深海大接收深度海底混响研究

海洋混响对主动声纳工作性能的影响不可忽略,一直是水声学研究中的一个重要课题.在南海实验中获取了深海混响实验数据,包含近海底大接收深度的混响信号,其强度随时间变化存在锯齿形结构.为对混响数据进行深入分析,基于射线理论提出了一种深海海底混响模型,能够计算本地混响和异地混响强度,并可解释深海混响信号的产生过程.该模型首先对海底散射体进行网格式划分,然后根据每个网格内散射体产生混响信号的准确时间进行混响计算,对于传播路径丰富的深海环境比传统按圆环或椭圆环处理散射体的方式更加精确.在多种收发距离和接收深度条件下,将数值模拟结果与实验数据进行比较.结果表明:对于大接收深度,混响整体吻合较好;而靠近海面处的混响,二者的一致性下降.分析结果表明,使用的海底散射系数参数适用于该实验海区,同时验证了该散射系数模型对于小掠射角海底散射更加准确,对应深海大接收深度混响.     

气泡线性振动时近海面气泡群的声散射

海洋中的不同成因的气泡群是常见的水下声学目标及声呐混响源,因此对水下气泡群进行声学建模意义重大。利用有效媒质理论描述气泡群内部的相速度及声衰减变化,并考虑到海洋中气泡群往往产生于不同界面附近,进一步利用球面波叠加原理描述海面对气泡群散射声波的再辐射,导出了平海面作用下气泡群声散射截面的一般表达式,建立了其声散射模型,研究了单一尺寸及混合尺寸气泡群的声学特性。数值分析表明,气泡群的谐振频率会随其半径或孔隙率增加而降低;由于海面的存在,气泡群声散射截面会随频率进行周期性变化,且随气泡群远离海面,这一变化逐渐加剧。此外,若气泡的黏滞阻尼项在全部阻尼项中占比较高,气泡群声散射强度会在谐振频率附近存在起伏振荡。该模型可为近海面鱼群、气泡羽流及海底泄漏的甲烷气体的声学建模提供一定的理论基础。     

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.      

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.     

双基地冰-水界面混响强度的理论预报

针对北极冰层冰水界面具有小尺度粗糙界面的情况,给出由冰层造成的混响平均强度的理论预报公式。首先将北极冰层等效为具有粗糙界面的弹性介质,并且采用小粗糙度微扰理论在精细拟合粗糙度谱的基础上,建立粗糙冰层的三维散射强度模型,然后建立三维双基地声呐几何模型确定有效散射区域,最后给出双基地冰下混响平均强度的估算公式,并在所拟合的粗糙度谱的情况下,利用该预报公式计算双基地声呐配置参数和海冰物理及声学特性对冰下混响强度的影响算例。数值仿真表明该公式能够估算出北极冰下双基地声呐产生的混响平均强度,并且分析出了时延、基线长度等声呐配置参数和冰层声速比、密度比等海冰物理参数会对混响强度造成的影响。声呐的配置参数主要影响散射的有效面积,海冰的物理参数则影响着冰层的散射强度。其中,冰层声速比不仅影响混响强度的大小,还会影响混响强度随时间的衰减速度。      

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。     

有黏条件气泡声散射特性和衰减谱数值研究*

通过研究有黏条件下的气泡散射模型,数值分析水中单气泡声散射特性,进一步结合Beer-Lambert定律将其扩展到多气泡体系的声衰减预测。数值结果表明,随着谐波阶数递增,散射强度分布数值结果趋于稳定且前向散射增强。同时发现,无因次尺寸参量ka=0.1为过渡区与纯散射区的分界线,且在共振区间具有明显的吸收效应。对多气泡体系的声衰减预测也表明,ka 0.1时,该文气泡散射模型声衰减计算与经典ECAH模型结果吻合,在低浓度条件下声衰减谱随着剪切黏度的增加呈增宽趋势,且与体积浓度成正比例递增。模型预测的声衰减随粒径、声波频率、体积浓度分布数值特征能够为颗粒两相体系粒径及浓度表征提供理论依据。     

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。     

浅海混响的垂直相关和海底反射损失与散射强度的反演

根据浅海混响射线简正波理论和可分离的海底散射模型,导出了混响垂直相关的表达式,理论研究和实验结果表明垂直相关与接收深度有关,与声源深度无关。提出一种利用混响强度衰减曲线与混响垂直相关曲线联合反演海底反射损失和海底散射强度的方法。数值模拟反演及对实验数据的反演表明:所提出的反演方法具有实验简便、反演速度比较快及反演的结果比较稳定等特点。     

浅海远程混响与海底散射强度

利用浅海平均声场角度谱分析法,在海底散射的任意角度关系和浅海均匀层远程混响的距离关系之间建立了变换关系。与国外沿用的深海近程界面混响理论相比,多了多途传播修正因子K(公式18)。利用该变换关系式,由黄海、渤海、东海等5个海区的浅海远程混响资料,推得频率为0.8—4kHz,掠射角为2—10°的低频、小掠角海底散射强度。所得结果与国外深海直接测量的大掠角数据衔接较好。结果同时表明,大陆架高声速海底散射常数(μ)和角度指数(2n)不仅与海区、频率有关,而且与角度范围有关。在掠角很小时,海底散射强度随掠角减小比中等掠角时衰减更快。     

修正的混响多普勒扩展非对称统计模型

运动声源探测低速目标时,混响谱呈现的非对称性导致正负速度目标的回波具有不同的信混比,需要准确估计双边谱的扩展程度来分别设计检测策略,而传统的对称模型不能描述这种非对称性。基于双边指数分布对称模型,修正的非对称统计模型可用来描述由平台运动、海面运动等引起的混响谱非对称扩展现象。文中推导了非对称模型的数学表达式,并阐述了模型各参数的物理意义。运动声呐平台的湖试实验分析结果验证了该模型对平台在不同速度运动时引起的非对称混响谱都有较高的拟合度,证明混响谱负向多普勒扩展程度随平台运动速度提高而加剧,且非对称模型参数具有量化描述混响谱非对称扩展程度的能力。      

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。     

双尺度动态分形粗糙海面的电磁散射及多普勒谱研究

利用更为符合海面实际散射场计算的双尺度法分析并计算了一维动态分形粗糙海面的后向散射截面，同时与微扰法有关结果进行了比较.研究了动态分形海面后向散射信号的多普勒谱分形特征，分析了不同极化状态下后向散射截面和多普勒谱谱宽随入射角及分维的变化规律，最后详细讨论了多普勒谱中心频率与海面Bragg谐振频率间的关系. 关键词： 双尺度模型 分形海面 电磁散射 多普勒谱     

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。     

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。     

含泡沫面元模型的海面电磁散射研究

传统计算海面电磁散射的方法都是通过求集平均的方法来统计得到不同输入参数下海面总回波系数的均值曲线,并不需要具体的几何样本.随着合成孔径雷达以及雷达成像的发展,为了充分描述海面各点的分布特征,需要得到海面具体面元的散射结果,同时随着海面上方风速的增大,海面泡沫层的出现会对散射结果产生相当大的影响.本文采用海面模型面元化的思想,将海面散射的贡献面元化,同时考虑泡沫层对大入射角下散射结果的影响,计算了不同风速下海面的后向散射系数,并与实测数据做对比分析,验证了方法的准确性.     

北极冰下双轴声道传播特性研究

本文利用第六次北极科学考察的所得的楚科奇海温盐深数据,开展了北极海域声传播特性研究。通过引入Diachok海冰散射模型,将海冰界面模拟为无限椭圆形半圆柱体在自由界面的随机分布,利用Twersky散射理论计算了海冰的反射系数。使用简正波中的KRAKENC模型,结合海冰参数,进行了传播损失仿真分析。研究表明,北极的双声道波导中表面声道的传播特性与声源频率和收发深度紧密相关。深海声道与北极典型声速结构的传播特性一致,具有频率选择特性,在20 Hz左右时传播特性较为理想。此外,在远程传播时,深海声道的传播特性要优于表面声道。     

气泡/泡沫覆盖粗糙海面电磁散射的修正双尺度法研究

提出了风驱粗糙海面覆盖水气泡层的‘体-面’复合模型.基于修正的双尺度粗糙面散射理论、MIE理论和矢量辐射传输理论,比较了水气泡与实心水粒子的电磁散射特性的差异,分析了海面泡沫覆盖率与风速、气-海温差的关系.在有、无泡沫层情形下,采用高斯和经验海谱,讨论了单站、双站散射系数与入射角、方位角、风速、风向、极化等参量的关系,并将数值计算的结果与相关文献的测量值进行了比较和分析. 关键词： 电磁散射 海面复合模型 修正双尺度法 MIE     

二维粗糙海面散射回波多普勒谱频移及展宽特征

基于二维线性海面模型及粗糙面电磁散射的一阶小斜率近似公式,研究了海面回波各阶多普勒谱的频移特性,得到了多普勒谱频移所对应的理论公式,与经典多普勒频移公式相比考虑到了风速、大尺度波浪轨道运动等因素对多普勒谱频移的影响;同时根据粗糙面的双尺度模型,基于多普勒谱频移的物理机理,给出了求解散射场多普勒谱展宽的理论公式.最后将理论公式计算所得结果与模拟结果及实测数据进行了比较,讨论了风速、入射波频率及入射角等因素对多普勒频移及多普勒谱展宽的影响.通过比较可以发现,给出的理论公式可以对多普勒谱频移和展宽进行一定程度的预测. 关键词： 粗糙海面 电磁散射 多普勒谱