留了大部分本征声线能量,也有效地减少了信道冲击响应函数持续时间。
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