浅海矢量声场干涉结构形成机理及试验研究

浅海低频声场的微观结构特征在于具有可用波导不变量表征的 稳定空间-频率干涉结构.声场兼具标量场和矢量场, 波导条件下二者联合决定声场的全部特性. 本文研究浅海声场空频干涉结构的矢量场特征. 理论分析了声压谱、动能密度谱、声强流谱等矢量场干涉结构的形成机理, 探讨了矢量场干涉结构的波导不变量表征, 数值仿真研究了Pekeris波导中能量和能流密度的干涉特性, 进行了宽带声源辐射矢量声场干涉特性及表征的海上试验.实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性. 研究结果表明: 中近程和中远程声场均能模态相干, 有稳定的空频干涉结构, 并且矢量声场空频干涉结构存在多种形式, 除各种能量和能流密度谱图外, 相干系数谱也呈现干涉特征, 这些形式的空频干涉结构均可用波导不变量理论有效表征. 关键词： 矢量声场 干涉结构 波导不变量 浅海低频声场     

基于时空滤波理论的低频声场干涉结构研究

基于时空滤波理论, 采用相干函数、功率响应函数、扩展分布函数、双频函数四个系统函数较波导不变量更全面地描述了低频声场的相干结构. 理论分析、仿真研究和海试数据处理都验证了低频声场存在稳定的干涉结构, 当目标由远及近、又由近及远做匀速直线运动时, 相干函数(LOFAR图)的干涉结构为一簇类双曲线; 功率响应函数的干涉图表征了简正波群时延的差分, 体现了其频散特性; 扩展分布函数能反映LOFAR图上干涉条纹的斜率大小; 而双频函数能体现相慢度的差分. 各个系统函数均能特别突出干涉结构的某方面的特征, 各有特色.     

干涉条纹场中一维运动目标的二维成像

研究一种将干涉条纹成像技术同传统成像技术相结合的二维成像方法，并用实验验证这种方法的可行性。     

高速垂向运动声源声场干涉特性及其可观测性

以高速垂向运动声源宽带连续谱噪声为研究对象,基于射线理论分析了声场干涉现象的产生机理,推导了干涉条纹的轨迹方程,讨论了影响干涉结构特性的因素,揭示了声场干涉结构的特性和规律。理论和仿真结果表明:干涉周期与多途信号时延差成反比关系;减小接收深度或增大接收距离可以提高干涉条纹的可观测性;较大的海面起伏易使干涉条纹形成断点,可观测性降低。湖试数据分析结果表明,干涉条纹主要由直达声-海面反射声干涉条纹构成,干涉条纹宽度和干涉周期随水平距离的增大而增大。该结果可为高速垂向运动声源运动状态分析、环境参数反演等提供参考。     

深海声影区时频谱干涉结构与声源定位*

被动声呐探测位于深海声影区的水面舰船辐射噪声时,接收信噪比通常较低,导致声源被动定位方法的性能较差。针对这一问题,提出一种利用接收信号时频谱干涉结构的声源距离和径向速度联合估计方法。首先根据射线声学理论,建立时频谱沿频率轴和时间轴的干涉条纹周期与声源距离和径向速度的关系,然后对接收信号时频谱进行二维傅里叶变换和多频带处理以估计上述干涉条纹周期,最后解算声源距离和径向速度。仿真和海试数据处理结果表明,相比于现有利用接收信号自相关的声源距离估计方法,该文利用时频谱二维傅里叶变换的声源定位方法具有较好的稳健性,比较适用于低信噪比条件下的声源被动定位。     

干涉图的预处理技术研究

 提出了一种干涉图预处理的新方法。该方法利用数学形态学的方法对干涉图进行有效区域的边缘提取,利用二维快速傅里叶变换迭代法对干涉图进行区域延拓,并采用非加权离散余弦变换最小二乘算法对干涉图进行波面统一,最终恢复出被测物体的表面面形,为后续结果分析奠定了基础。对一个实际SiO2薄膜样片进行了干涉图的预处理。结果表明,通过该算法得到的干涉图预处理结果,与Zygo干涉仪的分析测试结果基本一致。     

利用浅海声场干涉条纹反演海底参数方法研究

浅海频散特性导致声场在距离-频率平面形成干涉条纹,该干涉条纹蕴含着声源以及海底信息。本文通过降噪、滤波等方法,提取船舶辐射噪声干涉条纹中距离域干涉准周期、波导不变量以及去扩展衰减系数(不考虑扩展损失后接收到噪声级随距离的衰减程度)三种特征量的观测值,基于无限均匀沉积层海底模型,采用简正波计算程序理论计算上述三种特征量作为拷贝,提出一种以模拟退火法作为搜索寻优策略的新的匹配反演海底参数的方法。海试数据处理结果表明,该方法反演估计所得海底密度、声速、衰减系数三参数用于浅海负跃层条件下的声场预报效果比较良好。     

水下目标前向声散射探测的干涉声场畸变量分析与应用

前向声散射探测中的信直比SDR;能衡量目标前向散射波与直达波的相对大小,但未考虑两种波的干涉叠加。前向散射波与直达波实际上是干涉在一起的且很难分离,因而信直比在目标探测分析中难以直接应用。以信直比为基础并计入前向散射波与直达波的干涉效果,引入了新的参量——干涉声场畸变量ΔFTL——并给出了理论计算公式。与SDR;相比,ΔFTL可以直接从声场数据中得到,在一定程度上具有不依赖先验信息的优势。以该公式为基础并结合千岛湖缩比目标探测试验数据,(1)通过估算几何扩展损失系数发现试验中的声波为球面波,结果与依据实测水文参数的射线声场模型仿真结果相符;(2)定量地证实了ΔFTL与目标穿越位置的对应关系,同时也证明了ΔFTL理论计算公式的有效性;(3)建立了一种新的直达波抑制效果评估方案,并完成了对自适应直达波抑制方法的效能评估。目标透声和航行姿态扰动对试验结果的影响可以忽略。分析结果表明:ΔFTL能够有效代替SDR,为开展前向声散射探测性能分析或直达波抑制效果评估提供理论参考。     

浅海内波环境下声场干涉条纹的稀疏重建

针对浅海内波引起的干涉条纹“扭曲”问题,利用耦合模理论,提出了一种声场干涉条纹的稀疏重建方法.该方法主要分为两个步骤:1)将干涉条纹近似为几组二维正弦的和,并用向量有限新息率方法重建; 2)根据耦合模理论,未耦合模对的二维频率不随内波位置变化,而耦合模对的频率随内波位置变化.因此,二维频率可以分为两部分:未耦合模对包含了波导的信息,可用于背景环境规则干涉条纹的重建和波导不变量的估计;耦合模对包含了内波的位置信息,可用于内波的追踪.仿真结果表明,本文方法在内波环境下能够提供有效的干涉条纹重建、波导不变量估计和内波的追踪.     

水下目标几何声散射回波在分数阶傅里叶变换域中的特性

水下目标散射回波在时域、频域混叠在一起, 而且受声波入射角度的影响严重, 在不同的入射角度下表现出很大的差异, 需要建立全方位入射角度下回波分量的理论分析模型. 本文推导了目标几何声散射分量在分数阶傅里叶变换域中随入射角度变化的解析表达式; 确定了目标几何声散射回波分量在最佳分数阶傅里叶变换域中的全方位模型, 从理论上证明了目标回波的几何特征形式; 给出了离散分数阶傅里叶变换对声散射分量的分辨能力和计算精度与发射信号带宽和观测时间之间的关系. 实验数据处理表明, 建立的分数阶傅里叶变换域的全方位模型与目标几何特征是一致的, 对未知入射角度下的目标识别提供了理论依据.     

利用宽带声场干涉结构特性对移动船只距离的连续估计

浅海移动船只的宽带辐射声场在距离-频率上通常表现为有规则的干涉条纹结构,这些条纹的特性(数目和斜率)可用波导不变量理论来表征并已被用于多种水声反演问题中,如沉积层声学参数反演和宽带声源距离的估计。基于波导不变量理论和干涉条纹的结构特性,利用扩展卡尔曼滤波器分析移动船只LOFAR图中干涉条纹的距离-频率特征可对其距离进行连续估计。该方法不需要海洋环境的信息和前向拷贝声场计算,具有较高的计算效率。海试数据处理结果和GPS数据计算结果比较一致,证实了本方法的准确性。试验数据处理同样证实该方法对初始距离的选择有着较高的稳健性。     

复频聚焦超声换能器水中焦区商场特性的研究

本文对新研制的一种复频聚焦超声换能器的辐射声场进行了实验研究,测定了辐射压在轴向上的分布曲线,进而确定了焦区位置,这与理论所得结果符合较好,测定了辐射声压在焦平面上的分布曲线,并对焦区声场进行了定位,最后对换能器在水中焦区辐射声的频谱进行了研究,不仅观测到了两个源波,而且还观测到了和频波,差频波以及倍频波,证实了声散射声效应的存在。     

声诱导电磁场的赫兹矢量表示与多极声电测井模拟

在假设声场不受电磁场影响的前提下，将Pride声电耦合方程组化为具有电流源的麦克斯韦方程组.与空间位置固定的电流源产生的电磁场不同，孔隙地层中声波诱导的电磁场是由空间波动的电流源产生的.通过引入赫兹矢量，将求解麦克斯韦方程组问题转化为求解关于赫兹矢量的非齐次矢量赫姆霍兹方程组.通过求解该方程组，得出电磁场表达式.利用此方法，针对声电效应测井，分别计算了由单极声源、偶极声源、四极声源激发的井内声场及其诱导电磁场的全波波形. 关键词： 孔隙介质 诱导电磁场 测井 多极声源