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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

由浅海混响反演海底反射和散射系数

对于分层浅海,当海底散射是形成混响的主要散射源时收发合置混响的平均强度可由一简洁的简正波表式计算,它依赖于平面波的海底反射和散射系数。利用随机反演理论(高斯一马尔可夫原理)和多次选代的方法可以由混响强度反演得到对应于各号简正波掠角的海底反射和散射系数。对负跃层浅海作了混响反演的数值模拟,得到较好的结果。文中讨论了提高反演精度和选代收敛性的问题。     

用射线方法计算浅海混响平均强度（Ⅰ）

本文用射线方法计算了均匀层浅海中,指向性声源和接收器合置时的混响平均强度,给出了计算表达式和远、近程的近似解析式,并讨论了远、近程的划分。     

浅海环境噪声垂直指向性探测海底参数

浅海环境噪声垂直指向性和海底地声参数密切相关,可以利用它来反演海底参数。本文在水平分层介质噪声场模型下,讨论了海底参数对噪声垂直指向性的敏感度,并假设半无限大液态海底,采用效率较高的自适应单纯形模拟退火算法全局寻优,根据中国某海区实测噪声数据,估计了海底声速、密度及衰减,分析了反演结果的不确定性。鉴于声速和密度在不同频率的反演结果不够一致,文中提出多频海底参数联合反演方法,提高了反演海底声学参数的精度。     

浅海舰船噪声声强流的垂直方向性

浅海环境中,确定性声源的多途声信号干涉使得接收点处声强流的方向发生改变,不再与声源位置处的声强流方向一致。只测量声场的标量声强时,无法得到接收点处声强流的垂直方向性,而基于简正波矢量场建模和仿真,可获得理想条件下宽带点声源激发声场声强流的垂直方向性。本文采用单矢量水听器进行海上实验,获得了海洋环境噪声和干扰条件下舰船噪声声强流的垂直方向性。仿真和实验结果表明:远场条件下,浅海干涉现象引起接收点处声强流的方向(极角)随频率和距离变化,其时间-频率分布呈现与LOFAR谱干涉条纹相似的条纹,声强流的极角值主要分布在70?～110?范围内。     

浅海短垂直阵和稀垂直阵的声源定位性能

本文根据我们提出的一种简正波分解快速迭代方法(声学学报待发表),在夏季向下折射的声速剖面环境下,讨论短阵,稀阵和短稀阵三类垂直阵的匹配简正被处理(MMP)刊声源距离和深度的定位性能。同时根据迭代方法的特点,提出用简正波分解均方根误差RMS值来度量简正波分解的精度。数值模拟计算给出了上述垂直阵匹配场处理和匹配简正波处理两种声源的定位结果。该结果证明简正波分解迭代方法提高了声源距离和深度的定位精度,而且有效地抑止了旁瓣。短稀阵不仅缩短阵长、减少阵元数,而且能适应不同海区深度变化的要求,它是声源被动定位工程实现中可选择的有效阵型。     

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L₁（靠近海底）、L₃（靠近海面）和一夹于其间的梯度层L₂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L₂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L₃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_3b⁺～r^-1（对均匀散射）。
对收发合置于下层L₁的情况可作类似的计算,不会遇到更多的困难。     

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。     

用垂直阵确定浅海波导特性

本文介绍利用声场复简正波近似确定浅海波导特性的方法。该方法的优点在于:(1)对环境参数的依赖程度大大降低。(2)在对海底介质结构(诸如层的数量、层的厚度、纵波和横波的速度和衰减等)知之不多或根本不了解的情况下,可同时获得波导特性参数(k_m,β_m)。(3)确定波导海底界面平面波的反射系数V(k)。数值结果显示:对海底是单层或两层软固态的波导,用90M长、18阵元组成的垂直接收阵,接收频率分别为250Hz、150Hz的声信号,(1)获得的简正波水平波数k_m的精度均在10^-5以上;简正波衰减系数β_m的相对误差绝大部分在20%以内,其中前几号都在10%范围内,且简正波号数越低,误差越小。(2)基本反映海底在小掠角的反射相移和反射损失。本文在数值仿真的基础上,重点分析声场复简正波近似对93年冬季海上实验数据的处理结果。