小掠射角下高斯谱粗糙海面反射损失建模

在散射能量基本为前向散射且集中在“镜面反射”方向的情况下,粗糙海面反射损失建模是声呐信号传播建模必不可少的一部分,尤其对于中远距离下浅海或者存在表面声道的水声环境,小掠射角(10°以内)下的粗糙海面反射损失建模尤为重要。首先基于高斯谱粗糙海面模型,通过高海况下的声传播试验数据处理分析了粗糙海面边界条件下的Ramsurf声传播模型的有效性,进而以Ramsurf声传播模型为基准,在小掠射角下,比较分析了Kirchhoff近似(KA)海面反射损失模型和小斜率近似(SSA)海面反射损失模型,数值计算结果表明,在小掠射角下SSA海面反射损失模型与Ramsurf计算结果较为吻合,是比较精确的海面反射损失模型。      

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.     

丛林地貌高功率微波传输散射特性

 采用时域有限差分方法仿真分析了高功率微波在丛林地貌传输的双站散射特性,得到了不同入射角度下的双站散射规律,对比分析了利用数值和解析两种方法得到的丛林散射系数与掠射角关系。理论分析和数值计算结果表明：散射系数曲线存在布儒斯特角,且地貌电参数越大,布儒斯特角越小;掠射角小于布儒斯特角时,散射系数随掠射角的增大而减小;掠射角大于布儒斯特角时,散射系数随掠射角的增大而增大。水平面情况下的不同丛林类型双站散射系数变化趋势一致;对于介电常数相对较大的丛林地貌类型,通过镜面反射方向时域有限差分方法得到的半功率波瓣宽度较宽;同一丛林地貌类型不同均方根高度条件下,均方根高度增大,相干分量变小,非相干分量变大;不同入射角、相同地貌和电参数情况下,散射系数的峰值向对应的镜面反射方向移动。     

海面随机起伏对噪声场空间特性的影响规律

对于1 k Hz以上声波,海面起伏会对浅海声传播产生显著影响,现有的噪声预报模型在建模过程中基本没有考虑海面起伏的影响.针对这一问题,本文基于传输理论建立了随机起伏界面下噪声场垂直相关性和指向性模型,仿真分析了海面起伏对噪声强度、垂直相关性与指向性的影响.结果表明,对于表面噪声,海面随机起伏使声波能量从中间阶简正波向低阶和高阶简正波转移,而对噪声强度起主要贡献的一般是中间阶简正波,所以海面起伏使得噪声强度减弱;简正波之间能量的耦合导致垂直平面上不同掠射角方向上到达的声波响应发生变化,经由海面反射大掠射角到达的声波响应以及中小角度到达的声波响应变弱,而经由海底反射大掠射角到达的声波响应变强;海面随机起伏还会扰动各阶简正波相位,使不同阶简正波互相关性变弱,致使噪声场的空间相关性也变弱.     

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。      

松花江冰下声学试验技术研究

北极区域极具战略意义与商业价值,随着各国的广泛关注,针对北极地区开展的科考科研活动逐渐增多。其中北极海域的相关研究尤为重要,特别是北极水声学,是保障北极军事存在以及正常科考科研活动的重要支撑。课题组于2015年1月在哈尔滨松花江进行了冰下声学试验,主要内容包括冰下信道测试、冰层散射系数测量以及冰下水声通信试验,实现了冰下半波导现象的初步观测、冰层前向散射系数的测量、基于能量检测器的低信噪比扩频通信、基于时反镜判决反馈均衡技术的高速水声通信以及冰下12用户多址水声通信等内容。本文对本次冰下声学试验情况进行介绍,并给出了相应的试验结果及经验总结。     

基于大掠射角海底反射特性的深海地声参数反演

海底声学参数的获取对于海洋声学研究有着重要意义.通过推导分层吸收介质下的海底反射系数,理论分析了大掠射角条件下吸收系数对海底反射系数的影响.海底反射系数随频率振荡过程中,将其等于海水-沉积层界面反射系数模时所对应的频点定义为1/4振荡周期频率.在该频率下,沉积层吸收系数与基底地声参数的耦合程度小于其他频点.本文基于大掠射角下的海底反射特性,提出一种深海地声参数分步反演方法.首先,利用相关法提取得到海底反射系数的干涉周期,利用干涉周期反演了沉积层声速和厚度.声速的反演结果结合Hamilton经验公式反演密度.第二步,通过结合基底声速的穷举边界,给出沉积层吸收系数的假设值,利用1/4振荡周期频率下的海底反射系数对基底声速进行一维反演.最后利用半波层频率下的海底反射系数对沉积层吸收系数进行一维反演.大掠射角海底反射特性结合分步反演,实现了基底声速和沉积层吸收系数一定程度的解耦合.实验结果表明,在大掠射角测量条件下,该方法反演的地声参数可有效应用在一定范围内的传播损失预报.     

分形海面的微波电磁散射计算模型

利用2维Weierstrass带限函数建立了模拟粗糙海面形状的模型,讨论了分形维数、频率幅度尺度因子等分形参数对海面形状的影响。以粗糙海面形状模型为基础,针对模拟的分形海面形状,从亥姆霍兹积分出发,利用基尔霍夫近似推导出2维分形海面的电磁散射系数,并进行了数值模拟。对微波电磁散射特性随分形维数、频率幅度尺度因子、入射波入射角变化的规律做了进一步讨论分析。在低掠射角时电波会受海面的遮挡,用遮挡函数对散射系数进行修正。研究表明:随着分形维数的增大,散射峰分布变均匀。频率幅度尺度因子越大,散射也越分散。随着入射角的增大,后向散射也逐渐增强,而前向散射逐渐减弱。     

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.     

修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算高斯起伏冰面三维声散射

针对随机起伏冰面的声散射计算问题,利用修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算了高斯起伏冰面的三维声散射。在计算模型中引入了冰面局部统计平均反射系数的概念,将二维高斯起伏冰面的散射分为相干散射和非相干散射,分别得到两类散射成分的散射系数公式,计算了高斯起伏冰面三维声散射的散射强度。分析了散射强度与随机起伏冰面的均方根高度、声波入射角度及频率的关系。通过实验室水池中高斯起伏冰面的散射强度测量实验,对理论模型的计算结果进行了验证。将实验结果分别与采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果和文献中采用平整冰面镜反射系数的模型计算结果进行了对比,采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果与实验测量值吻合较好。      

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。      

Modeling and characterizing the typical under-ice acoustic channel for the Arctic

The properties of arctic underwater acoustic channel were researched using BurkeTwersky(BT) model and ray theory.In the BT model,sea ice ridge is assumed as a set of semi-elliptical cylinder randomly distributed on a stress-free surface.By approximation of low frequency and high frequency of the BT model,the reflection coefficients were calculated at different frequencies.On the basis of ray theory,the acoustic field was calculated and the properties of underwater acoustic channel was analyzed.Compared to underwater acoustic channel properties when the boundary is air,the results show that under the ice surface some sound rays disappear during transmission,because the ice surface reflection coefficients is less than absolute soft surface.Especially,the higher the frequency,the higher the under-ice transmission loss.As a result,under-ice condition is unfavourable for acoustic signals to travel far.Besides,as to the channel structure,the reflection coefficient of ice layer is smaller,the channel multi-path structure is not significant compared to water-air interface without ice.The research results are valuable for our understanding of hydroacoustic channel and the prediction of the sonar system working in the polar region.     

典型北极冰下声信道多途结构分析及实验研究

针对北极海域典型声场环境,提出了基于OASES-Bellhop耦合模型的冰下声信道多途结构快速分析方法。模型将海冰等效为具有粗糙界面的弹性分层介质,利用微扰法与Kirchhoff近似,估计海冰界面不均匀造成的散射损失,结合射线传播理论对典型北极冰下声信道多途结构进行分析与预报。数值仿真与实验结果表明,在6 km距离处,典型北极冰下声信道由于海冰与海底反射分别形成多途结构,海冰多次反射路径叠加形成的多途结构较为稳定,时延扩展在14 ms范围内,海底反射路径强度相对较弱。OASES-Bellhop模型对冰下声信道多途结构幅度和时延预测误差较小,能够较好的解释及预报实验观测到的多途结构环境特性。      

Multipath structure of the typical under-ice sound channel in the Arctic:theory and experiment

Considering the typical acoustic environment of the Arctic, this paper proposes a method based on OASES-Bellhop coupled model to rapidly analyze the multipath structure of the under-ice sound channel. Firstly the proposed model refers to ice plate as stratified elastic media with some roughness. Secondly,it uses the perturbation method and Kirchhoff approximation theory to solve the scattering loss due to the sea ice inhomogeneity. Finally, the model predicts the multipath structure of the under-ice channel through Ray theory. The results of the numerical simulation and experiment indicate that the typical Arctic sound channel presents multipath structures due to the sea ice and seabed in the range of 6 km, respectively.The sea ice reflection paths are stable,with a short multipath spread within 14 ms. The seabed reflection paths have relatively weak strength. The proposed OASES-Bellhop coupled model successfully predicts the amplitude and delay of the multipath structure with small error,which indicates the proposed model is able to analyze and predict the multipath structure of the observed acoustic environment in experiment.     

Scattering of bulk acoustic waves with different polarizations on a statistically rough free surface of a solid at oblique incidence

In the first Born approximation of the perturbation theory by a Green's function method developed by Maradudin, Mills [7] and Kosachev, Lokhov, Chukov [8,9] the problem of scattering bulk acoustic waves with different polarizations at oblique incidence on a statistically rough free boundary of an isotropic solid was solved. When the correlation function of the surface roughness is of a Gaussian form, the expressions for the transformation energy factor of the incident wave in the scattered volume and surface Rayleigh waves with respect to polarization, frequency and grazing angle of the incident wave as well as the roughness parameters and the Poisson coefficient of the medium were obtained. These results are helpful in accounting for the experiments on residual losses [15–17].     

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.     

北极跨冰层水中声源方位估计实验与分析

为了获取北极冰下声源方位信息,在北极冰层上方布放检波器和冰下投放声弹声源开展了冰下声源的分频段方位估计实验.研究结果表明,冰下声源方位估计的误差、准确率与检波器接收信号频段(或冰下声源信号频段)有关.采用低频段的接收信号进行方位估计时准确率较高,误差均值较小,所用接收信号频段≤250 Hz时,方位估计准确率可达72.9...     

含卷浪Pierson-Moscowitz谱海面电磁散射研究

海尖峰的存在会导致雷达虚警概率的上升和多目标环境中检测性能下降,因此研究海尖峰现象意义重大.海尖峰现象的一个重要特点是海面的水平极化散射强度接近甚至大于垂直极化散射强度,卷浪被认为是产生海尖峰的一个原因.首先建立了卷浪和Pierson-Moscowitz谱海面的共同模型,利用矩量法研究了卷浪模型的水平和垂直后向电磁散射特征,包括入射频率、入射角、风速和风向对电磁散射特征的影响.发现在小擦地角情况和较大风速下超级现象(水平散射强度大于垂直极化散射强度)比较明显,从而推论出在小擦地角入射下产生海尖峰现象的概率较大.同时对时变卷浪在小擦地角入射时的海杂波幅值分布特性和多普勒谱进行了分析.