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。     

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。     

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。     

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。     

浅海平均混响强度的数值模拟

海中混响是回声探测的严重干扰。利用本文给出的混响模型可较快地计算分层海洋中平均混响强度的衰减规律及深度结构。 对于近程混响,由于海水非均匀性的影响较小,使用均匀层的射线方法计算。对于远程混响,使用简正波方法计算,它保持了平滑平均后的深度结构。在中等距离上两者能很好地衔接起来,由于考虑了复本征值对简正波入射场的影响,提高了计算精度,通过比较不同散射模型对混响强度计算的影响,提出以分离型二元散射模型作为混响数值模拟的基础,使能由界面反向散射系数估算二元后向散射系数,并大大简化混响强度的数值计算。     

双基地混响平均强度理论及仿真预报

考察远程双基地界面混响,可以仅考察二维问题,其散射区域为一椭圆环带;对于近程双基地界面混响,必须讨论三维模型,其散射元分布在一椭球面上.对二维和三维双基地混响进行理论建模分析,该模型优点是无需使用无线电通信,借助GPS时钟即可同步工作,实现双基地声呐系统的测距及测向,便于双基地声呐系统的集成.推导出二维和三维模型的双基地声压混响理论预报公式.对三维矢量混响作仿真研究,并讨论矢量传感器组合指向性抗混响. 关键词： 双基地混响 声压混响 矢量混响     

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。     

基于信道传播理论的多基地远程海底混响研究

针对浅海多基地远程海底混响, 以声传播的线性信道近似理论为基础, 通过确定海底界面的不均匀起伏特性, 对入射声波的远距离异地混响脉冲响应函数进行求解. 对非水平分层介质的浅海波导, 利用绝热简正波求解信道的传输函数, 得出了小角度斜坡海底的远程海底混响强度, 以下坡海底为例, 分析对比了不同海底倾角斜坡海底对远程异地混响强度及其衰减规律的影响. 理论仿真表明, 波导的传输效应对多基地远程海底混响强度的影响不可忽略.     

浅海混响建模的声束跟踪理论

研究建立了基于声束跟踪理论的浅海混响强度计算方法和混响时间序列仿真方法。给出了混响强度计算的简要理论推导,并进行了模型计算值与实验值的比较。建立了一种混响时间序列仿真模型,给出了其实现框架和方法。结合实验数据与文献研究结果,进行了混响序列相关特性的检验与分析。结果表明:建立的混响强度计算模型能很好地进行浅海混响强度的预报,混响序列仿真模型能仿真具有不同包络分布的混响序列,且其相关特性符合实验与文献研究结果。      

界面混响的耦合简正波理论研究

利用耦合简正波理论分析了粗糙界面散射引起的混响。引入了粗糙海底以及海面引起的各个模态间的耦合系数表述粗糙界面对声场的散射过程。结合风浪谱Pierson模型,仿真了不同海况下的海面混响,重点在于分析不同海况下海面起伏对海底混响的影响。利用耦合系数的求解从粗糙海面引起模态间能量耦合的角度对这种影响进行了机理性的探究。结果表明,尽管在浅海中海底混响占支配性地位,但随着海况等级的增加,海面散射对海底混响是有影响的,而这种影响可以从粗糙界面对声波模态间的耦合进行机理分析。      

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。     

深海本地界面混响平均强度模型与规律分析

为揭示深海多途传播效应及界面参数对本地界面混响强度的影响规律,将界面混响表述为不同多途混响衰落过程的非相干叠加结果,并结合界面散射的若干物理机制,建立了以海面海底物理参数为变量的混响强度模型.通过数值仿真和理论分析研究了不同多途混响强度的衰落特性、到达角的空间分布及部分物理参数对混响强度的影响,并利用南海海盆(典型泥质海底)实验数据对模型有效性进行验证.仿真结果表明,界面混响强度随时间变化呈现多峰结构,峰值时间与多途混响的到达时间分布一致。声源与接收器均位于近海面处时,首峰的峰值强度及其衰落过程由海面风速决定,其它峰的峰值强度由海面海底参数共同决定,但其衰落过程主要受到底质参数的影响.      

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。     

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.     

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。      

噪声修正的混响反演海底反射系数幅值参数

利用一种噪声修正方法解决低混噪比条件下混响数据反演海底反射系数幅值参数偏差的问题。将全波动混响理论中的混响非相干平均强度,叠加海洋环境噪声平均强度,获得包含噪声的混响平均强度理论,分析背景噪声平均强度对反演海底反射系数幅值参数的影响。数值仿真表明,背景噪声平均强度的叠加使得混响平均强度衰减趋势减缓,导致海底反射系数幅值参数反演结果偏小,混响噪声比越低,影响越明显。提出一种噪声平均强度相减的修正方法,对混响噪声比为[0,6] dB的混响平均强度数据进行修正,利用修正后的混响数据反演得到偏差较小的海底反射系数幅值参数。对比浅海混响实验数据衰减至不同混噪比时反演所得海底反射系数幅值参数,以及经噪声修正后的反演结果,验证了本文提出方法的可行性。      

浅海平均声场角度谱分析法与回波混响比的距离、深度结构

浅海平均声场角度谱分析法以Ray-mode理论为基础。引进平均声场角度谱的概念以后,可使浅海传播衰减、远程混响和空间相关等平均特性的一些计算变得较为简单。用该法在浅海负梯度和均匀层情况下,计算了远程混响和回波、混响比的距离、深度结构。理论证明,在非均匀层浅海远程探测中,深度可变声呐比固定声呐有较为明显的优越性。本方法和结果将有助于分析小掠角海底(面)散射的角度、频率依赖关系。     

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.     

用射线方法计算浅海混响平均强度(Ⅱ)

本文推广前文所述计算均匀层浅海远程混响强度的方法,使之能对由两个等速层L_1(靠近海底)、L_3(靠近海面)和一夹于其间的梯度层L_2所构成的非均匀浅海进行计算.在这种混合层中的声线按其能否穿透梯度层L_2可分为两类.考虑到在远程情况下所有有效声线的掠射角都较小,从而可近似地求得计算混响所需的各声线的掠射角.文中计算了收发合置于上层L_3时的海底和海面混响强度I~+_3b、I~-_3b和I~+3s,这里“±”表示梯度a(?)0.远程的计算结果表明I~+_3b～r~7/2(对均匀散射)、I~+_3b～r~-4(对兰贝特散射)、I~_3b～r~-5(对两种散射),I~+_3s～r~-1(对均匀散射).对收发合置于下层L_1的情况可作类似的计算,不会遇到更多的困难。