浅海波数积分混响研究

1引言 浅海混响一直是近年来水声研究的一个活跃而有意义的研究领域.到目前为止已经有多种理论模型,如Ellis[1]的浅海简正波混响模型;Smith[2]和Co1lins[3]各自的抛物方程混响模型;Schmidt[4]的波数积分混响模型等.对于比较平静的海面或负梯度声速剖面,在估算浅海混响强度时往往只需要考虑海底散射而忽略海面和体积散射的影响[5],故本文在浅海混响建模时仅考虑了海底界面混响.Schmidt领导的研究小组利用全波动散射模型研究混响的统计特性,对混响的能量衰减特性研究相对较少.本文从一个十分简单的方式对浅海混响能量衰减进行研究,即利用波数积分方法计算声波从发射换能器到散射体和从散射体到接收水听器的传播,同时采用经验散射函数来描述海底界面散射特性,然后给出混响强度随时间的变化关系;最后给出了数值计算结果,并与实验数据做了比较.     

浅海水平线阵接收海底混响序列仿真

混响序列仿真作为海上实验的替代手段,可为声呐设计及抗混响技术研究提供数据支撑。借助简正波理论研究海底散射声场,将海底散射场视为海洋传输网络形成的传递函数,在此基础上将海底散射微元按方位角均匀划分,依据阵元间的相位关系给出了水平线阵接收海底混响序列的仿真方法。以负梯度浅海环境为例进行了混响仿真,并对仿真序列的频谱特征、统计特征、空间相关特征进行了验证,结果表明该方法获得的混响序列特性与理论预测相符,可以为抗混响技术研究提供参考。     

非高斯混响背景下一种自适应CFAR检测器的研究

在浅海波导中混响是主动声纳系统的主要干扰,为了抑制混响,通常采用宽带发射信号和大孔径发射、接收阵。这两种方法都减小了混响的分辨单元．因此经波束形成和匹配滤波后提高了信混比。然而这也带来了负面影响,即分辨单元内混响包络的分布偏离了传统假设的瑞利分布,出现了高尾的非瑞利分布,导致匹配滤波器虚警概率提高。为了得到恒虚警检测器,需要对混响进行更精确的建模。通过理论和实际数据分析表明,利用多变量椭圆轮廓分布可以很好的建模浅海混响的统计特性。在混响建模为多变量椭圆轮廓分布模型的基础上,利用GLRT理论可以得到一种自适应CFAR检测器,通过实验数据分析,自适应CFAR检测器较之常规匹配滤波器,其信混比（SRR）可提高3dB。     

斜坡海底海洋环境噪声垂直指向性研究

为了解决斜坡海底地形的环境噪声高频建模问题,为三维环境噪声的进一步计算奠定了基础。在射线法的基础上,采用N×2D的近似算法,研究了斜坡海底情况下,均匀分布在海面上的噪声源所产生的环境噪声垂直指向性。考虑了海水吸收,海底反射,声速剖面对垂直指向性计算结果的影响。研究表明：三种因素均会对斜坡海底的噪声垂直指向性产生影响,其中声速剖面对其影响要大一些。     

浅海倾斜海底声场空间相关性研究

针对浅海倾斜海底海洋环境,对声场的空间相关性进行了研究。利用抛物方程法,对浅海声场的空间相关系数进行数值模拟,并结合2001年东中国海中美联合实验数据,分析了声场空间相关系数与海底倾斜角度、接收阵元与参考阵元的间隔、参考阵元深度及声源深度之间的关系。对于上坡海底,浅海声场空间相关性随着海底倾斜角度、接收阵元与参考阵元间隔的变大而变弱,且垂直相关系数随着接收阵元与参考阵元间隔的增大,先衰减再出现起伏。     

不规则海域收发合置混响强度建模与验证

＂不规则海域＂是水平边界和海底边界形状不规则的海域。从边界混响产生的物理机理出发,以射线声学为基础,用Lambert散射定律计算海底和侧壁面的散射,建立浅海不规则海域混响强度模型。该模型仿真计算出的收发合置平均混响强度与实验数据测得的混响强度相符。该混响强度模型能准确地计算此类海域的平均混响强度。     

基于时反选择性聚焦的信混比增强方法

将时反选择性聚焦方法应用于浅海波导中的信混比增强,提出了一种基于时反选择性聚焦的信混比增强方法。在没有探测声源的条件下,通过对返回的回波信号进行时反算子分解获得时反阵与目标及海底散射体之间的传输函数信息,取一个与目标对应的特征向量作为时反阵的激励权向量,可以实现声场在目标处的选择性聚焦,并抑制相应距离上的海底混响,从而增强回波信混比。该处理方法解决了直接时反处理需要探测声源和混响零点设置方法在海底处设置混响零点的同时也会在目标位置设置零点的问题。利用典型浅海波导环境,进行了计算机仿真实验．验证了该方法的有效性。     

声速分布对浅海低频声场空间相关的影响研究

针对浅海低频环境下水中声速分布对声场空间相关性的影响问题,利用基于抛物方程方法的RAM程序,仿真分析了声场空间相关特性在浅海不同声速梯度、不同阵元间隔下的变化规律。研究结果表明:在浅海低频环境下,正声速梯度值越大,垂直相关系数衰减越慢,水平纵向相关系数则相反;随着正声速梯度值的增大,垂直相关长度和水平纵向相关长度均呈现剧烈波动。负声速梯度值越大,垂直相关系数衰减越快,水平纵向相关系数则相反;随着负声速梯度值的增大,两类空间相关长度均缓慢波动。     

单光纤矢量水听器的浅海环境噪声指向性研究

0引言海洋环境噪声的指向性不仅是海洋环境噪声的重要特性,也是影响水听器阵列增益的重要因素。20世纪60～70年代,许多实验使用大规模拖曳阵或沉底阵测量了不同海域的海洋环境噪声场的指向性和谱特性。单个光纤矢量水听器可以共点测量声场的声压和三个正交的加速度分量,可以认为是共点的标量阵列。本文通过矢量波束形成方法,对浅海环境噪声场进行了水平指向性和垂直指向性的估计,并分析了降雨对噪声场指向性的影响。     

关于浅海沉积层对声场影响的讨论

一、引言 水声学通常将海底对声场产生巨大作用的海域称为浅海.在我国南海海域存在着一类比较特殊的浅海海域,如图1所示.它的海深大约2km,象深海一样存在着声道,海面处海水的声速一般比海底处的大.海底有一沉积层,沉积层下面是半无限基底.海面处的海水声速与沉积层的声速接近.在这类浅海中,海水表面附近的声场对海底参数的变化非常敏感.对于这一类的浅海声道,最有效的计算模型是简正波模型.目前流行的简正波模型非常多,每一种模型都有各自的优缺点.这类海域的声场计算需要尤其慎重,必须选择合适的简正波模型.本文首先讨论简正波模型的选择问题,然后利用数值模型的方法研究了沉积层的声学特性对声场的影响.     

浅海负跃层海底单参数模型研究

海底反射特性在浅海声传播中起着决定性的影响。用小掠射角下海底反射损失随掠射角变化率Fd B构建单参数模型可很好地描述浅海海底特性。对单参数模型进行深入研究和改进,建立了在浅海负跃层条件下描述水下声场的海底单参数模型,并利用数值仿真和海上实验数据,对浅海负跃层海底单参数模型水下声场预报的正确性进行了验证。     

浅海波导远程信混比预报模型

浅海主动探测时,海底混响是目标回波的主要背景干扰,信混比影响主动声纳的性能.混响和目标回波都属于海洋中的散射问题,利用简正波方法,结合平面波散射函数建立了浅海远程信混比预报模型,实现了不同环境参数下信混比的量化分析.仿真比较了不同信号形式、频率以及不同海底底质下的刚性球信混比曲线,从理论上分析了回波随距离的振荡现象.结果表明：用无指向性的声源探测目标时,信混比较低,探测较为困难;宽带信号照射下目标回波更加平稳;简正波之间的干涉导致回波随距离发生振荡,频率越高,干涉结构越复杂;在硬海底环境中信混比相对较小且目标回波振荡剧烈.     

浅海相干声场的单参数海底模型建构

海底反射性质在浅海声传播中起着决定性的影响。利用海底反射损失对掠射角的斜率可作为单个参数F dB来描述海底这一前提,对平面波入射液态半无限空间的情况进行推导,提出一种基于简单近似表示反射相位角关系的算法。将单参数F dB以及反射相变作为计算模型的边界条件输入参数,对浅海相干声场进行计算,将适用范围推广到复杂声速和水平变化情况。通过对三种类型海底进行仿真,比较基本参数海底模型及单参数海底模型计算所得传播损失曲线,验证了所提包含反射相变关系的单参数模型的有效性。     

浅海孤立子内波对海洋声传播损失与声源定位的影响研究

孤立子内波是浅海大陆架海域普遍存在的水文现象,它的存在将改变海水稳定分层的声速、密度剖面,引起声场结构的改变。文中应用抛物方程方法研究二维与三维情况下浅海孤立子内波对声传播损失的影响,并研究孤立子内波的存在对水平阵波束形成定位的影响。通过仿真结果,对常规波束形成、MVDR及MUSIC等波束形成方法进行比较。     

深海海洋环境噪声垂直相关性研究

海洋环境噪声场是海洋中的固有声场,其空间结构特性是影响水声系统的重要因素之一。在风成海洋环境噪声波数积分模型的基础上,对深海噪声场的垂直相关性进行了研究。通过数值仿真讨论了深海环境下,海底声速、衰减系数、海面噪声源深度及接收器深度对均匀分布于海面附近的噪声源的垂直相关性的影响。仿真结果表明:噪声场的垂直相关随海底声速、衰减系数和接收器的绝对深度的变化较小;高频噪声的垂直相关性对噪声源的深度较敏感,低频噪声的垂直相关性受噪声源深度的影响几乎可以忽略。在此基础上,分析了某次海试噪声数据,并结合数值计算结果对实验测得噪声数据的垂直相关性进行了合理的解释。     

海面噪声垂直相干特性反演地声参数

声学反演是快速、低成本获取浅海局部地声参数的有效方法之一,其中,利用海面噪声的垂直相干函数反演海底参数,只需要两个垂直排列的水听器,不需要专门的发射声源,隐蔽性好,有较高的军事应用价值.通过已有的海面噪声场模型,分析了海底声速、密度及衰减系数对噪声垂直相干函数的敏感度,并利用中国某海区的海洋环境噪声试验数据,结合差异进...     

分层浅海海洋环境噪声场的射线预报方法

海洋环境噪声场是一个随地域、时间变化的复杂的场，现场快速预报对于环境匹配的声纳系统有重要意义。文章中利用射线声学模型计算了等声速分布、负梯度声速分布、正梯度声速、及任意声速分布条件下分层浅海海洋环境噪声场的指向性、噪声强度和相关函数随深度变化的规律。研究表明：分层浅海海洋环境噪声场与海底特性及声速分布有很大关系；利用射线预报方法可以快速预报分层浅海海洋环境噪声场。     

基于运动平台的海底混响建模与仿真

混响是主动声呐目标检测的主要干扰,混响的建模与仿真对研究水下信号处理具有重要的意义。以海底混响为研究对象,综合考虑发射信号的波形、海底散射体散射特性以及运动平台带来的多普勒频移等影响因素,提出了一种基于运动平台的海底混响仿真方法。该方法同时结合了散射原理与网络模型,具有明确的物理意义,且其仿真实现方法简单高效。最后,通过分析混响仿真信号的瞬时值、包络的概率分布、频谱特性以及时间相关性,验证了该方法对海底混响仿真的有效性。     

带障板水听器基阵阵列流形的边界元计算及验证

建立一种复杂结构水听器基阵阵列流形计算模型。该模型运用声场计算的边界元方法,通过计算任意散射体表面声场分布,求出基阵阵元位置处声场响应,进而得到基阵阵列流形;基于该阵列流形,运用波束设计方法求出阵元权值,分别利用实测和理论阵列流形得到基阵实测波束以及理论波束。针对安装在半球形硬质铝壳体上的圆弧阵进行的水池实验,实验结果表明实测阵列流形和基于边界元方法的计算结果基本吻合,实测波束和理论波束相差不大,并且性能均优于按无指向性点接收器经相位补偿后相加所得到的波束。     

远离航道海域低频海洋环境噪声垂直指向性

海洋环境噪声垂直指向性是声呐背景场的典型空间特性之一,既可体现噪声源的空间特性及其传播特性,还可用来反演海洋环境的特征参数。分析了南海某岛礁海域实测海洋环境噪声的垂直指向性,发现当接收阵远离航道时,低频海洋环境噪声垂直指向性的主瓣集中在-30°～30°范围内(0°对应水平方向),且水平方向不存在凹槽。基于舰船自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)航船分布数据得到简化航道区域航船噪声源模型,利用3D射线声传播算法,结合实际岛礁海域地形数据,计算的低频海洋环境噪声垂直指向性与实测数据处理结果相符。研究结果表明,当接收阵距航道较远时,由航道航船引起的低频海洋环境噪声以接近水平方向入射垂直接收阵,研究结果可为声呐在远离航道海域的性能提高提供技术支持。