随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型

针对随机起伏冰面的声散射问题,建立了随机起伏冰面三维声散射的Kirchhoff近似数值计算模型。利用Delaunay三角剖分方法对随机起伏冰面进行三角面元剖分,然后采用Z-buffer算法进行面元的遮挡消隐,得到处于声波照射亮区的面元,最后采用Gordon面元积分的板块元方法计算得到随机起伏冰面的散射强度。数值计算模型中,将冰面认为是局部阻抗表面,直接代入起伏冰面局部反射系数进行散射声场的计算,避免了解析计算模型中对反射系数的近似处理。对比分析了数值和解析计算模型在小粗糙起伏冰面、大粗糙起伏冰面及不同声波入射角和不同声波频率时的散射强度。相比解析模型计算结果,数值模型计算结果与实测结果更吻合。      

北极典型冰下声信道建模及特性

将Burke-Twersky (BT)散射模型与射线理论相结合研究北极典型冰下的水声信道特性。BT模型将极地冰水界面的冰脊视为随机分布在自由表面的半椭圆柱。首先根据BT模型分别对高频和低频情况下的冰面反射系数取近似,计算不同频率的冰面反射系数。然后结合射线理论计算冰下声场并分析冰下信道特性,并与相同条件下绝对软界面的水声信道进行对比研究。结果显示,由于冰界面的存在,冰水界面与绝对软界面相比,冰面反射系数较小,使得部分声线不会传播很远,且随频率的增加衰减越发严重,因此不利于声信号远距离传播;此外在信道结构上,由于冰层反射系数较小,冰下信道多径相较于无冰的水-空气界面其多途现象不明显。研究结果对认知极地冰下水声信道特性以及开展极地水声系统性能预报具有一定意义。      

随机粗糙面激光脉冲散射四阶统计特征

依据基尔霍夫近似,推导出一维高斯随机粗糙面四阶统计特性解析式,并获得脉冲波入射下粗糙面双点双频四阶矩互相关函数.数值计算不同入射角,不同高度起伏和相干长度,随机粗糙面双点双频四阶矩互相关函数随相干频谱带宽频差,散射角的变化情况.计算结果表明,高度起伏和相干长度对粗糙面散射四阶统计特的影响很大,粗糙面越光滑,在镜反射方向有最大的四阶矩散射峰值和小的相关带宽.随着粗糙度增加,随机粗糙面脉冲散射的四阶矩的相干分量减弱,展宽现象明显;而相干带宽频差越大,四阶矩衰减越快. 关键词： 四阶矩统计特征 双点双频互相关函数 随机粗糙面 脉冲波散射     

混沌光场光子统计分布及二阶相干度的分析与测量

利用通信波段双通道单光子探测器,采用Hanbury Brown-Twiss关联测量方案,理论分析并实验测量了光反馈半导体激光器产生的混沌光场的光子统计分布及不同混沌状态光场的二阶相干度.通过对混沌光场二阶相干度g~((2))(τ)的理论分析,得出随着延迟时间和相干时间的变化,其与相干光、热光及单光子态的二阶相干度可明显区分并呈现出不同分布.同时实验上产生了频谱宽度6.7 GHz的混沌光场,测量了不同光子数分布的结果,并用高斯随机分布、泊松分布、玻色-爱因斯坦分布对光子数分布进行理论拟合,发现随着入射平均光子数的增加,光子数分布从玻色-爱因斯坦分布过渡到泊松分布,但整个过程都与高斯随机分布符合较好,且光场的二阶相干度g~((2))(0)由2降至1.通过改变偏置电流(I=1.0Ith-2.0Ith)和反馈强度(0—10%),实验上研究了混沌光场由低频起伏到相干塌陷的过程中不同状态宏观动力学特性与二阶相干度的对应关系.结果表明:混沌光场在此过程中始终呈现出明显的聚束效应,并在频谱宽度最大时达到最强;同时给出了光子计数测量中聚束效应减弱的物理原因.实验表明该系统及方法能很好地揭示不同状态混沌光场的光子统计特性.     

基于平底孔反射体的双晶直探头测量模型

双晶探头在无损检测领域有着重要的应用,因而有必要建立一个超声测量模型来深入了解这类换能器的特点.通过将一个基于传递矩阵的多高斯声束模型和一个基尔霍夫近似方法获得的散射模型有效结合,建立了一个完整的纵波双晶直探头测量模型,用于预测平底孔缺陷体的回波信号.对比分析了平底孔反射回波信号的模型计算结果与实验测量结果,验证了该测量模型的准确性. 关键词： 超声测量模型 双晶直探头 多高斯声束模型     

高散射媒质中的光程可分割动态光散射研究

为研究散射光强度随光子在散射媒质中散射光程的变化,基于单散射理论与扩散波光谱理论,采用了低相干动态光散射装置对不同粒径大小的聚苯乙烯悬浮液进行研究。将测量得到的背散射光光场强度谱的线宽与相应的理论计算结果相比较发现,在短光程区域,考虑容器壁附近拖曳效应的影响后,对于不同粒径的颗粒,光程为约5倍粒子平均自由程的区域可看成为单散射区域;对于光程大于225 m的区域可看成为扩散光波区域。实验结果表明低相干动态光散射法可实现高散射媒质从单散射区域到低次散射再到扩散区域的全光程的可分割的光场强度谱测量。     

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.     

线谱声源随机运动和随机海洋信道引起的非相干散射

本文采用广义相干函数和广义散射函数的概念探讨线谱声源随机运动和随机海洋声信道引起的非相干散射，指出接收点的散射函数是线谱辐射过程时空过滤函数和随机海洋声信道散射函数的卷积。文中分别给出了声源随机运动和海洋信道随机时延引起的空间频率谱扩展。     

结合计算层析与光学相干层析测量折射率分布

通过将计算层析技术与光学相干层析技术相结合,测量散射介质非均匀折射率分布。该方法测量散射样品折射率分布时,通过光学相干层析技术测量散射样品折射率分布在多个方向上的投影,采用计算层析技术实现对样品折射率分布的层析重建,克服了传统折射率光学测量方法如单纯的基于光学相干层析原理的焦点追迹法和光程匹配法,不能测量散射介质非均匀折射率分布的缺点。采用该方法在实验中对梯度折射率棒的径向相对折射率分布进行层析重建,取得了较好的实验结果。     

短路金属栅对正入射瑞利波的散射

由压电晶体动力学方程等出发,用电表面边界微扰技术得到了入射声表面波在栅区激发的微扰电场及电荷分布;将这些电荷作为表面激发源,用积分变换得到了包括散射声表面波和体波的一般积分解。数值计算了YZ-LiNbO_3,表面上短路金属栅对正入射瑞利波散射的声表面波,给出了其反射系数,前向散射系数等与栅条宽度的关系;进而导出了声表面波经过金属栅时的相速变化。理论计算与实验测量结果符合较好。     

海面冰层对声波的反射和散射特性

北极海面冰层复杂多变,其对声波的反射和散射严重影响冰下水声信道的传输特性,建立海面冰层的声波反射和散射模型对冰下水声通信研究具有重要意义.假设海面冰层为多层固体弹性介质且冰-水界面粗糙,满足微扰边界条件,导出声波从海水介质入射到海面冰层时相干反射系数满足的线性方程组.对相干反射系数随声波频率、掠射角、冰层厚度的变化进行数值分析.进一步引入根据散射声场功率谱密度计算散射系数的方法,改变掠射角,对冰层厚度、散射掠角对散射系数的影响进行研究.     

Explicit results for wave scattering and transmission through a rough fluid-fluid interface

This paper describes an analysis of reflection and transmission of acoustic waves from an imperfectly reflecting, rough fluid-fluid interface within the Kirchhoff approximation. It presents the results of calculations of the coherent and diffuse field. This work is motivated by the fact that few explicit results of the characteristics of the scattered and transmitted wave field exist in the literature for this problem. For the problem of interest, the surface reflection coefficient depends at each point upon the local angle between the incident wave and the rough surface. For surfaces with statistically independent local surface position and gradient, coherent field calculations show that the correction to constant reflection coefficient analyses is simply a multiplicative factor that depends upon the statistical characteristics of the surface gradient, sound speed and density ratio across the surface. This multiplicative factor is interpreted as an average reflection or transmission coefficient, <R> and <T>, respectively. The principle differences between these results and constant reflection coefficient analyses occur when waves impinge upon regions with higher sound speeds, where total internal reflection may occur. While the wave characteristics of smooth or constant reflection coefficient surfaces change abruptly in the vicinity of the angle of total internal reflection, the average reflection coefficient exhibits a much smoother dependence upon angle of incidence or sound speed ratio for rough surfaces. It is also shown that the direction of maximum diffuse scattering moves relative to its value were the reflection coefficient constant.     

Evaluation of the scattering coefficient for high-frequency sound scattered from the sea surface

The effect of the deviation of the real rough sea surface from the Gaussian isotropic surface on the scattering coefficient of high-frequency sound is analyzed. The analysis relies on the data on the sea surface slopes, obtained from field experiments in the Black Sea with the use of a two-dimensional laser slopemeter. It is shown that the effect of the anisotropy of the surface wave field on the scattering coefficient is small when the angle of incidence is small, but this effect rapidly increases as the angle of incidence grows. The deviation of the real statistical moments of the sea surface slopes from those corresponding to the Gaussian distribution results in a ±20% error in the theoretical values of the scattering coefficient.     

粗糙海面对高斯分布激光光束的反射模型推导

研究激光光束海面反射光强的方向分布特性对海上光电对抗等领域的工程实践具有重要意义.本文采用分形方法模拟粗糙海面,并在海面基准坐标系中建立起描述粗糙海面几何特征的数学方程,然后基于蒙特卡罗方法模拟高斯光束,依据几何光学原理在基准坐标系下推导了高斯光束的海面反射模型,采用该模型可以编程计算激光光束海面反射光强的方向分布.将模拟计算结果与实验结果进行了对比分析,结果表明该模型可以较好地反映激光光束海面反射光强的分布趋势,验证了模型的有效性.     

An angular cutoff composite model for investigation on electromagnetic scattering from two-dimensional rough sea surfaces

Based on the local configuration angle division to select the corresponding method for electromagnetic scattering calculation from rough sea surface,this paper presents an angular cutoff composite model:when the local scattered angle is in the specular region that is given by an approximately 20 degrees cone around the specular direction,the Kirchhoff approximation is applied to evaluate the specular reflection,which dominates the total scattering in this region;the small perturbation method is employed to handle the diffuse reflection which is predominant as the local scattered angle is situated out of the specular region.Numerical results are compared with those of experimental and theoretical models in several configurations as a function of incident angle,wind speed,wind direction.The comparison of numerical results of other experimental and theoretical models in several configurations shows that the new composite model is robust to give accurate numerical evaluations for the sea surface scattering.     

高斯分层介质粗糙面光波透射问题的微扰法研究

运用微扰法研究平面波入射分层介质粗糙面的光波透射问题,推出了不同极化状态的透射光波散射系数公式。采用高斯粗糙面来模拟实际的分层介质粗糙面,结合高斯粗糙面的功率谱导出了平面波入射高斯分层介质粗糙面的透射系数计算公式。通过数值计算得到HH极化透射系数随透射光波散射角变化的曲线,讨论底层介质介电常数、中间介质介电常数和厚度、粗糙面参数及入射光波长对透射系数的影响。数值计算结果表明：底层介质介电常数、中间介质介电常数和厚度、粗糙面参数及入射光波长对透射系数的影响是非常复杂的。     

随机粗糙表面光散射场分布特性的机理研究

为了研究随机粗糙表面光散射分布特性机理,采用线性滤波法生成高斯分布随机粗糙表面,以基尔霍夫近似作为电磁场边界条件,采用蒙特卡罗方法数值计算了一组金属和一组电介质粗糙表面在S偏振光和P偏振光照射下的散射光强度空间分布。计算结果显示:金属表面与电介质表面的散射光分布宽度、散射峰值、散射峰位置三个散射特征存在显著差异,经过分析发现这种特征差异的产生机理是由表面面元的斜率分布和面元反射率共同因素导致,与数值计算结果对比,二者具有良好的一致性。     

Monostatic and bistatic statistical shadowing functions from a one-dimensional stationary randomly rough surface: II. Multiple scattering

The integral equation model (IEM) has been developed over the last decade and it has become one of the most widely used theoretical models for rough-surface scattering in microwave remote sensing. In the IEM model the shadowing function is typically either omitted or a form based on geometric optics with single reflection is used. In this paper, a shadowing function for one-dimensional rough surfaces which incorporates multiple scattering, finite surface length and both monostatic and bistatic configurations is developed. For any uncorrelated process, the resulting equation can be expressed in terms of the monostatic statistical shadowing function with single reflection, derived in the preceding companion paper. The effect of correlation between the surface slopes and heights for a Gaussian surface is studied to illuminate the range over which such correlations can be ignored. It is found that while the correlation between surface slopes and heights in the monostatic statistical shadowing function with single reflection can be ignored, when calculating the average shadowing function with double reflection the correlation between slopes and heights between points must be incorporated.     

浅海起伏海面下气泡层对声传播的影响

分析了起伏海面下风浪引起的气泡层对海面反射损失和对声传播的影响.一方面,气泡层会改变原来水中的声速剖面;另一方面,气泡层会对声波产生散射和吸收作用.考虑以上两方面的因素,分析了不同风速下气泡层对海面反射损失和声传播损失的影响,仿真发现,在风速大于10 m/s时,对于2 k Hz以上频率时气泡层对小掠射角下海面反射损失的影响不可忽视.在给定的水声环境中,当声源深度和接收深度都为7 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到8.1 d B.当声源深度和接收深度都为18 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到4 d B.