时间反转和逆时偏移混合法中参数改变对目标检测和定位的影响*

时间反转和逆时偏移混合法能有效地抑制分层介质中界面或底面反射波的干扰,从而实现分层介质中目标的检测和定位。该文计算得到阵列阵元的疏密,目标在空间中不同位置,以及不同载波频率相应的声场图和声场等高线图,从而详细研究不同参数对目标检测和定位的影响。研究结果表明,接收阵元需要达到一定数目才能获得较好的聚焦效果;目标无论距阵列远近都可以被很好地定位,特别是离界面很近的目标也可以清晰地分辨出来;用调制载波信号可以得到在目标处更尖锐的声场分布,但周围的各处声场分布高低起伏,可能带来定位的不稳定。     

典型深海声场频率-距离干涉结构分析及实验研究

基于射线理论分析了在典型深海情况下声源与接收水听器位于海水表层时声场频率-距离干涉结构,给出了直达声作用区与影区情况下声场频率-距离干涉结构的近似理论表达式。数值仿真与实验结果表明:在直达声作用区内,由直达声与海面一次反射声形成声场干涉结构,频率域干涉周期为该两条声线到达时间差的倒数;在影区内,由声源-海底-接收器、声源-海面-海底-接收器、声源-海底-海面-接收器和声源-海面-海底-海面-接收器四条声线形成声场干涉结构,声强随着频率具有两种干涉周期,分别随着声源深度、接收水听器深度的增大而减小,并与收发距离有关。本文给出的理论表达式可以较好的解释实验观测到的声场频率-距离干涉结构。      

深海大深度声场垂直相关特性

深海声场垂直相关特性对提高垂直阵阵列增益和水下目标探测性能具有重要意义.基于2014年南中国海实验大跨度垂直阵接收的声信号,分析了深海直达区、影区和会聚区等不同距离下的大深度声场垂直相关特性,并使用射线理论解释了深海垂直相关随空间变化机理.在直达声区内,声场垂直相关半径几乎可以覆盖整个水深,且随着深度增加,直达声和海面反射声到达时间差增加,相关略有下降.在声影区内,声场能量主要来源为经一次海底反射和一到两次海面反射的声线,垂直相关整体偏低.第一会聚区内垂直相关系数随着接收深度的增加而周期性振荡,并且与声能量在深度上的分布具有相似结构,这是高声强区域两组反转声线在垂直方向上周期性干涉的结果.     

楔形海域中三维效应对声源距离估计的影响分析*

楔形海域中声传播会出现显著的三维效应,导致水平方向上特定接收位置的声信号出现模态多次到达或者模态影区。利用射线模型,首先对楔形波导中的传播损失进行计算,分析三维效应的存在对于声波传播的影响, 结果表明,随着距离的增加,水平折射效应愈加明显,所得的三维结果与利用二维模型计算所得相差逐渐增大。然后对比二维声场和三维声场中的接收波形,并对其进行模态分离,证明在某些接收位置将会出现明显的模态多次到达或模态影区。最后通过匹配全波解以及分离出的各号简正波所对应的脉冲波形进行声源距离估计研究,并分析三维效应对于声源距离估计结果的影响。结果表明,由于三维效应的存在,使用三维模型能够得到准确估计声源距离,而利用二维模型进行估计得到的结果与实际距离相差较多,总体上偏大。     

井孔中多极源在分层介质的声场模拟方法*

水平分层地层是常见的地质模型,为了获得地下水平分层介质中声波测井的响应并了解声波在其中的传播规律,需要对该模型进行声场数值模拟,通常采用基于时域有限差分的数值模拟方法。然而对于地下数百米井段的声场模拟,如何最大化地减小数值模拟的计算区域,提高计算速度和节省内存,是必须考虑的策略问题。本文中,我们提出了动态计算区域的仿真策略,给出了计算区域选取的优化方案,并通过算例验证策略的有效性。假设发射器分布在阵列接收器下方,模拟结果表明,当声源距离下方最近的分层边界超过2米时,位于仪器下方的所有分层介质可以在计算中忽略不计。对于位于阵列接收器上方的分层边界,在选取计算区域时,也同样采用类似的策略。利用这样的策略,我们连续快速模拟了多层介质中单极子和偶极子声波测井响应,其中纵波和横波速度提取结果与输入的连续分层介质参数吻合。应用这种策略,可开发出数百米甚至数千米的井孔声场连续快速仿真的数值模拟软件。     

空气中快速运动声源水下声场的波数积分模型

本文采用二维波数积分，对空气中高速运动声源激发的水下声场进行建模。针对二维波数积分计算声场时域解计算量大的问题，提出一种快速计算方法。用本文提出的方法，对深海和浅海情况下，空气中高速运动单频点声源激发的水下声场进行了计算和仿真。计算结果表明：在深海，水下接收信号的幅度和瞬时频率随时间发生变化；接收器深度、接收器与声源运动轨迹的最小距离对接收信号的变化快慢有较大影响，而声源高度的影响较小；在浅海中，接收信号呈现快速的幅度起伏，明显的多普勒频移和大的频率展宽效应。与简正波方法相比，本文方法主要适用于近场计算，而简正波方法适用于远场。另外，当声源频率较高时，二维波数积分方法的计算量将迅速增大。     

时间反转和逆时偏移混合法用于层状介质中目标检测和定位的声场分析

基于时间反转和逆时偏移混合方法用于分层介质中目标的声学检测和定位的原理,本文对分层介质中目标检测和定位的声场进行了数值分析。首先给出了声场分布数值仿真的方法和步骤,进一步采用单发多收和多发多收两种方式对单个目标和多个目标计算出其声场分布。数值仿真结果表明可以较好地实现对目标的检测和定位。比较发现,单发单收方式和多发多收方式都得到较好的结果,但多发多收方式计算耗时过多,因此不宜采用。另外,对多个目标的探测提出了改进方法。      

不同频段下利用虚拟接收方法的声源测距性能分析

考虑到传统的匹配场处理定位需要复杂的匹配声场计算,并对环境参数和声场模型有很高的依赖,为了克服这种缺点,采用虚拟接收方法对声源进行测距。首先对垂直阵接收到的引导声源和目标声源的信号进行相关处理,得到虚拟接收声场并估计虚拟接收声场干涉条纹的斜率,结合波导不变特征量β对目标声源进行测距。通过数值仿真和2004年南海实验数据处理,讨论了浅海斜坡海域环境中不同频段下利用虚拟接收方法对宽带声源测距的性能。随着频率升高,需要展宽频带以获得完整的干涉条纹和良好的测距结果。在实验数据处理中,选取频段较高的信号时,由于阵列间距偏大不能保证采样的简正波模式的正交归一特性,不能获得正确的测距结果。      

深海中利用单水听器的影区声源无源测距测深方法

在典型深海情况下当声源与接收水听器位于海水表层时,在影区内由声源海底接收器、声源海面海底接收器、声源海底海面接收器和声源海面海底海面接收器4条声线形成声场干涉结构,声强随着频率具有两种干涉周期,随着收发距离的增加而增大,分别随着声源深度、接收水听器深度的增加而减小。因此由单水听器记录的声场干涉结构即可实现宽带声源目标的无源测距测深,仿真分析验证了其有效性。在南海深海声学实验中观测到海面宽带噪声源在声场影区所形成的声场干涉结构,数据分析结果验证了深海声场干涉结构用于声源无源定位的有效性。与传统无源定位方法相比,该方法不需要宽带引导声源、精确的海底声学参数和大规模的拷贝场计算。      

平面辐射器的声场

本文讨论了垂直放置于分层介质中的平面辐射器所产生的声场。计算表明:平面辐射器的声场,可由某一线性微分算符作用于球面点源的解而得到,而且此线性算符与辐射器在均匀空间中的指向系数相联系,本文对分层介质中的简正波进行了讨论。对于具有水平对称轴的平面辐射器,当距离足够远时,其每一号简正波等于指向系数乘上相应球面点源的简正波;平面辐射器的简正波在水平方向具有确定的指向性。     

高速垂向运动声源声场干涉特性及其可观测性

以高速垂向运动声源宽带连续谱噪声为研究对象,基于射线理论分析了声场干涉现象的产生机理,推导了干涉条纹的轨迹方程,讨论了影响干涉结构特性的因素,揭示了声场干涉结构的特性和规律。理论和仿真结果表明:干涉周期与多途信号时延差成反比关系;减小接收深度或增大接收距离可以提高干涉条纹的可观测性;较大的海面起伏易使干涉条纹形成断点,可观测性降低。湖试数据分析结果表明,干涉条纹主要由直达声-海面反射声干涉条纹构成,干涉条纹宽度和干涉周期随水平距离的增大而增大。该结果可为高速垂向运动声源运动状态分析、环境参数反演等提供参考。     

深远海线性内波条件下声场时间相关性的空间分布

深海声场特定的干涉结构导致其时间相关性的空间起伏,研究这种空间特性可以为水声信号的探测与处理提供重要参考。利用抛物方程声场仿真模型,联合Monte-Carlo数值方法计算分析了深远海线性内波条件下声场时间相关性的空间分布特性。与现有的研究相比,给出了时间相关性的距离和深度起伏特征。结果表明,当接收达到一定距离,声场时间相关性的空间分布具有与声场干涉条纹类似的结构,声场干涉越强,时间相关性越好。此外,声源频率和声速标准差的变化会引起时间相关性空间分布规律的改变,且会聚区传播模式下的改变强于深海声道传播模式。      

实际大气中平面波声场的计算

本文应用先前工作中关于运动分层介质中平面波反射和折射的一般理论,来解决实际大气中声场的问题。提出计算存在温度梯度和风梯度的多层大气中声场的解析法和图解法。前者给出声场WKB近似及其各次修正项的级数表达式,后者给出直观的图象表示。这些结果具有明晰的物理意义,并且在大多数情形下都可以通过简单的计算得到具体结果,同时也可以作为进一步进行数值计算的基础,这比用直接的数值法求解要简捷得多。     

水平缓变声道中的WKBZ绝热简正波理论

本文利用具有海面相移修正的本征函数的ＷＫＢＺ近似，并同时考虑波导简正波和海底反射简正波的贡献，提出了适合于水平缓变水下声道的ＷＫＢＺ绝热简正波理论。数值结果表明，会聚区声场主要由波导简正波决定，而影区声场主要由海底反射简正波决定。在菲律宾海中，频率范围在１０９ＨＺ至８６０ＨＺ，距离至２５０ｋｍ范围时，用ＷＫＢＺ绝热简正波理论计算的结果与实验数据符合得很好。     

基于矢量水听器的深海直达波区域声传播特性及其应用

对于深海近水面声源产生的声场, 处于较大深度处的接收器在一定水平距离范围内能接收到直达波. 2014年在某深海海域进行的水声考察实验中, 应用深度为140 m的拖曳声源发射实验信号, 布放在水下3146 m深处的矢量水听器成功地接收到了直达波信号. 本文应用射线理论, 分析了深海直达波区域声场的传播特性, 得出了水平振速与垂直振速的传播损失与声线到达接收点处的掠射角以及收发水平距离之间的关系. 在以上分析的基础上, 提出了一种利用水平振速与垂直振速的能量差估计声源距离的方法, 并结合2014年实验数据对实验中两条航线上8 km范围内的目标声源进行了测距, 测距结果与目标的GPS数据符合得较好.     

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.     

瞬态波位移场计算方法在相控阵声场模拟中的实验验证

通过实验研究了声束偏转不同角度和声场半径变化时线性相控阵的声场特性,并与基于瞬态波位移解析解的相控阵声场计算方法得到的理论结果进行了对比。首先研究了基于半圆圆弧离面瞬态位移的声场计算方法,并进行了数值计算可靠性的优化。然后建立了一套相控阵瞬态波位移场的测量系统,以半圆形钢板为试件,纵波传感器为接收传感器,测量了偏转角度为-10°,-30°,-50°,-70°,及声场半径为50 mm,75 mm,100 mm和125 mm时线性超声相控阵的声束指向性;同时以基于瞬态波位移解析解的相控阵声场计算方法,计算了相同条件下该相控阵的声束指向性。最后将实验结果与理论结果进行了对比,取得了较好的一致。说明基于瞬态波位移的相控阵声场计算方法可以较好地计算线阵的声场,对于声束偏转较大角度和声场半径变化时也同样有效。      

有平界面存在时时间反转法的自聚焦性能

时间反转法是一种具有独特优点的自适应聚焦方法,对超声成像中图象畸变的消除有重要价值。本文就声场中存在介质分平面时,对时间反转法实现自聚焦的声场给出了解析式;并运用所建立起来的时间反转成像实验系统进行了有平界面存在时的自聚焦实验,实验所得自聚焦增益与理论计算结果相符。     

多项式混沌展开的浅海水声环境参数敏感度分析*

水下声场是海洋环境参数的非线性函数,因此环境参数的不确定性必然会引起水下声场预测的不确定性,从而导致与声场预测相关的声呐探测和水声通信等设备性能的下降。该文将Sobol敏感度指数的计算与多项式混沌展开方法相结合,将敏感度指数表达为环境条件的函数,利用Q范数约束的双曲截断方案来减少多项式项数,有效地分析了设定的"浅海负梯度温跃层"信道中8个环境参数及其交互效应对水下声传播的影响。结果表明,沉积层声速是低频远距离声场不确定性分布的最主要贡献参数,同时对于下发下收的情况,声源深度的影响程度随着声源频率增加而逐渐增大。最后应用射线理论从海底反射的角度解释了各个环境因素影响程度差异的具体原因。该文的研究对水声通信和探测系统在浅海不确定环境下的性能预报研究具有重要的参考意义。     

分层砂底对浅海信道声传播影响的研究

推导有指向性脉冲声源在海底是分层结构的浅海中声场的积分表达式;分别仿真了爆炸声源和指向性脉冲源在浅海信道中传播的信号波形,其中假设了海底的沉积层和基底分别由水浸泡的砂和固态介质构成,砂底的参数数值用孔隙介质理论和实测相结合的方法进行选择;此外,在用砂和玻璃珠分别模拟砂层海底的水池内,观测了指向性脉冲源在不同接收点的信号的波形;结果表明:仿真波形的包络得到实验的印证。从而证明本文建立的指向性脉冲源在具有砂层海底的浅海中声场模型是可行的,可用于预报海洋环境参数对接收波形的影响,为水下通信、声呐信号设计与处理提供参考信息。