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。     

非线性内波存在下的浅海远程混响模型

研究了浅海非线性内波对远程混响场的影响。通过分析非线性内波活动引起声源到海底散射元以及散射元到接收点之间的声传播变化,给出了非线性内波引起远程混响强度变化的表示,建立了非线性内波存在下的浅海远程混响模型,数值计算了非线性内波运动引起远程混响强度的变化。理论和数值计算表明,非线性内波的活动能够引起远程混响强度的变化,在某些情况下会导致远程混响强度增强。通过讨论非线性内波引声简正波的耦合效应,给出了其引起远程混响强度增强的原因。      

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.     

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。     

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。     

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。     

低频混响信号中的简正波衰减系数提取方法

提出一种从低频混响信号中提取简正波衰减系数的方法。利用简正波过滤技术对垂直阵混响信号进行分析,获得单阶简正波混响声场。假设海底反向散射矩阵可分离,从单阶简正波平均混响强度中提取出有效海底反向散射矩阵元素,最后利用不同距离上的有效海底反向散射矩阵元素计算出简正波的衰减系数。利用该方法从混响信号中提取出的简正波衰减系数预报的声传播损失和相同海域实测声传播损失一致。该简正波衰减系数提取方法有效避免了海底散射衰减和简正波传播衰减耦合的问题,同时对海底参数反演和水声环境的快速评估也具有重要的意义。      

浅海异地混响理论与实验比较

在亚洲海国际声学实验(ASIAEX2001)中记录了本地混响和异地混响的实验数据。对数据进行处理时,发现异地混响数据和本地混响数据有较大差异:本地混响衰减和混响垂直相关小于异地混响衰减和垂直相关。为了解释这一现象,根据浅海混响的射线简正波理论,结合三维海底散射模型,给出了浅海异地混响衰减和混响垂直相关的一般表达式。讨论了与本地混响衰减和混响垂直相关的关系,并与实验数据进行了比较。理论计算和实验数据表明:在经过时延(从声源到接收器的传播时间)后,较远距离的异地混响衰减与混响垂直相关可以由本地混响衰减和垂直相关近似表示。     

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。     

浅海低频本地海底混响的波导不变性结构及抑制方法研究

根据浅海混响的射线简正波相干混响理论和可分离的海底散射模型,从理论上推导了浅海低频本地海底混响信号中存在的稳定的距离-频率干涉结构(波导不变性结构),并在此基础上基于谱相减的思想提出了一种基于波导不变性的本地海底混响预测对消方法。针对某个检测距离,其对应的中心频率上的海底混响强度可以根据波导不变性通过频移的方法在另一个与之相邻的距离上估计得到,利用该估计的混响强度可以对消检测距离对应的回波信号中的海底混响强度分量,增强回波信混比,提高目标检测能力。针对典型水平分层浅海波导环境,通过计算机仿真实验分析了低频海底混响存在的稳定波导不变性结构,验证了本文提出的基于波导不变性的混响预测对消方法的有效性。      

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。     

浅海表面声道中的简正波声场

本文讨论简谐点源在浅海表面声道中的声场,给出简正波的近似解。假定海水声速随深度单调增加,利用在反转点连结的WKB近似,导出简正波极点方程与振幅函数的近似表式,得到简正波的群速与指数衰减系数。这些表式形式上都很简单,物理意义清楚,并便于计算对于两个具体例子分别计算了近似解与精确解的数值,比较结果表明,近似解具有一定的准确性。     

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。      

浅海波导中折射类简正波的warping变换

Warping变换可以实现单水听器浅海低频声波导的简正波分离.本文讨论了海水声速随深度线性减小浅海波导中折射类简正波的warping变换.理论推导了海水折射类简正波水平波数、频域相位及瞬时相位的表达式,由此提出了相应的时域和频域warping变换算子,并由仿真数据进行了验证.本文的理论推导过程同样适用于海水声速线性增大或海水折射系数的平方随深度线性变化的浅海波导.     

一种基于单水听器的浅海水下声源被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在群延迟理论的基础上,与warping变换处理相结合,提出了一种适用于浅海波导中宽带声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以实现对脉冲声源接收信号各阶简正波的分离提取,对分离后的简正波进行时频分析处理可以得到各阶简正波到达时刻和频率之间的关系,即各阶简正波的频散曲线,从而得到任意两阶简正波到达接收水听器的时延差.海底相移参数P是描述海底地声参数的一个重要参量,包含了海底地声参数信息,在海底环境参数未知而P已知的情况下,利用P和简正波水平波数之间的关系可以求得任意两阶简正波的?S_(g,mn)(群慢差).根据群延迟理论,利用得到的任意两阶简正波的时延和?S_(g,mn)可实现利用单水听器对水下声源进行被动测距.本文提出的测距方法测量简单、计算方便,具有较强的实用意义.数值仿真和海上实验数据处理结果的测距误差都在10%以内,证明了该方法的有效性.     

浅海中简正波的衰减与群速

本文从均匀浅海的频散方程出发导出了计算简正波衰减与群速的公式,并通过数值例子比较了它们的精度。文中特别讨论了临界简正波的衰减与群速,证明Pekeris浅海中临界简正波的衰减与群速一般小于海底吸收与声速,从而修正了 Kornhauser,Raney,Weston与Tindle关于临界简正波衰减与群速正好等于海底吸收与声速的结论。     

运动声源与接收器的脉冲简正波传播

基于简正波声场理论,导出了声源和接收器运动情况下窄带脉冲声传播的表式。分析了窄带脉冲声的单个简正波Doppler频移特性。通过研究接收与发射脉冲信号的相关,给出了窄带脉冲信号的Doppler匹配条件以及Doppler频移补偿间隔的般表式。浅海55 km的D0ppler频移补偿实验验证了理论结果。     

浅海波导中水平接收阵被动时反混响抑制方法研究

使用基于射线简正波异地混响理论建立的水平接收阵接收海底混响模型,提出了水平阵被动时反混响抑制方法。以水平接收阵接收回波信号的某一时刻作为开始,分别对其前一时刻和后一时刻的回波信号做时反算子分解获得两个混响子空间,将这两个混响子空间的平均作为该时刻的混响子空间的一个估计,然后利用投影处理来抑制该时刻接收信号中的混响成分。该方法可以在一定程度上克服由于海底粗糙引起的局部时间(距离)段内接收回波信号的不平稳性,使得估计得到的混响子空间更加接近真实混响子空间。因此,利用其进行被动时反混响抑制可以增强回波信混比,提高对目标的检测和方位估计能力。针对典型浅海波导环境开展的仿真验证了本文方法的有效性。      

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。