二维浅海波导中声场边界处理的谱无限元方法

针对传统无限元法在截断声场边界上计算精度低的问题,提出了一种基于GR (Gauss-Radau)插值的谱无限元法,以高精度处理无限远边界对声场计算的影响。首先,采用映射函数构建从自然坐标系到笛卡尔坐标系的节点转换函数,获得两种坐标系之间的映射雅克比矩阵;然后,利用基于GR插值的形函数,模拟单元节点的声压,结合映射雅克比矩阵,对二维声场波动方程进行变分处理,推导了无限单元对应的积分表达式,用于模拟实际浅海波导环境下无限远处的声传播。与基于镜像法的解析解和传统无限元法结果的对比表明:所提方法结果与解析解一致性高,相对误差约为1%,验证了该方法的有效性和准确性。

浅海波导中时间反转处理增强信混比能力的仿真分析

针对典型的浅海波导环境,通过计算机仿真研究了目标位于波导中间深度条件下时间反转处理增强信混比的能力以及目标深度的变化对信混比增强能力的影响。对时间反转处理和一般均匀传输产生的目标回波和海底混响强度进行了定量比较。结果表明,在仿真条件下,目标位于波导中间深度时,与一般的均匀传输相比,时间反转处理获得的目标照射强度高10dB～15dB,而相应的海底混响却低了10dB左右,这验证了时间反转处理有效增强信混比的能力,而目标靠近海面或海底时,时间反转处理的海底混响抑制能力有所减弱,当目标位于海底时,由于时间反转聚焦,该距离上将出现一个海底混响峰值。

基于垂直线列阵数据提取浅海波导声传播参数的模值追踪法

垂直水听器线列阵接收的声数据或其互谱密度矩阵可以用来提取浅海波导声传播的简正波模深度函数、水平波数和海底参数。在实际应用中,布放在海洋中的垂直水听器线列阵不可避免地产生倾斜。计算机仿真结果表明,垂直阵的倾斜使提取参数误差大幅增大。针对此问题,提出模值追踪法,构建模值追踪代价函数,对垂直水听器线列阵声数据互谱密度矩阵的本征矢量的模值进行逼近。仿真结果表明,模值追踪法可以有效消除基阵倾斜的影响。在仿真条件下,水平波数估计误差小于0.1%,海底相移估计误差在±1.1范围内。

浅海波导目标回波波形仿真研究

从物理声学的角度出发,利用Ingenito的本征函数展开法对浅海波导中的目标回波波形进行建模,把目标散射场表示为简正波系数和该目标平面波散射函数积的叠加,然后将发射信号的频谱与目标散射场函数相乘再求其逆变换,由此得到目标回波波形的时域表示,给出了两类发射信号在典型浅海波导下的目标回波仿真波形;水池实验验证了计算机仿真结果,从而证明提出的浅海波导目标回波模型是可行的,可用于预报浅海环境参数对接收波形的影响。

一种基于模态匹配的浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距方法

针对浅海波导中宽带脉冲声源的被动测距问题,本文在模态匹配和匹配场处理定位方法的基础上,提出了一种适用于具有液态半无限空间海底的浅海波导中声源的单水听器被动测距方法.利用warping变换可以对脉冲声源接收信号的各阶简正波实现有效分离,由此得到各阶简正波的频域信号.海底相移参数是描述海底地声参数的一个重要参量,包含了海底地声参数信息,而各阶简正波的水平波数可以通过含有海底相移参数的表达式来表达.此外,由于声速剖面对简正波的各阶水平波数具有相近的影响,因此通过对任意两阶简正波进行联合处理,可以近似消除声速剖面对简正波水平波数差的影响.任意两阶简正波的水平波数差只近似用于海底相移参数、海深以及波导中平均声速三个参数有关,可以简单、快速地计算相应拷贝场,然后通过建立代价函数并对简正波模态进行匹配,可以实现对水下脉冲声源的被动测距.与传统的模态匹配定位方法相比,本文提出的方法既不需要使用水听器阵,又可以简单、快速地计算出拷贝场.数值仿真和海上实验数据处理结果的测距误差都在10%以内,证明了该方法的有效性.

浅海波导界面对点源振速方向的影响

研究浅海波导对点源振速方向的影响具有十分重要的意义。采用"虚源法"分析计算了浅海波导环境中接收点处点源总振速方向与水平面夹角,侧重讨论确定性界面反射对总振速方向的影响。研究结果表明:总振速方向和接收点与声源的水平距离、两者深度,海底、海面特性以及声速剖面等有关。在等声速均匀浅海波导中,由于确定性界面反射的影响,当直达声掠射角为1°～50°时,合成总振速方向偏离直达声方向达1.5°～10.5°,声速剖面呈负梯度时,偏离程度更甚。

浅海波导中低频声场干涉简正模态的判别

浅海波导中,低频宽带声场中干涉简正模特性可用于声源定位和环境参数反演,然而实际应用中由于存在声源位置不确知、某些简正模激发较弱、模型参数选取失配等因素的制约,导致干涉简正模阶数的判别存在问题.结合水平线列阵应用,根据阵列接收信号中干涉简正模成分的波束输出角度与距离无关但与干涉简正模阶数和频率相关的波导固有频散特性,提出了一种基于阵元域接收信号自相关函数WARPING变换过滤干涉简正模,进而对其波束输出角度进行模基匹配判别简正模阶数的方法.利用2011年北黄海海域声学实验中坐底布放的32元水平线列阵接收的爆炸声脉冲信号,对方法进行了验证.并由仿真数据分析了声速剖面、海底参数和水深等参数失配及信噪比对方法性能的影响.结果表明水深变化14%以上对干涉简正模波束输出角度的提取值影响最大,可引起方法失效;声速剖面和海底参数在一定失配范围内对方法性能的影响可忽略;方法要求单阵元信噪比大于2 dB.

浅海波导中椭球体声散射特性研究

利用边界元法研究了三维海洋波导中声波与椭球散射体相互作用问题.分析了海洋波导中声波与结构体相互作用的声散射特性,包括声压在水平断面和垂直断面的分布特点.数值分析表明:浅海中椭球体的散射特性与自由场中明显不同,当椭球体按照一定比例变化时,其散射声压变化规律会近似于球体而声压幅值低于球体,这对于浅海中非规则目标散射特性的研究是非常重要的.浅海波导对散射目标有显著的影响.

浅海波导下水平直线阵被动测距技术

针对近似均匀的浅海波导条件,推导了双水平阵被动测距、单水平阵被动测距和阵不变量被动测距三种水声目标被动测距技术算法。通过仿真研究验证了三种测距技术的有效性。对比分析了三种被动测距技术的适用条件和优缺点。三种方法均不需精确已知海洋环境参数,不需事先估计目标速度或借助引导声源信息。文章比对结果可为实际使用提供参考。

浅海波导中简正波干涉特征频率增强

针对浅海波导中水平线列阵接收的低频宽带低信噪比信号,提出了一种利用多拍信号相干累加来提高干涉简正波特征频谱信噪比的方法。这种方法主要针对未知距离和声源形式的运动声源,对不同时刻(或接收距离)处阵列输出信号进行warping变换,根据干涉简正波的特征频率不变性,通过搜索距离与径向速度的比值来对齐未知距离下warping变换后的谱峰频率,进而通过相干累加来增强信号干涉简正波的特征频率。仿真和海上实验数据分析均验证了方法的性能。

时间反演在浅海波导环境中的应用研究

本文基于伪谱方法对浅海波导环境中的时间反演聚焦和时间反演主动声纳进行了计算,给出了声源频率为100Hz的正演和反演声场分布的演化过程。

浅海水平变化波导下低频声能量传输特性

针对浅海水平变化波导下的低频声能量传输问题,基于有限元方法,在柱坐标系下,以声能流为研究对象,结合具体仿真算例讨论了楔形海底、海底山及海沟三类典型复杂海底地形对声场能量传输特性的影响规律及机理.仿真结果表明,利用有限元方法可以准确计算各类水平变化地形情况下的声场分布.对于楔形上坡海底,海底倾斜角度越大,声能量向海底“泄漏”效应越强,水体层中声能量也相应衰减越快,而楔形下坡海底的影响则正好相反.小型海底山的存在会提高其上方声能量,但同时阻碍其后方声能量的接收.小型海沟对声传播的影响与声波的掠射角相关,仅当海沟水平夹角小于各阶简正波掠射角时才影响声能量的传输.

浅海双深度Warping变换融合无源测距

针对浅海环境中利用单深度接收信号自相关函数的Warping变换方法测距时易出现的多值性问题,提出一种双深度Warping变换融合测距方法。该方法将双深度测量场的Warping变换提取结果与具有深度差异的拷贝场本征函数信息融合,判别简正波干涉项模态,提高测距的准确度。此外,针对实际海洋环境中测量场Warping变换特征峰位置难以准确提取的问题,将Warping变换的频率不变性与图像形态学方法结合以增强特征频率结构,提高后续测距的稳健性。海试数据处理结果显示,测距结果与实际距离符合较好,表明所提方法具有实际可行性。

三元阵被动测距在浅海低频条件下的声速修正

声速是三点被动测距方法中影响距离解算精度的重要参数,当声呐系统的工作频率较高时,一般直接使用海水声速。但随着远距离探测声呐技术的发展,声呐工作频率越来越低。浅海波导中传播的低频声信号的相速度和群速度明显不同于海水声速,选取哪个声速项用于距离解算是一个值得研究的问题。通过理论分析与pekeris波导中的数值仿真,确定了三点被动测距解算公式中的速度项应为相速度。仿真结果表明选用简正波相速度用于距离解算能有效降低浅海低频时三点被动测距方法的误差。

窄带信号在浅海目标强度测量中的应用研究

目标强度是水声对抗的重要参数之一。浅海波导条件下采用单频信号测量目标强度,传播起伏的影响会导致测量结果散布。仿真计算表明,采用10%带宽的窄带信号测量能够减小传播起伏,降低目标强度测量的不确定度。

浅海负跃层条件下的warping变换宽带无源测距方法

夏季浅海波导中常常存在强烈的负跃层,研究warping变换无源测距在这种水文条件下的使用方法具有重要的应用价值。对于上发上收、上发下收和跃层强度较小时下发下收的情况,海面海底反射类简正波对声场起主要作用,可以对接收信号的自相关函数进行时域warping变换,利用特征频率匹配的方法进行无源测距。而对于跃层强度较大时下发下收的情况,水体折射-海底反射类简正波对声场起主要贡献,可以对接收信号的自相关函数进行频域β-warping变换进行无源测距。并且能在事先获得粗略的水体声速剖面参数的情况下,通过设置一个已知距离的引导声源,那么即使估计得到的波导不变量存在一定误差,实际测距结果也可以与真实距离符合得较好。利用warping变换对一次夏季浅海实验接收到的目标发出的宽带信号进行无源测距,估计距离与真实距离符合较好,相对误差在20%以内。

三维浅海下圆柱壳声辐射预报方法研究

本文通过多物理场耦合数值法、波叠加法和浅海波导声传输函数,建立了三维浅海下弹性结构声辐射理论模型,提出了浅海波导下有限长弹性圆柱壳辐射声场预报方法,研究了受周围流体和浅海上下边界耦合作用下的圆柱壳声辐射特性。研究结果表明:浅海下圆柱壳近程声辐射特性受结构尺寸影响较大,其远程声辐射传播规律按柱面波扩展;由于辐射声场受上下界面反射声的干涉作用,在竖直方向上的空间声场出现明显的指向性分布,而在水平方向上,低频段的空间声场为无指向性分布,其辐射声场可等效为点源声场;对于不同的简正波模式,其包含结构声辐射波动细节不同,但各模式下的声辐射曲线整体趋势不变。

三维浅海下弹性结构声辐射预报的有限元-抛物方程法

利用多物理场耦合有限元法对结构和流体适应性强、抛物方程声场计算高效准确的特点,提出了三维浅海波导下弹性结构声振特性研究的有限元-抛物方程法.该方法采用多物理场耦合有限元理论建立浅海下结构近场声辐射模型,计算局域波导下结构声振信息,并提取深度方向上复声压值作为抛物方程初始值;然后采用隐式差分法求解抛物方程以步进计算结构辐射声场.重点介绍了该方法对浅海下结构声辐射计算的准确性、高效性以及快速收敛性后,对Pekeris波导中有限长弹性圆柱壳的声振特性进行了分析.研究得出,当圆柱壳靠近海面(海底)时,其耦合频率比自由场下的要高(低),当潜深达到一定范围时,与自由场耦合频率基本趋于一致;在低频远场,结构辐射场与同强度点源声场具有一定的等效性,且等效距离随着频率增加而增加;由于辐射声场受结构振动模态、几何尺寸和简正波模式影响,结构辐射场传播的衰减规律按近场声影响区、球面波衰减区、介于球面波和柱面波衰减区、柱面波衰减区四个扩展区依次进行.

液态半无限海底下典型波导的Warping变换修正

针对Warping变换在非理想波导中的变换效果受海洋环境影响的问题,在传统的Warping变换的基础上,对非理想波导下的Warping变换公式进行修正,使修正后的Warping变换更适用于非理想波导下宽带脉冲声压信号的简正波分离和提取。本文给出了基于海底相移参数P的适用于具有均匀半无限海底的非理想波导的Warping变换修正公式。修正因子只与海底相移参数、海深、海水中平均声速等海洋环境参数有关,与其他海底参数无关,减少了Warping变换的修正难度。与已有的Warping变换修正公式相比,本文提出的对Warping变换的修正方法,所需的环境参数少,在实际应用中计算简单、应用方便,更具有实际应用意义。数值仿真和海上实验数据处理结果证明了该方法的有效性。

基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法

浅海波导运动声源定位研究中,在声源距离未知时估计声源深度一直是个具有挑战性的问题.现有深度估计方法对声源未知初始距离敏感,且要求声源运动形成的水平合成孔径长度远大于模态干涉长度.针对这两个问题,本文提出一种基于波束-波数域非相干匹配的浅海运动声源深度估计方法,首先将垂直阵接收声压数据在深度和水平合成孔径方向分别进行波束形成变换到波束-波数域,波束-波数平面的峰值幅度仅包含与声源深度有关的模态激励,峰值位置与模态传播角和水平波数相对应;然后,在波束-波数平面内提取各峰值幅度,并与拷贝计算的模态深度函数进行非相干匹配,实现声源深度估计.所提方法在波束-波数二维平面内进行模态分离,消除了声源距离相关项,提高了模态分辨能力,可在声源初始距离未知和水平合成孔径长度小于模态干涉长度的情况下实现声源深度估计.仿真和SWellEx-96实验数据处理结果验证了所提方法的优越性能.