入射声场与散射声场分离方法、系统、装置及其存储介质与流程

：
1.本发明涉及声场分析领域，尤其是指一种入射声场与散射声场分离方法、系統、装置及其存储介质。


背景技术：

2.本发明公开了一种基于平面波和球面波展开的水下目标入射与散射声场分离方法，其特征是根据水下目标声散射分离的应用场景得来，首先，水下探测声源位于目标散射体的远场区域，故目标表面的入射声场可看作平面波叠加，其次，球面波叠加声场模型能够对实际工程中任意目标表面散射声场进行描述，无需目标是圆柱体或球体等规则形状。在目标表面近场区域布置两个测量全息面，获取全息面上复声压，基于平面波和球面波展开的统计最优近场声全息技术，构建双全息面的声场关系矩阵，实现水下目标表面散射声场分离。本发明采用统计最优声全息技术，散射体和测量全息面均允许任意形状，采用探测声场平面波展开、散射声场球面波展开的声场模型，适用条件宽、计算稳定性好，适用于水下远场探测声源作用于实际工程中任意目标的近场散射声场分离。
3.所以急需一种入射声场与散射声场分离方法，有助于解决现有技术缺乏一种入射声场和散射声场分离算法的技术问题。


技术实现要素：

4.在一实施例中，本发明提供了一种入射声场与散射声场分离方法，通过设置不同内全息面和外全息面上传感器，利用入射声场平面波叠加模型展开和散射声场球面波叠加模型展开，最终再通过矩阵求逆得到分离后的入射声场和散射声场，有助于解决现有技术缺乏一种入射声场和散射声场分离算法的技术问题。
5.所述入射声场与散射声场分离方法：
6.在目标表面近场区域布置内全息面和外全息面，并测得所述内全息面的复声压和所述外全息面的复声压；
7.水下远场声源作用在圆柱体目标表面的入射声场采用平面波叠加模型展开，目标表面散射采用球面波叠加模型展开，并通过统计最优声全息法计算模型展开系数得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全息面的第二入射声压的第一关系式，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压的第二关系式；
8.通过矩阵求逆得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全息面的第二入射声压，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压实现分离。
9.在一实施例中，所述内全息面分布n个传感器，所述外全息面分布m个传感器，以测得所述内全息面的复声压和所述外全息面的复声压。
10.在一实施例中，具体解算公式为：
11.所述内全息面上任意一点的复声压为：
12.p1(r)；
13.入射声场在该点的复声压为：
14.p
1i
(r)；
15.散射声场在该点的复声压为：
16.p
1s
(r)；
17.所述外全息面上任意一点的复声压为：
18.p2(r)；
19.入射声场在该点的复声压为：
20.p
2i
(r)；
21.散射声场在该点的复声压为：
22.p
2s
(r)；
23.p1(r)＝p
1i
(r)+p
1s
(r)
24.p2(r)＝p
2i
(r)+p
2s
(r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0025][0026][0027]
由此构建如下声场关系，
[0028][0029]
其中，i为单位阵；
[0030][0031][0032]
在一实施例中，算法的具体描述：
[0033]
入射声场假定为频率为f的平面波叠加声场，水中声速为c,波数为k＝2πf/c，任意点声压可表示为无数个平面传播波和平面倏逝波的叠加，
[0034][0035]
p(k
x
,ky)为平面波角谱，将上式转化为矩阵乘法表示形式，
[0036][0037]
其中k
x
,ky,kz分别对应空间波数矢量k＝(k
x
,ky,kz)在直角坐标x,y,z方向的三个分量,且
[0038]
[0039]
所述内全息面上第n个传感器处rn＝(x,y,z)的入射声场的复声压可表示为：
[0040][0041]
全息面2上所有n个传感器处的入射声场的复声压可表示为
[0042][0043]
根据相同波数矢量的单元平面波具有可叠加性，cn可以由下式得到：
[0044]cn
＝(a
+
a+θ2i)-1a+bꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0045]
系数矩阵c则为：
[0046][0047]
对于任意不规则散射体，散射声场模型为频率为f的球面叠加声场，水中声速为c,波数为k＝2πf/c，源面半径为rs，散射体表面附近任意点散射声压可表示为无数个球面传播波和球面倏逝波的叠加，
[0048][0049]
其中，h
n(1)
(krr)为n阶第一类球汉克尔函数为球谐函数
[0050][0051]
其中，为关联legendre函数，右上角星号表示复共轭；
[0052]
将上式转化为矩阵乘法表示形式，
[0053][0054]
其中，km表示一系列模态分量{k1,
…
,km}＝{(n,m)∣0≤n≤nc,-n≤m≤n}的第m个波数矢量km，则表示km对应的对应的表示km对应的为单元球面波函数；
[0055]
所述外全息面上第n个传感器处的散射声场的复声压可表示为
[0056][0057]
所述内全息面上所有n个传感器处的散射声场的复声压可表示为
[0058][0059]
根据相同波数矢量的单元球面波具有可叠加性，dn可以由下式得到：
[0060]dn
＝(a
+
a+θ2i)-1a+b[0061]
系数矩阵d则为在一实施例中，本发明提供了一种入射声场与散射声场分离装置，所述装置包括：
[0062]
布置模块，用于在目标表面近场区域布置内全息面和外全息面，并测得所述内全息面的复声压和所述外全息面的复声压；
[0063]
展开模块，用于水下远场声源作用在圆柱体目标表面的入射声场采用平面波叠加模型展开，目标表面散射采用球面波叠加模型展开，并通过统计最优声全息法计算模型展开系数得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全息面的第二入射声压的第一关系式，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压的第二关系式；
[0064]
分离模块，通过矩阵求逆得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全息面的第二入射声压，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压实现分离。
[0065]
在一实施例中，本发明还提供了一种入射声场与散射声场分离装置，所述装置包括：处理器和存储器；
[0066]
所述存储器中存储有可被所述处理器执行的应用程序，用于使得所述处理器执行所述的入射声场与散射声场分离方法的步骤。
[0067]
在一实施例中，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现所述入射声场与散射声场分离方法的步骤。
附图说明：
[0068]
图1为本发明一实施例中一种入射声场与散射声场分离方法的流程示意图；
[0069]
图2为本发明另一实施例中内全息面的测量点分布图；
[0070]
图3为本发明另一实施例中外全息面的测量点分布图；
[0071]
图4为本发明另一实施例中内全息面总声场的幅度示意图；
[0072]
图5为本发明另一实施例中内全息面总声场的相位示意图；
[0073]
图6为本发明另一实施例中内全息面散射场的幅度示意图；
[0074]
图7为本发明另一实施例中内全息面散射场的相位示意图；
[0075]
图8为本发明另一实施例中外全息面总声场的幅度示意图；
[0076]
图9为本发明另一实施例中外全息面总声场的相位示意图；
[0077]
图10为本发明另一实施例中外全息面散射场的幅度示意图；
[0078]
图11为本发明另一实施例中外全息面散射场的相位示意图；
[0079]
图12为本发明另一实施例中内全息面总声场空间域幅度示意图；
[0080]
图13为本发明另一实施例中球面波谱幅度示意图；
[0081]
图14为本发明另一实施例中外全息面散射场真值幅度的示意图；
[0082]
图15为本发明另一实施例中外全息面散射场估值幅度的示意图；
[0083]
图16为本发明另一实施例中外全息面散射场幅度误差的示意图；
[0084]
图17为本发明另一实施例中内全息面散射场真值相位的示意图；图18为本发明另一实施例中内全息面散射场估计值相位的示意图；图19为本发明另一实施例中内全息面散射场相位误差的示意图
具体实施例：
[0085]
在一实施例中，图1为本发明一实施例中一种入射声场与散射声场分离方法的流程示意图；图2为本发明另一实施例中内全息面的测量点分布图；图3为本发明另一实施例中外全息面的测量点分布图；图4为本发明另一实施例中内全息面总声场的幅度示意图；图5为本发明另一实施例中内全息面总声场的相位示意图；图6为本发明另一实施例中内全息面散射场的幅度示意图；图7为本发明另一实施例中内全息面散射场的相位示意图；图8为本发明另一实施例中外全息面总声场的幅度示意图；图9为本发明另一实施例中外全息面总声场的相位示意图；图10为本发明另一实施例中外全息面散射场的幅度示意图；
[0086]
图11为本发明另一实施例中外全息面散射场的相位示意图；图12为本发明另一实施例中外全息面散射场真值幅度的示意图；图13为本发明另一实施例中外全息面散射场估值幅度的示意图；图14为本发明另一实施例中外全息面散射场幅度误差的示意图；图15为本发明另一实施例中内全息面散射场真值相位的示意图；图16为本发明另一实施例中内全息面散射场估计值相位的示意图；图17为本发明另一实施例中内全息面散射场相位误差的示意图。
[0087]
本发明涉及声场分离领域，具体涉及一种基于平面波和球面波展开的水下目标入射与散射声场分离方法，适用于水下远场探测声源作用于实际工程中任意目标的近场散射声场分离、声全息测量和反射系数的测量等。
[0088]
如图1至图19所示，本发明提供了一种入射声场与散射声场分离方法，所述入射声场与散射声场分离方法：
[0089]
s101,在目标表面近场区域布置内全息面和外全息面，并测得所述内全息面的复声压和所述外全息面的复声压.
[0090]
在本步骤中提供了一种在目标表面近场区域布置内全息面和外全息面，并测得所述内全息面的复声压和所述外全息面的复声压的具体步骤。
[0091]
s102,水下远场声源作用在圆柱体目标表面的入射声场采用平面波叠加模型展开，目标表面散射采用球面波叠加模型展开，并通过统计最优声全息法计算模型展开系数
得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全息面的第二入射声压的第一关系式，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压的第二关系式。
[0092]
在本步骤中提供了一种通过入射声场采用平面波叠加模型展开和采用球面波叠加模型展开的具体步骤。
[0093]
s103,通过矩阵求逆得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全息面的第二入射声压，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压实现分离。
[0094]
在本步骤中提供了一种通过矩阵求逆得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全5息面的第二入射声压，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压实现分离的具体步骤。
[0095]
在本实施例中提供了一种入射声场与散射声场分离方法的具体实施方式。
[0096]
在目标表面近场区域布置两个测量面，记作内全息面h1和外全息面h2，内全息面h1上分布n个传感器，外全息面h2上分布m个传感器。内全息面h1上任意一点r＝(x,y,z)的复声压为p1(r)，入射声场在该点的复声压为p
1i
(r)，散射声场在该点的复声压为p
1s
(r)。外全息面h2上任意一点r＝(x,y,z)的复声压为p2(r)，入射声场在该点的复声压为p
2i
(r)，散射声场在该点的复声压为p
2s
(r)。
[0097]
p1(r)＝p
1i
(r)+p
1s
(r)
[0098]
p2(r)＝p
2i
(r)+p
2s
(r)
[0099]
水下远场声源作用在圆柱体目标表面的入射声场采用平面波叠加模型，目标表面散射5声场采用球面波叠加模型。
[0100]
应用平面波展开入射声场模型与球面波展开散射声场模型的统计最优声全息法，根据入射声场模型构建全息面1上入射声压和全息面2上入射声压的关系，根据散射声场模型构建全息面1上散射声压和全息面2上散射声压的关系。
[0101]
在一实施例中，所述内全息面分布n个传感器，所述外全息面分布m个传感器，以测得所述内全息面的复声压和所述外全息面的复声压。
[0102]
在一实施例中，具体解算公式为：
[0103]
所述内全息面上任意一点的复声压为：
[0104]
p1(r)；
[0105]
入射声场在该点的复声压为：
[0106]
p
1i
(r)；
[0107]
散射声场在该点的复声压为：
[0108]
p
1s
(r)；
[0109]
所述外全息面上任意一点的复声压为：
[0110]
p2(r)；
[0111]
入射声场在该点的复声压为：
[0112]
p
2i
(r)；
[0113]
散射声场在该点的复声压为：
[0114]
p
2s
(r)；
[0115]
p1(r)＝p
1i
(r)+p
1s
(r)
[0116]
p2(r)＝p
2i
(r)+p
2s
(r)
[0117][0118][0119]
由此构建如下声场关系，
[0120][0121]
其中，i为单位阵；
[0122][0123][0124]
4、根据权利要求3所述的入射声场与散射声场分离方法，其特征在于，算法的具体描述：
[0125]
入射声场假定为频率为f的平面波叠加声场，水中声速为c,波数为k＝2πf/c，任意点声压可表示为无数个平面传播波和平面倏逝波的叠加，
[0126][0127]
p(k
x
,ky)为平面波角谱，将上式转化为矩阵乘法表示形式，
[0128][0129]
其中k
x
,ky,kz分别对应空间波数矢量k＝(k
x
,ky,kz)在直角坐标x,y,z方向的三个分量,且
[0130][0131]
所述内全息面上第n个传感器处rn＝(x,y,z)的入射声场的复声压可表示为：
[0132][0133]
全息面2上所有n个传感器处的入射声场的复声压可表示为
[0134][0135]
根据相同波数矢量的单元平面波具有可叠加性，cn可以由下式得到：
[0136]cn
＝(a
+
a+θ2i)-1a+bꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0137]
系数矩阵c则为：
[0138][0139]
对于任意不规则散射体，散射声场模型为频率为f的球面叠加声场，水中声速为c,波数为k＝2πf/c，源面半径为rs，散射体表面附近任意点散射声压可表示为无数个球面传播波和球面倏逝波的叠加，
[0140][0141]
其中，h
n(1)
(krr)为n阶第一类球汉克尔函数为球谐函数
[0142][0143]
其中，为关联legendre函数，右上角星号表示复共轭；
[0144]
将上式转化为矩阵乘法表示形式，
[0145][0146]
其中，km表示一系列模态分量{k1,
…
,km}＝{(n,m)∣0≤n≤nc,-n≤m≤n}的第m个波数矢量km，则表示lm对应的对应的表示km对应的为单元球面波函数；
[0147]
所述外全息面上第n个传感器处的散射声场的复声压可表示为
[0148][0149]
所述内全息面上所有n个传感器处的散射声场的复声压可表示为
[0150][0151]
根据相同波数矢量的单元球面波具有可叠加性，dn可以由下式得到：
[0152]dn
＝(a
+
a+θ2i)-1a+
b系数矩阵d则为
在一实施例中，本发明提供了一种入射声场与散射声场分离装置，所述装置包括：
[0153]
布置模块，用于在目标表面近场区域布置内全息面和外全息面，并测得所述内全息面的复声压和所述外全息面的复声压；
[0154]
展开模块，用于水下远场声源作用在圆柱体目标表面的入射声场采用平面波叠加模型展开，目标表面散射采用球面波叠加模型展开，并通过统计最优声全息法计算模型展开系数得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全息面的第二入射声压的第一关系式，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压的第二关系式；
[0155]
分离模块，通过矩阵求逆得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全息面的第二入射声压，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压实现分离。
[0156]
另外，为模拟水下远场探测声源入射到目标产生散射回波的场景，入射声场采取平面波叠加声场模型，散射波采取球面波叠加的声场模型。入射声场为3000hz单位幅值的x轴方向传播的平面波，散射体为半径0.5m的球壳模型，在圆柱体表面取半径为1m的内全息面和半径为1.2m的外全息面，水听器在内全息面上以弧度间隔pi/10在空间等角度分布，外全息面则取俯仰角
±
15
°
呈五条圆形线阵分布。内外全息面上水听器分布如图2所示。
[0157]
设置球面波声场截断阶数nc为30，根据内外全息面上各测量点坐标，则可以求解出矩阵d。
[0158]
入射场平面波的波数分解到xoy平面上-60
°‑
60
°
范围，利用式求解出对应
[0159]kx
[0160]ky
[0161]
求解出矩阵c：
[0162]
将内全息面和外全息面上总声场复声压表示为列向量求出的矩阵c和矩阵d构建出系数矩阵：
[0163][0164]
求解出全息面1的散射声压
[0165]
p
1s
全息面2的入射声压p
2i
。
[0166]
利用上述声场分离方法得到了内全息面上的散射场估值，下面分别给出内全息面上的散射场的幅度和相位的真实值、估计值以及误差。
[0167]
在一实施例中，本发明还提供了一种入射声场与散射声场分离装置，所述装置包括：处理器和存储器；
[0168]
所述存储器中存储有可被所述处理器执行的应用程序，用于使得所述处理器执行如所述的入射声场与散射声场分离方法的步骤。
[0169]
在一实施例中，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述入射声场与散射声场分离方法的步骤。

技术特征：
1.一种入射声场与散射声场分离方法，其特征在于，所述入射声场与散射声场分离方法：在目标表面近场区域布置内全息面和外全息面，并测得所述内全息面的复声压和所述外全息面的复声压；水下远场声源作用在圆柱体目标表面的入射声场采用平面波叠加模型展开，目标表面散射采用球面波叠加模型展开，并通过统计最优声全息法计算模型展开系数得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全息面的第二入射声压的第一关系式，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压的第二关系式；通过矩阵求逆得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全息面的第二入射声压，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压实现分离。2.根据权利要求1所述的入射声场与散射声场分离方法，其特征在于，所述内全息面分布n个传感器，所述外全息面分布m个传感器，以测得所述内全息面的复声压和所述外全息面的复声压。3.根据权利要求2所述的入射声场与散射声场分离方法，其特征在于，具体解算公式为：所述内全息面上任意一点的复声压为：p1(r)；入射声场在该点的复声压为：p
1i
(r)；散射声场在该点的复声压为：p
1s
(r)；所述外全息面上任意一点的复声压为：p2(r)；入射声场在该点的复声压为：p
2i
(r)；散射声场在该点的复声压为：p
2s
(r)；p1(r)＝p
1i
(r)+p
1s
(r)p2(r)＝p
2i
(r)+p
2s
(r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)(1)由此构建如下声场关系，其中，i为单位阵；
4.根据权利要求3所述的入射声场与散射声场分离方法，其特征在于，算法的具体描述：入射声场假定为频率为f的平面波叠加声场，水中声速为c,波数为k＝2πf/c，任意点声压可表示为无数个平面传播波和平面倏逝波的叠加，p(k
x
,k
y
)为平面波角谱，将上式转化为矩阵乘法表示形式，其中k
x
,k
y
,k
z
分别对应空间波数矢量k＝(k
x
,k
y
,k
z
)在直角坐标x,y,z方向的三个分量,且所述内全息面上第n个传感器处r
n
＝(x,y,z)的入射声场的复声压可表示为：全息面2上所有n个传感器处的入射声场的复声压可表示为根据相同波数矢量的单元平面波具有可叠加性，c
n
可以由下式得到：c
n
＝(a
+
a+θ2i)-1
a
+
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)系数矩阵c则为：对于任意不规则散射体，散射声场模型为频率为f的球面叠加声场，水中声速为c,波数为k＝2πf/c，源面半径为r
s
，散射体表面附近任意点散射声压可表示为无数个球面传播波
和球面倏逝波的叠加，其中，h
n(1)
(k
r
r)为n阶第一类球汉克尔函数为球谐函数其中，为关联legendre函数，右上角星号表示复共轭；将上式转化为矩阵乘法表示形式，其中，k
m
表示一系列模态分量{k1,
…
,k
m
}＝{(n,m)∣0≤n≤n
c
,-n≤m≤n}的第m个波数矢量k
m
，则表示k
m
对应的对应的表示k
m
对应的为单元球面波函数；所述外全息面上第n个传感器处的散射声场的复声压可表示为所述内全息面上所有n个传感器处的散射声场的复声压可表示为根据相同波数矢量的单元球面波具有可叠加性，d
n
可以由下式得到：d
n
＝(a
+
a+θ2i)-1
a
+
b系数矩阵d则为5.一种入射声场与散射声场分离装置，其特征在于，所述装置包括：布置模块，用于在目标表面近场区域布置内全息面和外全息面，并测得所述内全息面的复声压和所述外全息面的复声压；展开模块，用于水下远场声源作用在圆柱体目标表面的入射声场采用平面波叠加模型展开，目标表面散射采用球面波叠加模型展开，并通过统计最优声全息法计算模型展开系数得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全息面的第二入射声压的第一关系式，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压的第二关系式；
分离模块，通过矩阵求逆得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全息面的第二入射声压，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压实现分离。6.一种入射声场与散射声场分离装置，其特征在于，所述装置包括：处理器和存储器；所述存储器中存储有可被所述处理器执行的应用程序，用于使得所述处理器执行如权利要求1至4中任一项所述的入射声场与散射声场分离方法的步骤。7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1至4任一项所述入射声场与散射声场分离方法的步骤。

技术总结
本发明提供了一种入射声场与散射声场分离方法，所述入射声场与散射声场分离方法：在目标表面近场区域布置内全息面和外全息面，并测得所述内全息面的复声压和所述外全息面的复声压；水下远场声源作用在圆柱体目标表面的入射声场采用平面波叠加模型展开，目标表面散射采用球面波叠加模型展开；通过矩阵求逆得到所述内全息面的第一入射声压和所述外全息面的第二入射声压，以及所述内全息面的第一散射声压和所述外全息面的第二散射声压实现分离。通过设置不同内全息面和外全息面上传感器，最终再通过矩阵求逆得到分离后的入射声场和散射声场，有助于解决现有技术缺乏一种入射声场和散射声场分离算法的技术问题。和散射声场分离算法的技术问题。和散射声场分离算法的技术问题。


技术研发人员：张丽红 闫孝伟 何元安 胡宇安 李正凯 李鋆
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司系统工程研究院
技术研发日：2022.12.31
技术公布日：2023/8/9