双基地混响平均强度理论及仿真预报

考察远程双基地界面混响,可以仅考察二维问题,其散射区域为一椭圆环带;对于近程双基地界面混响,必须讨论三维模型,其散射元分布在一椭球面上.对二维和三维双基地混响进行理论建模分析,该模型优点是无需使用无线电通信,借助GPS时钟即可同步工作,实现双基地声呐系统的测距及测向,便于双基地声呐系统的集成.推导出二维和三维模型的双基地声压混响理论预报公式.对三维矢量混响作仿真研究,并讨论矢量传感器组合指向性抗混响. 关键词： 双基地混响 声压混响 矢量混响     

收、发分置混响平均强度理论预报

建立双基地混响几何模型,推导出收、发分置混响的平均强度估算公式。考察双基地远程界面混响,对于漫散射界面,散射区为一椭圆环带,分别给出柱面波声场和球面波声场情况下,无指向性收、发分置混响的平均强度估算公式。给出窄波束接收阵时,双基地声呐的混响级和信混比的估算公式。仿真表明,椭圆模型可以方便准确的预报双基地混响强度及研究其特征规律,便于双基地声呐系统集成,适合工程应用。     

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。     

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。     

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.     

双基地条件下目标强度实验研究

本文对双基地条件下，水下航行器的目标强度进行了实验研究，取得了很有价值的水池试验数据，根据试验结果，结合理论计算，证明双基地理论计算的可行性。研究结果对小型水下航行器的多基地研究有重要意义。     

十六烷-水乳液界面电位极大值的理论计算

基于Gouy-Chapman模型,O’Brien-White方法能够用来解释电迁移率和电位与离子强度的依赖关系出现极大值的现象,借助O’Brien-White方法计算了电位随着离子强度变化的关系,并且通过反推电迁移率的值得到了电位的值,解释了离子强度对界面电势的影响.通过结合十六烷乳液的电迁移率在不同离子强度下随着体系pH值和SDS浓度变化的实验数据,得出电位是否出现极大值依赖于系统参数.研究结果为分子层次上进一步丰富和完善界面双电层理论提供了实验和理论支持.     

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。     

声波在水-含气沉积物界面的反射

含气泡海洋沉积物的声学特性是海底探测的重要问题。为了研究气泡存在对水-含气沉积物界面声反射系数的影响,本文基于气泡振动修正的Biot波动方程推导了气泡存在修正的Biot弹性模量,并结合水-沉积物界面的“开孔”边界条件推导了声波从水入射到水-含气沉积物界面的反射系数。数值分析表明气泡的振动导致反射系数呈现显著的频率特性。在气泡共振频率附近,由于气泡的共振引发的强散射和强衰减,使得反射系数很大,无论以何种角度入射,声波都很难进入含气泡的沉积物。本文研究结果表明,气泡半径、含量、声波频率以及入射角度都是影响水-含气沉积物界面反射系数的主要因素。     

Calculation of the reverberation spectrum for Doppler-based sonar

For monostatic sonar using long pulsed tone signals, the problem of evaluating the spectrum of reverberation due to sound wave scattering by a rough sea surface is solved. Relatively simple computational schemes are proposed, which make it possible (i) to transform the three-dimensional spectra of surface waves to the frequency-angular characteristics of reverberation and (ii) to choose the optimal operating frequency band for a Doppler sonar from the point of view of reverberation. For typical wind wave characteristics measured in shallow water areas, the spectral levels of reverberation are estimated in the frequency band of acoustic signals within 0.4?C2 kHz.     

高分辨率有源声呐强混响抑制技术研究

有源声呐分辨率的提高可以抑制混响,但也使声呐包络数据的统计分布偏离瑞利分布,而更接近拖尾较重的K分布。强散射体所带来的强混响的幅值一般较大,它们使统计分布拖尾更严重,表征K分布的形状参数也越小。强混响作为目标干扰,严重影响了背景功率估计的准确性,从而降低了目标检测的性能。本文基于模糊统计理论,首先提出了用于抑制强混响的模糊统计归一化处理方法;然后对强混响和模糊统计归一化处理如何影响声呐数据分布和CFAR(Constant false-alarm rate)目标检测性能进行了仿真、研究和分析,最后对基于模糊统计归一化处理的CFAR检测性能和传统CFAR检测性能进行了仿真比较。仿真结果表明强混响目标干扰能使K分布数据的形状参数变小,而模糊统计归一化处理可抑制强混响目标干扰,增大包络数据分布的形状参数,提高形状参数估计性能和CFAR检测性能。     

Experimental studies of low-frequency bistatic reverberation in a shallow sea

Experimental data are presented on time and frequency dependences of the reverberation level for bistatic transmission and reception at low acoustic frequencies. The data are obtained from the studies carried out in a coastal shallow-water region and in the central region of the Barents Sea with explosion-generated and pulsed cw signals. By using the simplest computational model, approximate estimates are obtained for the effective coefficient of spatial attenuation and the effective scattering coefficient in the frequency band 40–400 Hz.     

Time structure of bistatic reverberation in the long-range propagation of explosion-generated signals

In experiments on the long-range propagation of explosion-generated signals, a noise background accompanying the classical signal quartets are repeatedly observed. The background smoothly increases before the arrival of the first signal of the quartet, then decreases, and completely vanishes after the arrival of the last signal of the same quartet. The data of an experiment performed in winter in a deep-water region of the northwestern Pacific are considered. These data are used to demonstrate the phenomenon at hand and to show that the noise background of the quartets is the manifestation of the bistatic reverberation caused by sound scattering by the rough ocean surface towards the receiver located a long distance from the source. An easy-to-use technique is proposed for calculating the time relations between the direct signal and the surface-reverberation one. Calculations are performed for the time structure of the bistatic surface reverberation to explain the observed features of the phenomenon.     

基于加权最小二乘估计的双基地声呐定位算法研究

依据T/R-R型双基地声呐的工作特点,提出了基于加权最小二乘(WLS)估计的双基地声呐定位算法,通过数值仿真,研究了不同基线长度下该算法的定位精度,给出了WLS算法定位精度的几何分布。结果表明,运用该算法对水下目标进行定位,比单纯基于波达时间(TOL)的定位方法,双基地系统可以获得更高的定位精度。     

双基地合成孔径声呐时间同步误差分析

远探测声波测井技术目前正成为复杂油气藏勘探开发的有力手段,而反射方位信息对于储层评价以及工程措施都至关重要。利用集成了测量单偶极不同方位多分量波场功能的多分量远探测声波测井仪器,研究了单偶极远探测联合识别反射方位的方法。由于仪器的影响,单极子不同方位反射波存在振幅差异,据此可以快速判断反射界面方位,但是其准确性依赖于方位接收器个数。偶极SH反射波幅度反映了反射界面的走向变化,但是存在180◦的不确定性。结合单偶极远探测方法的优势,可以快速准确地识别出反射界面方位。理论模拟和实际数据处理表明,两种方法的联合识别,提高了结果的可靠性。     

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。