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。     

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。     

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。      

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。     

基于主动式时间反转镜的声呐目标强度测量研究

为提高目标强度测量过程中的抗噪声、混响以及浅海多途干扰性能,从军标文件中的目标强度测量方法以及主动式时间反转镜的基本原理出发,经过研究和推演,发现可将基于单阵元的主动式时间反转镜与相关器结合应用于目标强度测量过程,提出了一种新的目标强度测量方法。该方法利用了主动式时间反转镜的抗多途特性,使得测量具有抗多途的性能;利用噪声与信号的不相关特性,算法结合相关器起到了很好的抗随机噪声效果;混响中的体积混响是随机的,算法具有抗体积混响的性能。论文分别从理论仿真和水池实验验证了算法的有效性和正确性。     

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。     

Low-frequency bottom reverberation in shallow-water ocean regions

A phenomenological model of long-range reverberation in a shallow sea is developed to describe the statistical characteristics and interference of the sound field scattered by bottom inhomogeneities. Experimental data on the scattering of low-frequency sound by the sea bottom are presented for a shallow-water region of the Barents Sea. The results of a numerical simulation of the low-frequency bottom reverberation in a multimode waveguide are described. The simulation is based on experimentally measured values of backscattering strength.     

Numerical simulations and experiment ofreverberation loss in shallow water

I.IntroductionUndcrwatersoundrevcrberationhasrccentlybecomeatopicofgreatinterestlI-3l.Sincethcrcverberationincludescombincdeffcctsofsoundpropagahonandscattering,andthesoundpropagationinshallowwaterismuchmorecomplicatedthanthatinthedeepsea,itisnecessarytOstudycarefullybothintheoryandexperimcnt.Fortheshortrangereverberationinshal1owwatcrtheray-basedmodelisavai1ab1e,whilefOr1ongrangethewave-basedmodelmustbeusedbecauscofcomp1icatcdmu1tipaths,refractioneffcctsandfrequencydependence.Thenorma1-mode…     

Interference structure of shallow water reverberation in time-frequency distribution

The striations of the reverberation spectrum in the time-frequency distribution were observed in a shallow water acoustic experiment in 2002. A model following the coherent reverberation model developed in 2002 is presented to explain the observed striations. To examine the consistency between the measured data and numerical predictions, we have used a method based on Radon transform for determining the slope of the striations to the measured reverberation data and numerical predictions. The results indicate that the previously developed coherent reverberation model can predict the interference structure of the reverberation intensity in the time-frequency distribution.     

噪声修正的混响反演海底反射系数幅值参数

利用一种噪声修正方法解决低混噪比条件下混响数据反演海底反射系数幅值参数偏差的问题。将全波动混响理论中的混响非相干平均强度,叠加海洋环境噪声平均强度,获得包含噪声的混响平均强度理论,分析背景噪声平均强度对反演海底反射系数幅值参数的影响。数值仿真表明,背景噪声平均强度的叠加使得混响平均强度衰减趋势减缓,导致海底反射系数幅值参数反演结果偏小,混响噪声比越低,影响越明显。提出一种噪声平均强度相减的修正方法,对混响噪声比为[0,6] dB的混响平均强度数据进行修正,利用修正后的混响数据反演得到偏差较小的海底反射系数幅值参数。对比浅海混响实验数据衰减至不同混噪比时反演所得海底反射系数幅值参数,以及经噪声修正后的反演结果,验证了本文提出方法的可行性。      

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.      

Quantifying seismic survey reverberation off the Alaskan North Slope

Shallow-water airgun survey activities off the North Slope of Alaska generate impulsive sounds that are the focus of much regulatory attention. Reverberation from repetitive airgun shots, however, can also increase background noise levels, which can decrease the detection range of nearby passive acoustic monitoring (PAM) systems. Typical acoustic metrics for impulsive signals provide no quantitative information about reverberation or its relative effect on the ambient acoustic environment. Here, two conservative metrics are defined for quantifying reverberation: a minimum level metric measures reverberation levels that exist between airgun pulse arrivals, while a reverberation metric estimates the relative magnitude of reverberation vs expected ambient levels in the hypothetical absence of airgun activity, using satellite-measured wind data. The metrics are applied to acoustic data measured by autonomous recorders in the Alaskan Beaufort Sea in 2008 and demonstrate how seismic surveys can increase the background noise over natural ambient levels by 30-45 dB within 1 km of the activity, by 10-25 dB within 15 km of the activity, and by a few dB at 128 km range. These results suggest that shallow-water reverberation would reduce the performance of nearby PAM systems when monitoring for marine mammals within a few kilometers of shallow-water seismic surveys.     

An oscillation phenomenon of low frequency reverberation in the shallow water and its physical explanation

~~An oscillation phenomenon of low frequency reverberation in the shallow water and its physical explanation1 Zhang, R.. Jin. G. Normal-mode theory of average reverberation intensity in shallow water, Journal of Sound and Vibration, 1987 19(2):215-223 2. Ellis, D. D., A shallow-water normal-mode reverberation model, J. Acoust. Soc, Am., 1995, 97(5): 2804-2814. 3. McDaniel, S. T., Seafloor reverberation fluctuations, J. Acoust. Soc. Am., 1990, 88(3): 1530-1535. 4. Abraham, …