基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，属于水下目标声辐射技术领域。本发明专利技术的方法包括以下步骤：首先基于研究对象的不确定性，确定研究频段的范围；其次基于模态分解理论以及不同的模型结构，确定模拟声压方程；再次基于模态截断理论，采用较高的周向模态阶数，计算合适的较低阶轴向模态阶数；然后采用较高的轴向模态阶数，计算合适的较低阶周向模态阶数；最后计算得到仿真计算的辐射信号，从而对水下目标声辐射情况进行分析。本发明专利技术技术方案通过利用较少的模态阶数来准确模拟径向振动引起的水下目标声辐射信号，因而其计算复杂度低、准确性高。

【技术实现步骤摘要】
基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法
本专利技术涉及一种基于模态分解的水下目标壳体径向振动声辐射信号模拟方法，属于水下目标声辐射

技术介绍
基于模态分解理论的声辐射信号研究在水下目标分析中被广泛应用。理论认为只有轴向和周向模态都选取无穷阶叠加时才能真正模拟辐射信号。但是关于水下目标分析，实时性又是其重要指标，而无穷阶叠加就做不到实时性的要求。同时关于模态阶数选取的问题一直没有解决，没有一个灵活多变的模态阶数方法，导致水下目标声辐射信号计算复杂度较高和准确性较低。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题的不足，提出一种基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，本专利技术不仅能够根据研究频段以及研究模型的不同，灵活的选取模态阶数，用最少的模态模拟最真实的辐射信号，而且其计算复杂度低、准确性高。本专利技术为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，其特征包括以下步骤：第一步：根据研究对象的模型结构，确定研究对象的频段范围；第二步：基于模态分解理论，确定该研究对象所对应模型结构的模拟声压方程；第三步：基于模态截断理论，分别计算周向模态阶数、轴向模态阶数，其中，采用较高的周向模态阶数，计算合适的较低阶轴向模态阶数；采用较高的轴向模态阶数，计算合适的较低阶周向模态阶数；第四步：由第一步中所确定的研究对象的频段范围、第二步中确定的声压方程、第三步中确定的轴向模态阶数、周向模态阶数仿真计算出水下目标的声辐射信号；通过对声辐射信号进行分析，实现研究对象的目标识别。优选的：在第一步中，当所述研究对象的模型涉及到少数肋骨、加肋平板、舱板时，所述频段选用高频段，此时所述频率范围对应频率到20KHz；当所述研究对象的模型涉及到在刚性柱面障板上的柱形壳体共振的重要性时，所述频段选用中频段，此时所述频率范围为波长到波长相对应频率；当所述研究对象的模型涉及整个船体、刚体平移或旋转梁的弯曲振动、手风琴式振动时，所述频段选用低频段，此时所述频率范围为1Hz到波长对应频率；其中代表目标的长度，代表有效横截面积半径，频率与波长对应关系为：，为声音在水中传播速度。优选的：在第二步中，采用单层圆柱壳体作为水下目标声辐射模拟的基本模型，在基本模型上附加子结构即构成研究对象的结构模型，所附加的子结构包括肋、舱板；对于前述单层圆柱壳体基本模型，基于模态分解理论，以圆柱壳体的几何中心为坐标原点，以圆柱壳体的中心轴为轴，以观测点与轴之间的距离为轴，同时结合观测角度，该观测角度角是指观测点沿圆柱壳体半径方向与竖直方向的夹角，建立柱坐标系，则观测点的声压方程如下：其中代表声压，代表轴向模态的阶次，代表周向模态的阶次，代表介质密度，表示角频率，代表轴向模态阶次为周向模态阶次为时的径向振动位移，代表轴向模态为时的方向驻波的波数，代表波长，代表目标在方向的波数，代表周向模态为阶时的第二类汉克尔函数，表示的一阶导数，代表目标有效横截面积半径，代表目标的长度，表示虚数单位。优选的：在第三步中，确定轴向模态阶数的公式为：式（1）；其中代表相邻阶的轴向模态阶次，代表频率，表示轴向模态阶数为和轴向模态阶数为之间的声压级的误差平方和，表示频率为时轴向模态阶数为的轴向声压，表示频率为时轴向模态阶数为的轴向声压；此时周向模态数选取为，，然后通过公式（1）得到一条关于轴向模态和误差的曲线，选取误差时的轴向模态。优选的：在第三步中，确定周向模态阶数的公式为：式（2）；其中代表相邻阶的周向模态阶次，代表频率，表示周向模态阶数为和周向模态阶数为之间的声压级的误差平方和，表示频率为时周向模态阶数为的周向声压，表示频率为时周向模态阶数为的周向声压；确定周向模态时，轴向模态选取为，，然后通过公式（2）得到一条关于周向模态和误差的曲线，选取误差时的周向模态。优选的：所述声压采用声压级SPL的方式处理，该声压级SPL的公式为：其中代表声压，参考级为。本专利技术的基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，相比现有技术，具有以下有益效果：1.由于采用较高的周向模态阶数，计算合适的较低阶轴向模态阶数；采用较高的轴向模态阶数，计算合适的较低阶周向模态阶数，因此能够利用较少的模态阶数来准确模拟径向振动引起的水下目标声辐射信号。2.由于使用式（1）确定轴向模态时，周向模态数选取应该考虑研究频率范围内所有周向特征，取值方法与周向模态相关，至少要比周向模态数值大，数值越大得到的结果越精确。利用公式（1）就可以得到一条关于轴向模态和误差的曲线，选取误差时的轴向模态，误差越小代表模拟信号越准确，但同时也意味着计算量的增大，因此确定轴向模态时，周向模态数选取为，，误差时，其计算量适中、准确度较高、实时性好。2.使用式（2）确定周向模态时，轴向模态选取应该考虑研究频率范围内所有轴向特征，取值方法与第三步相关，至少要比第三步得到的轴向模态阶数大。利用公式（2）就可以得到一条关于周向模态和误差的曲线，选取误差时的轴向模态。这里误差上限比第三步小很多，这是由于轴向与周向对辐射信号影响不相同造成的。因此确定周向模态时，轴向模态选取为，，误差时，其计算量适中、准确度较高、实时性好。由上述可知，本专利技术可以根据研究频段的不同得到不同的模态阶数，增加了研究频段选择的自由度。同时本专利技术可以利用较少的模态阶数正确地模拟声辐射信号，即降低了计算复杂度又不失模拟的准确性，增强了目标识别的实时性，实时性在目标识别中是一个很重要的指标。而且根据式（1）（2）得到相邻阶误差，还可以自由选择截断误差，误差越小，结果越精确。同时本方法的自由度很高，适应能力很强。因此本专利技术能够根据研究频段以及研究模型的不同，灵活的通过选取模态阶数，以求用最少的模态模拟最真实的辐射信号。附图说明图1是本专利技术方法的流程图；图2是实施例1中使用的单层圆柱壳体模型；图3是实施例1中关于轴向模态选取的误差图；图4是实施例1中关于周向模态选取的误差图；图5是实施例1得到的声辐射信号。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例本实施例的一种基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，如图1所示，包括以下步骤：第一步：根据研究对象的模型结构，确定研究对象的频段范围；其频段范围与研究对象的模型结构之间的关系，如下表所示：即当所述研究对象的模型涉及到少数肋骨、加肋平板、舱板时，所述频段选用高频段，此时所述频率范围为波长对应频率到20KHz；当所述研究对象的模型涉及到在刚性柱面障板上的柱形壳体共振的重要性时，所述频段选用中频段，此时所述频率范围为波长到波长相对应频率；当所述研究对象的模型涉及整个船体、刚体平移或旋转梁的弯曲振动、手风琴式振动时，所述频段选用低频段，此时所述频率范围为1Hz到波长对应频率；其中代表目标的长度，代表有效横截面积半径，频率与波长对应关系为：，为声音在水中传播速度；如果研究加肋或加舱的目标，则需要考虑的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，其特征包括以下步骤：第一步：根据研究对象的模型结构，确定研究对象的频段范围；第二步：基于模态分解理论，确定该研究对象所对应模型结构的模拟声压方程；第三步：基于模态截断理论，分别计算周向模态阶数、轴向模态阶数，其中，采用较高的周向模态阶数，计算合适的较低阶轴向模态阶数；采用较高的轴向模态阶数，计算合适的较低阶周向模态阶数；第四步：由第一步中所确定的研究对象的频段范围、第二步中确定的声压方程、第三步中确定的轴向模态阶数、周向模态阶数仿真计算出水下目标的声辐射信号；通过对声辐射信号进行分析，实现研究对象的目标识别。

【技术特征摘要】
1.一种基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，其特征包括以下步骤：第一步：根据研究对象的模型结构，确定研究对象的频段范围；第二步：基于模态分解理论，确定该研究对象所对应模型结构的模拟声压方程；第三步：基于模态截断理论，分别计算周向模态阶数、轴向模态阶数，其中，采用较高的周向模态阶数，计算合适的较低阶轴向模态阶数；采用较高的轴向模态阶数，计算合适的较低阶周向模态阶数；第四步：由第一步中所确定的研究对象的频段范围、第二步中确定的声压方程、第三步中确定的轴向模态阶数、周向模态阶数仿真计算出水下目标的声辐射信号；通过对声辐射信号进行分析，实现研究对象的目标识别。2.根据权利要求1所述基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，其特征在于：在第一步中，当所述研究对象的模型涉及到少数肋骨、加肋平板、舱板时，所述频段选用高频段，此时所述频率范围为波长λ＝a对应频率到20KHz；当所述研究对象的模型涉及到在刚性柱面障板上的柱形壳体共振的重要性时，所述频段选用中频段，此时所述频率范围为波长λ＝L/2到波长λ＝a相对应频率；当所述研究对象的模型涉及整个船体、刚体平移或旋转梁的弯曲振动、手风琴式振动时，所述频段选用低频段，此时所述频率范围为1Hz到波长λ＝L/2对应频率；其中L代表目标的长度，a代表有效横截面积半径，频率f与波长λ对应关系为：c为声音在水中传播速度。3.根据权利要求2所述基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法，其特征在于：在第二步中，采用单层圆柱壳体作为水下目标声辐射模拟的基本模型，在基本模型上附加子结构即构成研究对象的结构模型，所附加的子结构包括肋、舱板；对于前述单层圆柱壳体基本模型，基于模态分解理论，以圆柱壳体的几何中心为坐标原点o，以圆柱壳体的中心轴为z轴，以观测点与z轴之间的距离为r轴，同时结合观测角度该观测角度角是指观测点沿圆柱...

【专利技术属性】
技术研发人员：方世良，安良，程强，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：