基于简化海底模型的浅海环境噪声垂直指向性及参数反演

提出了一种以简化海底模型为基础的浅海环境噪声垂直指向性的计算方法,并用于海底参数反演。小掠射角时,采用简正波法;大掠射角时,采用虚源法。数值仿真结果与经典的K/I噪声模型相近;分析某浅水区的一次噪声试验数据,提出分段反演方法,并将反演得到的参数较好的用于噪声场强度预报。结果表明,该方法引入的简化海底模型,能反映出海底反射对噪声场垂直指向性的影响,但由于不需要精确的海底分层结构,便于理论分析声场。      

负跃层浅海声传播问题的解析解及其在水下脉冲声传播研究中的应用

提出一个基于波数积分理论的解析解,可用于计算包含海面下均匀层、负跃层、海底上方均匀层以及液态均匀海底的负跃层浅海波导中的声场。对声源位于水体不同层中的情况给出详细的推导,给出深度格林函数的解析解,并介绍了如何利用其计算点源和线源这两种情况下的声场.通过一个典型的负跃层浅海算例,验证了本文所提方法的精度,以及处理点源及线源问题的能力.此外,将本文提出的方法应用于水下脉冲声传播研究。针对某次实验的实际海洋环境,利用本文方法研究接收到的脉冲信号的波形特点,并与利用射线理论分析得到的相邻脉冲到达时间间隔等理论结果进行比较·结果表明,利用本方法得到的相邻脉冲到达时间数值结果与理论值高度一致。本方法非常适用于需要大量重复计算声场的情况,如水下脉冲声传播、海底声学参数反演等问题的计算机仿真研究。      

海底爆破辐射声场的理论及数值研究

对固体基底浅海中声波传播的色散特性作了数值模拟与分析. 利用液体及固体中声传播理论导出了固体基底内爆破源在浅海中所激发声场的解析解, 在此基础上, 通过数值计算, 得出了浅海中不同空间点处的瞬态声压时域波形, 并在瞬态声压时域波形的平滑伪Wigner-Ville分布基础上, 对固体基底内爆破源在浅海中所激发瞬态声场的特性作了详细分析. 关键词： 海底爆破 声场 色散 瞬态声压     

利用等离子体声源测量浅海低频段水声信道特性

浅海水声信道的结构特征及其变化特性是浅海环境水下远程探测和通讯应用的基础.为了有效测量低频水声信道特性,我们在实验中采用了拖曳等离子体声源和垂直阵接收系统。通过实验测量与信道模型仿真输出的比较,对等离子体声源特性,特别是脉冲波形、空间指向性和电声转换效率,以及在信道中的传播特性等进行测量分析。结果表明:实验测量与信道模型仿真符合良好,实验中采用的等离子体声源的发射源级和拖曳姿态稳定,波形一致性好,可以满足走航式连续水下信道测量要求。      

浅海近程混响的振荡现象*

研究浅海近程混响特性对于评估和提高主动声纳性能具有重要意义。多次浅海混响实验显示,近程混响强度存在稳定的振荡现象,脉宽基本对振荡的幅度和周期没有影响。为解释这一现象,本文基于射线理论和小斜率近似给出了浅海近程混响模型,仿真与实测数据结果基本吻合。数值仿真结果表明：海底反射声场对单站声纳接收到回声信号的贡献远小于海底近垂向大掠射角散射声场的作用;混响强度振荡现象是海底近程散射声场的多途现象造成的,并由此给出了振荡周期与海深及收发深度的关系。     

浅海环境噪声垂直指向性探测海底参数

浅海环境噪声垂直指向性和海底地声参数密切相关,可以利用它来反演海底参数。本文在水平分层介质噪声场模型下,讨论了海底参数对噪声垂直指向性的敏感度,并假设半无限大液态海底,采用效率较高的自适应单纯形模拟退火算法全局寻优,根据中国某海区实测噪声数据,估计了海底声速、密度及衰减,分析了反演结果的不确定性。鉴于声速和密度在不同频率的反演结果不够一致,文中提出多频海底参数联合反演方法,提高了反演海底声学参数的精度。     

浅海非均匀水平阵宽带声场信号无源孔径扩展

大孔径水平阵对于浅海低频水声物理实验研究和应用至关重要,然而受实际情况制约,通常使用的水平基阵孔径十分有限,通过孔径扩展处理来扩展基阵孔径是一条重要途径。传统的无源孔径扩展方法是建立在均匀线阵、匀速相对运动和相干窄带连续信号的基础上的,难以适用于非均匀阵以及非连续宽带声源的情况。针对这些问题,提出了非均匀阵宽带声场信号的无源孔径扩展方法。使用静止布设在海底的非均匀水平短阵接收运动声源重复发射的宽带声信号,先开展均匀空间插值,然后在阵元域和波束域进行宽带扩展孔径处理。仿真和实验结果表明,在水深约70 m的浅海波导环境中,纵向间隔27.5 m的2个阵元接收20~200 Hz宽带声场,其空间插值结果与真值的相关系数大于0.99,说明宽带声场插值方法的合理性。在水平非均匀、纵向孔径250 m的短阵接收声场无法分析简正波频散特征的情况下,仿真和实验数据经过宽带无源孔径扩展处理得到孔径大于1 km的均匀线阵的声场,能高分辨区分各阶简正波,证明所提方法是有效的。      

斜入射激光超声体波声场的实验研究

为研究微烧蚀状态下圆形光斑斜入射时激光超声声场的指向性,使用脉冲激光辐照半圆柱形铝质工件表面,并使用压电探头和电磁超声探头分别接收纵波和横波信号。根据速度参数确定了超声信号的类型,提取了信号的峰-峰值,并绘制出声场指向性曲线。通过分析获得以下结论:激光斜入射角度在0~60°范围内变化时,纵波声场的声束轴线方向保持不变,且与工件内法线平行;另外,横波声场的峰-峰值仍然在±35°的方向上取最大值,但是横波指向图形的主瓣易受激光入射方向的影响,当倾斜角度大于等于45°时,横波主瓣的范围变得较宽。     

有限波束作用下掩埋球体的散射声场计算

计算并分析了海底掩埋物体的三维散射声场。采用“等效垂直线列阵”方法来进行有限波束的建模,并将浅海波导中点声源散射声场的波数积分计算方法,推广到有限波束作用下海底掩埋物体的散射场计算,本文导出了物体位于沉积层中的散射声场计算公式。计算结果表明,在波导中垂直面内的散射声场,与沉积层中点源形成的声场非常相似;当距离较远时,散射声波呈柱面波衰减。文章还分析利用海面反射以提高散射能量的可能性,表明波束指向性及波束宽度对散射声场有较大影响。     

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。      

浅海负跃层条件下的warping变换宽带无源测距方法

夏季浅海波导中常常存在强烈的负跃层,研究warping变换无源测距在这种水文条件下的使用方法具有重要的应用价值。对于上发上收、上发下收和跃层强度较小时下发下收的情况,海面海底反射类简正波对声场起主要作用,可以对接收信号的自相关函数进行时域warping变换,利用特征频率匹配的方法进行无源测距。而对于跃层强度较大时下发下收的情况,水体折射-海底反射类简正波对声场起主要贡献,可以对接收信号的自相关函数进行频域β-warping变换进行无源测距。并且能在事先获得粗略的水体声速剖面参数的情况下,通过设置一个已知距离的引导声源,那么即使估计得到的波导不变量存在一定误差,实际测距结果也可以与真实距离符合得较好。利用warping变换对一次夏季浅海实验接收到的目标发出的宽带信号进行无源测距,估计距离与真实距离符合较好,相对误差在20%以内。      

浅海声场垂直相关与边界反射(散射)损失

在浅海均匀层中,利用三参数海底声学模型,引进声传播有效掠角的概念,推导了声场垂直相关与边界损失等参数的关系;提出了大面积测量低频小掠角海底反射(散射)损失的方法;在0.4—3.15kHz频段内测量了小掠角0.7—15°范围内的边界反射(散射)损失;根据本文结果及有关资料,可以较好地解释浅海平均声场过渡距离随频率的变化。     

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。     

水平不变浅海环境随机扰动对声传播的影响

本文主要讨论浅海水平不变波导中的低频声传播问题,为环境适配声纳设计奠定基础。通过仿真分析了海水及海底环境参数对传播损失的影响,根据仿真及实验结果,建立了声速剖面随机扰动及海面、海底起伏条件下的声强分布概率模型,并利用模型中的形状参数α和尺度参数β,提出了局部蒙特卡洛模拟加曲线拟合的声场敏感性分析方法。仿真及实验结果表明声场传播损失服从伽马分布,良好水文条件下10 km距离的声场能量起伏也达到10 d B,随着距离增加,声场敏感性增加。本文所提出方法通过对近场声场的测量和统计实现对远场声场敏感性的预报,与全声场蒙特卡洛模拟相比计算量减小一个数量级。     

脉冲激光在镀层圆柱表面激发的表面波

分别从理论和实验上研究了脉冲激光在快、慢镀层圆柱表面激发的表面波声场.脉冲激光线源在镀层圆柱周向上激发超声波信号并利用激光干涉仪检测.对钢基底锌镀层圆柱和锡基底铜镀层圆柱试样表面波的理论频散和实验信号估计频散进行了比较,瞬态位移场则利用留数定理与FFT技术数值仿真得到并与实验波形进行对比.结果显示:理论频散和仿真波形与...     

海底沉积物参数对浅海中低频声传播的影响

推导出了考虑海底沉积物中声衰减和横波后浅海中点声源激发声场的积分表达式,并用实轴积分法和快速傅里叶交换（ＦＦＴ）数值计算模拟了爆炸声源在浅海中激发的全波列波形。考察了海底沉积物参数、声源激发主频等对低频声传播的影响。研究表明：在远场接收到的波群为声源主频处的模式波。最后讨论了通过几个不同声源激发主频处的某一模式波的群速度的测量值用最小平方和估计法来反演海底沉积物的纵波速度和横波速度的可能性。     

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.     

基于透射法的激光超声声场指向性研究

在忽略尺寸激光激励下的超声回波路径分析的基础上,通过设置不同直径的光源对不同厚度的1060铝合金平板进行激励,并在对侧接收信号,获取各次回波达到时间和幅值,用于分析不同尺寸光源激励下的激光超声各次回波传播路径及声场指向性规律。结果显示,在波形混叠处,纵波被淹没在横波内,到达时间难以提取,而横波的到达时间会向前移,偏离理论到达时间,若忽略波形混叠的影响,给出的各次回波到达时间扩展公式的理论值与实验值之间的最大误差不超过0.1μs;通过分析幅值分布情况可以看出,直径≤0.1 mm的激励源可以产生指向性较好的横波声场,而增大激励源直径,纵波声场指向性变好,横波幅值逐渐向法线方向移动,但当直径增加到一定程度,两者声场都会受到热弹效应的影响而向两边扩散。研究结果表明,在实际应用中可针对不同的检测需求选择合适的光源直径。     

指向性辐射器的简正波声场

本文讨论比较一般的指向性辐射器在分层介质中的声场,并将指向性概念应用于简正波计算。结果表明,对无方向性点源的简正波表示式补充以指向性激发函数,就可得到指向性辐射器的简正波声场,而指向性激发函数与辐射器的位置及指向特性有关。文中还分别计算了具有垂直对称性、反对称性、单边指向性以及尖锐指向性的辐射器的简正波声场。对于均匀水层中的垂直线阵,若源的分布函数正比于某一简正波的本征函数,则指向性激发函数的零点正好对应于其他简正波的本征射线的方向。 关键词：     

浅海波导中低频声场干涉简正模态的判别

浅海波导中,低频宽带声场中干涉简正模特性可用于声源定位和环境参数反演,然而实际应用中由于存在声源位置不确知、某些简正模激发较弱、模型参数选取失配等因素的制约,导致干涉简正模阶数的判别存在问题.结合水平线列阵应用,根据阵列接收信号中干涉简正模成分的波束输出角度与距离无关但与干涉简正模阶数和频率相关的波导固有频散特性,提出了一种基于阵元域接收信号自相关函数WARPING变换过滤干涉简正模,进而对其波束输出角度进行模基匹配判别简正模阶数的方法.利用2011年北黄海海域声学实验中坐底布放的32元水平线列阵接收的爆炸声脉冲信号,对方法进行了验证.并由仿真数据分析了声速剖面、海底参数和水深等参数失配及信噪比对方法性能的影响.结果表明水深变化14%以上对干涉简正模波束输出角度的提取值影响最大,可引起方法失效;声速剖面和海底参数在一定失配范围内对方法性能的影响可忽略;方法要求单阵元信噪比大于2 dB.