Page 32 - 《应用声学》2023年第3期

470 2023 年 5 月

其中，h(τ − t) 为窗函数，研究中选择 Hamming 窗
2 数值仿真
函数。
信号的时域波形及利用 STFT 得到的时频分
2.1 发射信号仿真
析图如图3(a)、图3(b)所示。
主动发射信号为具有多普勒不变性质的双曲
调频 (Hyperbolic modulation frequency, HFM) 信 2.2 训练数据仿真
号，信号形式为 训练集声场环境如图 4 所示，声场干涉如图 5
 [ ]
( f 2 ) ( m ) 所示。声源和目标深度都位于 20 m，目标距离线
 0
exp −j 2π ln 1 − t ,

 列阵阵中心距离范围为 3 ∼ 13 km，间隔为 1 km，
 m f 0
s(t) = (6)
t ∈ [−T/2, T/2] , 水深 100 m，沉积层厚度为 10 m，沉积层声速为


 3
 1550 ∼ 1600 m/s，沉积层密度为1.6 g/cm ，沉积层
 0, else,
衰减为 0.3 dB/λ，基底层声速为 1650 m/s，基底层
其中，f 0 为时间中心频率 (也是能量平均意义上的
密度为 1.8 g/cm ，基底层衰减为 0.3 dB/λ，声速剖
3
中心频率)，m 为信号的调频斜率，T 为发射信号
面为 1540 ∼ 1500 m/s 均匀负梯度，目标散射系数
长度。
随机设定范围为0.3 ∼ 1，方位角范围为20 ∼ 170 ，
◦
◦
本文发射信号 s(t) 带宽为 1200 ∼ 1700 Hz，采
间隔为 1 ，利用声场仿真软件 Kraken，接收阵参数
◦
样率为 12 kHz，利用短时傅里叶变换 (Short time
为阵元数N = 96，阵元间隔d = 0.4 m。
Fourier transform, STFT) 可以得到其时频特征
˜ s(t, f)为 z s=20 m
100 m
˜ s(t, f) = STFT(s(τ)) c=1540~1500 m/s
∫
+∞
= s(τ)h(τ − t)e −j2πfτ dτ, (7) ොሥࡏ
−∞ 10 m c s =1550~1600 m/s c s
ρ s =1.6 g/cm
3
β s =0.3 dB/λ
1.0 ӧ௄ᬍ๒अ
c b=1650 m/s ρ b=1.8 g/cm 3 c b
β b=0.3 dB/λ
0.5
ॆʷӑࣨϙ 0 图 4 训练集声场环境模型
-0.5 Fig. 4 The sound field environment model of
training set
TL/dB
-1.0
1700 -20
-0.8 -0.4 0 0.4 0.8
1650
௑ᫎ/s -30
1600
(a) HFM ηՂ௑۫ฉॎ -40
1550
dB
1700 1500 -50
40
1650 ᮠဋ/Hz 1450
1600 -60
20 1400
1550 0 1350 -70
ᮠဋ/Hz 1500 -20 1300 -80
1450
1250
1400
1200 -90
1350 -40 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
ᡰሏ/km
1300
1250 -60
图 5 声场干涉结构
1200
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Fig. 5 Acoustic field interference structure
௑ᫎ/s
(b) HFM ηՂ௑ᮠѬౢڏ 验 证 集 参 数 改 为 声 源 和 目 标 深 度 都 位 于
图 3 HFM 信号仿真 40 m，目标距离线列阵阵中心距离范围为 14 km、
Fig. 3 HFM signal simulation 15 km，沉积层厚度为 15 m，沉积层声速为 1650 ∼