阅读说明：本技术 一种基于adcp测流信号的混响参数反演方法 (Reverberation parameter inversion method based on ADCP flow measurement signal ) 是由 王忠康 胡长和 郭冉 韩礼波 冯宏 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于ADCP测流信号的混响参数反演方法。具体操作步骤如下：S1：获取由ADCP测得的目标航次中不同剖面层的实际回波数据,筛选得到用于反演的有效数据；S2：根据ADCP中内置的原始TVC放大公式对有效数据进行还原处理,得到各有效数据点未经TVC放大的真实回声信号声级；S3：以传播距离为自变量,真实回声信号声级为因变量,根据理论回波强度公式对步骤S2得到的有效数据点进行拟合,得到拟合曲线和a、A的真实值；S4：基于S3中获得的A值,进一步计算得到体积散射强度S<Sub>V</Sub>的真实值。本发明具有直观、简介明了、易操作、针对性强的特点,可以克服目前混响参数取经验数值无法符合实际海域的不足,精确的反演出混响参数,为后续科研提供精确数据。(The invention discloses a reverberation parameter inversion method based on an ADCP flow measurement signal. The specific operation steps are as follows: s1: acquiring actual echo data of different profile layers in a target voyage measured by ADCP, and screening to obtain effective data for inversion; s2: restoring the effective data according to an original TVC amplification formula built in the ADCP to obtain the real echo signal sound level of each effective data point without TVC amplification; s3: fitting the effective data points obtained in the step S2 according to a theoretical echo intensity formula by taking the propagation distance as an independent variable and the sound level of the real echo signal as a dependent variable to obtain a fitting curve and real values of a and A; s4: based on the value A obtained in S3, the volume scattering intensity S is further calculated V The true value of (d). The method has the characteristics of intuition, brief introduction, easy operation and strong pertinence, can overcome the defect that the experience value of the current reverberation parameter can not accord with the actual sea area, can accurately invert the reverberation parameter, and provides accurate data for subsequent scientific research.)

一种基于ADCP测流信号的混响参数反演方法

技术领域

本发明涉及一种基于ADCP测流信号的混响参数的反演方法，包括吸收系数、体积散射强度，尤其适用于不同海域精确混响参数的计算。

背景技术

信号在海水中传播，会由于声吸收和声扩展等因素产生衰减。随着传播距离的不断增大，衰减也越来越大，最终到达换能器的接收信号能量越小，对应的信号幅值就越小，增加了信号处理的难度。因此，在信号预处理中，采用TVC曲线放大的方式，使得不同距离处的回波信号幅值保持在一定范围，进一步减小了信号后处理的难度。

声呐方程的功能之一是对已有的声呐设备进行性能预测，可以通过推导得到所设计声呐的理论作用距离，同理，可以计算出不同距离处的回波信号强度，进而计算出不同距离所对应的接收时刻TVC曲线的放大倍数。因此TVC曲线参数的设置与声呐方程有着很大联系。

现有技术中声呐方程参数数值以经验参数为准，如体积散射强度S_V，海水介质的吸收系数a。在ADCP实际使用过程中，经过的水域不同，参数的数值也应不同；同一片水域的测量，时间季节不同，参数数值也应不同。采用经验参数无法精确的设置TVC曲线公式。因此造成了TVC曲线参数设置不准确的问题，进而影响设备精度，有待于提供一种更为精确的混响参数反演方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种基于ADCP测流信号的混响参数反演方法，能够精确的反演出混响参数，为设备TVC曲线的设置提供数据基础，提高设备精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于ADCP测流信号的混响参数反演方法，其包括以下步骤：

S1：获取由ADCP测得的目标航次中不同剖面层的实际回波数据，筛选得到用于反演的有效数据；

S2：根据ADCP中内置的原始TVC放大公式对有效数据进行还原处理，得到各有效数据点未经TVC放大的真实回声信号声级；

S3：以传播距离为自变量，真实回声信号声级为因变量，根据理论回波强度公式(1)对步骤S2得到的有效数据点进行拟合，得到拟合曲线和a、A的真实值；

RL＝A-20log₁₀(R)-2aR (1)

其中：RL为接收换能器上的真实回声信号声级；A为不随传播距离改变的定值；R为传播距离；a为吸收损失；

S4：基于S3中获得的A值，根据公式(2)进一步计算得到体积散射强度S_V的真实值；

其中：SL表示声源级；θ_-3dB表示换能器的-3dB束宽；L为层厚。

作为优选，所述S1中，选择速度较平稳、不存在无效数据且层与层之间无突变的若干剖面层，用于反演。

进一步的，所述若干剖面层选择TVC完全放开后的剖面层。

进一步的，所述S1中，每个剖面层中的数据需预先经过异常值剔除处理。

作为优选，所述曲线拟合采用的方法为最小二乘法。

本发明的有益效果是，可以得到精确的混响参数，同时对TVC参数进行了修正，以解决TVC曲线参数设置不准确的问题，进一步提高设备精度。本发明具有直观简洁、易操作、针对性强的特点，可以克服目前混响参数取经验数值无法符合实际海域的不足，精确的反演出混响参数，为后续研究提供精确数据。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为某春季航次数据运算剖面层的选择依据，(a)～(c)分别代表第8～10层的合成速度曲线图；

图3为选取某春季航次数据按照本发明

具体实施方式

得到的四个波束分别的平均回声信号级随距离的变化曲线以及拟合曲线图，(a)～(d)分别代表0～3号波束。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的解释说明。

本发明中，提供的基于ADCP测流信号的混响参数反演主要由理论回波强度公式，实际回波强度数据生成，曲线拟合三部分组成。其中，理论回波强度公式是作为拟合曲线的生成公式，它是通过声呐方程，同时结合ADCP具体设备参数推导得到不同距离回波强度的理论计算公式(公式中包含混响参数作为未知数)。实际回波强度数据生成是通过实际测流数据，结合ADCP具体设置精确计算得到的随不同传播距离对应的实际回波强度。曲线拟合是以实际回波强度数据作为基准，通过理论回波强度公式得进行拟合，到理论回波强度曲线，进而得到混响参数的准确估计值。

在叙述详细的混响参数反演方法之前，本发明先具体介绍理论回波强度公式的推导过程：

a)声学多普勒流速剖面仪(以下简称ADCP)测流时是以海水体积混响为目标的主动声呐工作方式，声纳方程为：

SL-2TL+TS-(NL-DI)＝DT

其中：SL表示声源级，传播损失用TL表示，TS表示目标强度，NL表示海洋环境噪声级，接收指向性指数用DI表示，DT为检测阀。

b)加到接收换能器上回声信号的声级为：

RL＝SL-2TL+TS

RL＝SL-2TL+TS

c)单程传播损失TL包括了海水介质传播损失和介质吸收损失，可以表示为：

TL＝20*log10(R)+a*R

其中：R为传播距离，a为吸收系数。

d)目标强度TS可以表示为：

TS＝S_V+10*log10(V)

e)体积散射强度S_V是海洋中的散射体对声波的散射本领的反应。体积散射强度取值范围在-90～-70dB(忽略深海散射层)，在一次走航中认为是定值。ADCP中的圆板型换能器的-3dB束宽记为：θ_-3dB(计算时应转化为弧度)，散射体积为：其中L为层厚。

联立以上各式，推出不同距离处的回波信号强度理论计算公式：

RL＝A-20log10(R)-2aR

其中：A为不随传播距离改变的定值，其表达式为：

基于上述推导，所述理论回波强度公式如下所示：

RL＝A-20log10(R)-2aR

其中：RL为接收换能器上的回声信号声级；A为不随传播距离改变的定值；R为传播距离；a为吸收损失；SL表示声源级，是与ADCP硬件相关的已知值；S_V表示体积散射强度；θ_-3dB表示换能器的-3dB束宽，是与ADCP硬件相关的已知值；L为层厚。

基于上述的理论回波强度公式，即可准确进行响参数反演。下面结合图1详细描述本发明的基于ADCP测流信号的混响参数反演方法，其步骤如下：

S1：通过走航得到ADCP的实际数据，从当前航次的数据中筛选出多个稳定剖面层的实际回波数据，用于作为后续反演的有效数据。一般而言，剖面层选择时，应当选取速度较平稳、无剧烈波动、无无效数据的剖面层，且剖面层之间无突变，以避免引入误差。但需要注意的是，此时得到的回波数据已经在ADCP设备中通过内置的TVC放大公式进行了增益补偿。此时采用的TVC放大公式中的参数通常为固定的经验数值，因此输出的实际回波数据通常存在偏差，需要通过下一步对该实际数据进行筛选处理，并剔除原始TVC放大的影响。

S2：由于ADCP中内置的原始TVC放大公式是已知的，因此可以根据ADCP中内置的原始TVC放大公式对S1中筛选得到的有效数据进行还原处理，重新计算得到各有效数据点未经TVC放大的真实回声信号声级，该声级对应于接收换能器上的真实声级。经过处理后的数据点平滑连接，就可以近似得到真实回声信号声级随距离变化的曲线。

S3：以传播距离为自变量，真实回声信号声级为因变量，根据理论回波强度公式(1)对步骤S2得到的有效数据点进行拟合，拟合方法为最小二乘法(即对数据点进行拟合)，得到拟合曲线。拟合曲线对于a、A的估计值就可以作为其真实值；

RL＝A-20log₁₀(R)-2aR (1)

其中：RL为接收换能器上的真实回声信号声级，也就是S2中还原得到的声级；R为传播距离；a为吸收损失；A为不随传播距离改变的定值，其包含了

S4：基于S3中获得的A值，根据公式(2)进一步计算得到体积散射强度S_V的真实值；

其中：SL表示声源级，θ_-3dB表示换能器的-3dB束宽，这两个参数对于特定的ADCP设备而言是一个定值，可以预先根据硬件参数获取；L为层厚，也可以预先获取。

由此，利用ADCP的实测数据，就可以反演出真实的体混响散射强度S_V和吸收损失a，进而可利用这些真实参数进行TVC曲线的精确设定，修正因经验参数导致的误差，提高测量精度。

下面将上述反演方法应用于具体的实施例中，以便于本领域技术人员更好地理解本发明的实现过程。

实施例1

以南海某春季航次测流数据为实施例，通过本发明上述反演方法对具体实施方式进行说明。

1)通过走航得到该航次不同剖面层的实际回波数据，对该航次测流数据进行处理筛选，得到有效数据。即根据实际速度合成曲线图选择做运算的剖面层，选取速度较平稳、无剧烈波动、无无效数据的剖面层，且剖面层之间无突变。

图2和表1为某春季航次数据运算剖面层选择依据。从中可以看出，第3～9层速度平稳，因此选择剖面层相似的第3层到第9层作为计算数据。TVC全部放开增益的距离24.746m，预留一定余量，因此选择本航次最终确定选择第3～9层的实际回波数据进行拟合计算。

表1

2)考虑接受数据包含了TVC公式的影响，在还原真实回波强度数值时应去掉，TVC放大公式是用来补偿随着传播距离增加所造成的能量损失，随着传播距离的增大，TVC数值也越来越大，但TVC数值并不是无限大，到达一定放大倍数后保持常数，此时就是TVC完全放开。为了计算简便，本实施例选择TVC完全放开后的剖面层进行计算，这样TVC放大倍数为定值，更容易消除。

ADCP中内置的原始TVC放大公式可以预先根据原始的硬件和软件设计获知，因此可以根据该原始TVC放大公式对步骤1)中筛选得到的有效数据进行还原处理，重新计算得到各有效数据点未经TVC放大的真实回声信号声级。本实施例ADCP设备为150kHz ADCP(SLC150-1型)，其设定的TVC完全放开的时间为30ms，换算成传播距离应为：(波束倾角为24.6度)，ADCP剖面层大于24.746m之后，TVC数值是固定值，消除TVC影响，真实回波强度计算公式如下：

其中：E为接收数据幅值，即经过放大后的信号幅值；S_{接收灵敏度}为接收板及DSP等放大倍数，计算公式：S_{接收灵敏度}＝-180dB；S_放大倍数为TVC增益，计算公式为：S_放大倍数＝20log₁₀(15000)。

经过上述的还原处理，每条有效数据中的声级就可以被还原成未经TVC放大的真实回声信号声级。这些数据在被用于后续拟合之前，需要对每个剖面层中的数据预先经过异常值剔除处理，消除较差数据的干扰。本实施例中，以某一剖面层为例，以该剖面层不同批次数据能量平均值为基准，剔除能量突变点。同样的，对所有剖面层进行此类异常值剔除。

由于测量过程中，通常会发射多个波束，获取多组数据以减少误差。因此，可以对异常值剔除处理后的数据进行平均，得到实际平均回声信号级随距离的变化数据点，用于后续拟合过程。这些数据点平滑连接近似得到真实回声信号声级随距离变化的曲线。

3)根据前述的推导过程，理论回波强度公式如下所示：

RL＝A-20log₁₀(R)-2aR (1)

上述理论回波强度公式(1)中A，a为需要拟合确定的参数。因此，以传播距离为自变量，真实回声信号声级为因变量，根据理论回波强度公式(1)对前一步得到的数据点进行拟合，拟合原则为使得同样距离R条件下理论回波强度RL与实际回波强度RL_真相差最小，即最小二乘法。由此，得到拟合曲线和a、A的真实值；

RL＝A-20log₁₀(R)-2aR (1)

其中：RL为接收换能器上的真实回声信号声级；A为不随传播距离改变的定值；R为传播距离；a为吸收损失；

4)基于步骤3)中拟合获得的A值，根据理论回波强度公式(2)即可进一步计算得到体积散射强度S_V的真实值；

其中：SL表示声源级；θ_-3dB表示换能器的-3dB束宽；L为层厚。对于特定的ADCP设备和航次而言，三个参数均为已知量。其中：声源级SL是固定值，简化取值为220dB；本实施例中圆板型换能器的-3dB束宽(波束开角取3.8度)为：θ_-3dB(计算时应转化为弧度)；层厚L简化取值为16m。

本实施例中，该春航次数据按照上述过程，即可得到如图3所示的四个波束分别的平均回声信号级随距离的变化曲线(原始曲线)以及拟合曲线图。

表2为图3所对应的根据理论回波强度公式反演出的吸收系数a值和体积散射强度S_V数值统计表。

表2

由此可见，本发明的方法能够利用ADCP的直接测量数据进行反演，修正ADCP设备中因内置的TVC经验参数导致的误差，得到精确混响参数，提高测量精度。

以上实施案例是本发明技术方案的一个实例，本发明的公开范围并不局限于此，任何对于本发明的技术方案的等同替换，都落在本发明的保护范围之内。