浅海平均混响强度的简正波理论

本文用简正波方法导出了浅海远程混响强度的一般表式,该式对较广泛的一类声速剖面、海底反射与散射系数皆适用。由于考虑了复本征值对简正波入射场的影响,所得结果比以往的混响场简正波理论有较大的改进。所得出的平均混响强度的表式物理意义清楚,形式简单,便于进行数值计算与解析讨论。作为例子,文中分析了负跃层浅海中平均混响强度的衰减规律。计算表明,当声源与接收器皆位于跃变层之上时,远程混响强度与r~-5成正比。     

均匀浅海远程平均混响强度

本文假设均匀浅海的混响主要是海底混响,在海底散射为均匀散射和兰贝特散射两种情况下用简正波方法分别计算了无指向性和有指向性发射、接收时的远程平均混响强度,并作了比较。     

非线性内波存在下的浅海远程混响模型

研究了浅海非线性内波对远程混响场的影响。通过分析非线性内波活动引起声源到海底散射元以及散射元到接收点之间的声传播变化,给出了非线性内波引起远程混响强度变化的表示,建立了非线性内波存在下的浅海远程混响模型,数值计算了非线性内波运动引起远程混响强度的变化。理论和数值计算表明,非线性内波的活动能够引起远程混响强度的变化,在某些情况下会导致远程混响强度增强。通过讨论非线性内波引声简正波的耦合效应,给出了其引起远程混响强度增强的原因。      

深海大接收深度海底混响研究

海洋混响对主动声纳工作性能的影响不可忽略,一直是水声学研究中的一个重要课题.在南海实验中获取了深海混响实验数据,包含近海底大接收深度的混响信号,其强度随时间变化存在锯齿形结构.为对混响数据进行深入分析,基于射线理论提出了一种深海海底混响模型,能够计算本地混响和异地混响强度,并可解释深海混响信号的产生过程.该模型首先对海底散射体进行网格式划分,然后根据每个网格内散射体产生混响信号的准确时间进行混响计算,对于传播路径丰富的深海环境比传统按圆环或椭圆环处理散射体的方式更加精确.在多种收发距离和接收深度条件下,将数值模拟结果与实验数据进行比较.结果表明:对于大接收深度,混响整体吻合较好;而靠近海面处的混响,二者的一致性下降.分析结果表明,使用的海底散射系数参数适用于该实验海区,同时验证了该散射系数模型对于小掠射角海底散射更加准确,对应深海大接收深度混响.     

浅海混响的垂直相干性

浅海混响垂直相干特性是海洋混响研究中一个重要的课题。在射线简正波混响理论的基础上,给出了浅海混响垂直相关的一般表达式,并推导出了在均匀层浅海中混响垂直相关的简化解析表达式。同时,通过对数值计算及实验结果的讨论,研究了浅海混响垂直相关与混响时间、频率、声源深度、接收器深度、海底衰减特性及海底散射系数等参数的变化关系。研究表明,在海底散射满足可分离性的条件下,浅海海底混响的垂直相关与声源位置无关,随着混响时间和海底衰减的增加、或随频率、接收器间隔和海深的减小,混响的垂直相关增大。     

浅海混响的垂直相关和海底反射损失与散射强度的反演

根据浅海混响射线简正波理论和可分离的海底散射模型,导出了混响垂直相关的表达式,理论研究和实验结果表明垂直相关与接收深度有关,与声源深度无关。提出一种利用混响强度衰减曲线与混响垂直相关曲线联合反演海底反射损失和海底散射强度的方法。数值模拟反演及对实验数据的反演表明:所提出的反演方法具有实验简便、反演速度比较快及反演的结果比较稳定等特点。     

浅海中的混响衰减

本文定义混响衰减作为描述浅海混响的基本物理量。对不同的声速剖面和海底散射模型，分别用射线方法和ＷＫＢＺ简正波方法（考虑和不考虑复本征值的影响）计算了混响衰减随时间（距离）的变化。数值模拟结果表明复本征值的影响不能忽略，在中等距离上按射线方法计算的混响衰减与考虑了复本征值影响的ＷＫＢＺ方法计算结果相一致。负跃层浅海中的实验结果表明混响衰减与源和接收器的深度有关，但与带宽无关。理论预示的混响强度的几何平均规律也从实验得到了证实。     

低频混响信号中的简正波衰减系数提取方法

提出一种从低频混响信号中提取简正波衰减系数的方法。利用简正波过滤技术对垂直阵混响信号进行分析,获得单阶简正波混响声场。假设海底反向散射矩阵可分离,从单阶简正波平均混响强度中提取出有效海底反向散射矩阵元素,最后利用不同距离上的有效海底反向散射矩阵元素计算出简正波的衰减系数。利用该方法从混响信号中提取出的简正波衰减系数预报的声传播损失和相同海域实测声传播损失一致。该简正波衰减系数提取方法有效避免了海底散射衰减和简正波传播衰减耦合的问题,同时对海底参数反演和水声环境的快速评估也具有重要的意义。      

负梯度声速剖面的浅海混响平均强度的垂直结构

声速剖面是影响声场能量重新分配的主要参量。混响包含有双程传播和反向散射过程,文中根据全波动混响理论,从声速剖面对简正模态的垂直结构的影响出发,通过数值仿真和理论分析研究了负梯度声速剖面对双程传播损失和反向散射强度的垂直结构的影响,进而得到声速剖面对混响平均强度的垂直结构的影响。数值仿真结果表明,传播距离近的条件下,混响平均强度的垂直结构受声速剖面的影响在实际应用中可以忽略不计;传播距离足够远,并且相对声速梯度在10-4 m-1量级时,混响平均强度的垂直结构才会受声速剖面的影响有明显的变化。负声速梯度下的混响实验也表明,在有限的混响时间内,混响平均强度的垂直结构保持稳定。      

浅海波导中目标散射的简正波-Kirchhoff近似混合方法

提出了计算浅海波导中复杂目标散射的数值方法:简正波-Kirchhoff近似混合方法。通过把目标散射的Kirchhoff近似方法和简正波声传播模型相结合,可对大尺寸复杂目标在浅海波导中的散射声场进行计算。以浅海波导中刚性球体散射的解析解为标准解验证了本方法,说明简正波-Kirchhoff近似混合方法是有一定计算精度的工程预报方法。数值计算Pekeris浅海波导中球体目标散射声场在深度-频率平面和距离-频率平面上的二维干涉结构及其与自由空间中的差异。进而通过FFT获得目标时域回波随深度的分布图,分析浅海波导中目标姿态、声速剖面对Benchmark潜艇目标散射的影响。      

浅海远程混响理论

本文从一定的混响模型出发,利用简正波理论讨论了浅海负梯度情况下由海底散射引起的远程混响问题。通过对简正波声场的分析,得到了由混响的空间积分表式转换为谱表式的条件,然后根据所得到的混响强度和自相关函数的谱表式,分析了有限带宽的调幅脉冲声的远程混响,所得结果便于对浅海远程混响作出预计。     

海洋波导中刚性球及旋转椭球前向散射场时频特征的畸变

利用波导中目标声散射理论的简正波方法,数值模拟了自由空间和浅海均匀波导中刚性球、旋转椭球的散射场,分析了波导中刚性体前向散射时频特征的畸变规律。仿真结果表明:波导中刚性体的前向散射时域波形与频谱特征受波导制约;目标散射场的固有特征受波导色散特征的调制,时频谱上呈现出由于色散的简正波间的耦合而导致各简正波能量条纹界限模糊的现象。时频特征的畸变程度与组成散射共振系统的波导、目标的尺度以及散射体布放深度有关,随波导底质透声能力和深度增加、散射体散射强度(信混比)增强而减弱。      

双基地冰-水界面混响强度的理论预报

针对北极冰层冰水界面具有小尺度粗糙界面的情况,给出由冰层造成的混响平均强度的理论预报公式。首先将北极冰层等效为具有粗糙界面的弹性介质,并且采用小粗糙度微扰理论在精细拟合粗糙度谱的基础上,建立粗糙冰层的三维散射强度模型,然后建立三维双基地声呐几何模型确定有效散射区域,最后给出双基地冰下混响平均强度的估算公式,并在所拟合的粗糙度谱的情况下,利用该预报公式计算双基地声呐配置参数和海冰物理及声学特性对冰下混响强度的影响算例。数值仿真表明该公式能够估算出北极冰下双基地声呐产生的混响平均强度,并且分析出了时延、基线长度等声呐配置参数和冰层声速比、密度比等海冰物理参数会对混响强度造成的影响。声呐的配置参数主要影响散射的有效面积,海冰的物理参数则影响着冰层的散射强度。其中,冰层声速比不仅影响混响强度的大小,还会影响混响强度随时间的衰减速度。      

一种改进的水下爆炸声混响模型

为了研究水下爆炸声脉冲引起的混响,基于射线理论,利用椭球的几何性质,建立了改进的三维近程双基地混响平均强度模型,推导出爆炸深度任意的双基混响平均强度预报公式。计算分析了爆炸深度和脉冲宽度对混响强度的影响,并与实验结果进行了比较,结果表明:爆炸深度对混响强度的影响相对较小,脉冲宽度越大,混响强度越大。      

浅海小掠射角的海底界面声反向散射模型的简化

在浅海,尤其是负梯度声速剖面和海面较为平静的浅海波导,海底界面反向散射是浅海混响的主要来源.经验散射模型只适用于分析浅海混响平均强度衰减特性,而基于物理机理建立的反向散射模型克服了这一缺陷,但同时也引入了其受地声模型约束的问题.本文结合了海底反射系数的三参数模型,对浅海远场海底反向散射模型进行了简化,以减少地声模型的输入参数.理论分析了海底反射系数的相移参数可以描述海底对声场的散射作用,无需任何海底地声参数的先验知识.通过对海底反向散射模型近似简化,结果表明在临界角附近和甚小掠射角范围内的海底粗糙界面反向散射模型的角度特性和强度特性受海底沉积层的影响不同:在临界角附近,海底反向散射的角度特性受海底反射系数的相移参数加权,而其散射系数则近似与相移参数无关;对于甚小掠射角,海底反向散射的角度特性近似与海底反射系数的相移参数无关,其散射系数则近似与相移参数的4次方成正比.     

一种可稳定计算Pekeris波导中声场的波数积分方法

提出一种可稳定计算Pekeris波导中声场的波数积分方法,并在此基础上开发出一个数值模型,可用于提供Pekeris波导中声场的精确、稳定的数值解。在这个方法中,由于与深度有关的波动方程齐次解中所有的上行波与下行波均采用了合理的归一化表示,从而得到的系统方程是无条件稳定的。在简正波方法中,割线积分一般只对近场有显著影响。因此,传统的简正波模型一般都忽略割线积分对声场的贡献。但是,如果某号简正波离割线非常近,则割线积分对非常远距离的声场仍可能有显著影响。在这种情况下,传统的简正波模型由于忽略割线积分的贡献,从而得到的声场结果是不准确的。本文通过数值算例比较本文提出的波数积分模型与传统的简正波模型。数值结果表明,本文提出的模型可以提供精确、稳定的Pekeris波导中声场的数值解,而在某些情况下传统的简正波模型得到的声场结果是不准确的。因此,本文提出的模型可以作为Pekeris波导中声传播问题的标准模型使用。      

基于小斜率近似的深海海面混响

收发设备在海面附近的深海混响实验中,多途时延使得最先到达水听器的为海面混响信号,且不受海底散射声场的干扰.本文利用射线理论描述深海声传播的格林函数,采用粗糙界面一阶小斜率近似方法描述全角度海面散射,给出海面混响声场的表达式.同时考虑了海面表层气泡散射的贡献,获得了海面混响理论.通过数值仿真数据和深海实验数据的比较对海面混响模型进行验证,分析了不同接收深度、频率下的海面混响强度衰减趋势.结果表明:低海况条件下,低频海面混响由粗糙界面散射主导,气泡散射可以忽略,随频率升高,气泡散射对海面混响的贡献逐渐增大,海面附近收发深度的小幅变化对混响衰减曲线的影响不明显.基于该模型提出一种反演海面粗糙界面谱参数的方法,数值计算结果验证了该模型能够在风速已知的前提下,通过海面混响数据提取海面粗糙界面谱参数.     

基于简正波理论的浅海低频混响时间序列仿真

混响场时域信号序列的数值实现对主动声纳目标模拟器研制具有重要意义。本文所述适用于水平变化浅海环境混响时间序列的一种实现方法,基于现有的浅海简正波相干混响理论。所述方法的思路是通过相干散射场随机序列与发射信号的离散卷积来构成混响时域序列,文中以Pekeris均匀浅海环境为例,给出了相应的混响时间序列仿真结果,并对仿真结果的频谱特性、统计特性、强度衰减以及垂直相关特性等进行了系统检验。结果表明,由仿真混响时间序列所获得的混响特性与理论结果相符,可用于浅海混响序列的仿真。     

浅海海底界面混响平均强度特性仿真

海底粗糙界面是产生混响的主要因素之一。本文通过理论分析和数值仿真的方法,根据浅海全波动混响模型对不同海底粗糙界面所引起浅海混响平均强度特性进行研究,主要考虑Goff-Jordan谱、Gauss谱和指数谱三种不同粗糙界面条件下的海底反向散射强度和混响平均强度特性。计算结果表明:海底粗糙界面会引起海底反向散射强度的频率特性的差异,进而导致海底平均混响强度的频率特性的差异,但随入射角度的变化不大。即使界面起伏的方差和相关长度相同,不同的粗糙度谱也会引起平均混响强度的差异。     

收、发分置混响平均强度理论预报

建立双基地混响几何模型,推导出收、发分置混响的平均强度估算公式。考察双基地远程界面混响,对于漫散射界面,散射区为一椭圆环带,分别给出柱面波声场和球面波声场情况下,无指向性收、发分置混响的平均强度估算公式。给出窄波束接收阵时,双基地声呐的混响级和信混比的估算公式。仿真表明,椭圆模型可以方便准确的预报双基地混响强度及研究其特征规律,便于双基地声呐系统集成,适合工程应用。