基于Jackson模型的高频海底散射研究

高频海底声散射是一个非常复杂而重要的过程,根据海底散射强度可以进行海底底质参数估计和识别分类等,因此一个合理的高频海底散射模型有非常重要的理论意义和工程价值。文章以Jackson散射模型为基础,将海底散射分为界面散射和体积散射两部分,定量研究了高频海底散射强度的空间分布特性,为某些海底图像声呐(如侧扫声呐、多波束测深声呐等)的应用奠定了良好基础。

浅海小掠射角的海底界面声反向散射模型的简化

在浅海,尤其是负梯度声速剖面和海面较为平静的浅海波导,海底界面反向散射是浅海混响的主要来源.经验散射模型只适用于分析浅海混响平均强度衰减特性,而基于物理机理建立的反向散射模型克服了这一缺陷,但同时也引入了其受地声模型约束的问题.本文结合了海底反射系数的三参数模型,对浅海远场海底反向散射模型进行了简化,以减少地声模型的输入参数.理论分析了海底反射系数的相移参数可以描述海底对声场的散射作用,无需任何海底地声参数的先验知识.通过对海底反向散射模型近似简化,结果表明在临界角附近和甚小掠射角范围内的海底粗糙界面反向散射模型的角度特性和强度特性受海底沉积层的影响不同:在临界角附近,海底反向散射的角度特性受海底反射系数的相移参数加权,而其散射系数则近似与相移参数无关;对于甚小掠射角,海底反向散射的角度特性近似与海底反射系数的相移参数无关,其散射系数则近似与相移参数的4次方成正比.

海底三维散射模型仿真研究

海底声散射强度是浅海混响预报的一个重要物理量。采用Jackson复合粗糙度模型研究了非均匀海底界面的声散射问题,对模型进行了理论推导和仿真计算,利用已发表的海底散射强度实测数据与模型仿真结果进行对照,验证了模型的正确性,并就海底沉积物类型和海底声学特性参数对海底反向散射强度的影响进行了分析。

深海海底山引起的混响杂波联合预报方法

针对深海复杂海域的主动探测混响杂波干扰的联合工程预报问题,本文基于三维射线-简正波理论建立了深海海底山引起的混响杂波联合预报方法,将海底山当作一类具有强散射特征的体积散射源,提出了对海底山的体积散射函数在水平和垂直维度上进行网格划分的数值积分方法。研究了不同水平方位,不同地形条件下的海底混响和海底山杂波强度特征。实现了小起伏水平海底和海底山地形的深海海底混响和海底山杂波的统一预报。研究结果表明:海底山的体积散射源经过水平和垂直维度的划分后,可以和水平海底的小尺度散射过程形成有效耦合,而海底山杂波的时间尺度和包络强度分别受海底山的水平宽度和垂直高度影响。通过海上实验数据比对,验证了本文所提预报方法的准确性。

双基地海底散射建模与仿真分析

海底的声散射是产生浅海混响的主要原因之一。采用小斜率近似方法研究了粗糙液-液分界面的海底散射问题,通过一个统一的方法实现微扰近似和Kirchhoff近似的无缝衔接且不受表面高度均方根条件限制。类比APL-UW模型,利用最低阶小斜率近似求解粗糙海底界面散射截面,并结合Jackson等人的海底沉积层体积散射截面表达式,建立了一个计算双基地海底散射强度的"小斜率-体积"模型。针对几种典型的海底类型进行了数值仿真与性能分析,并将数值预报结果与APL-UW模型进行了对比。结果表明,小斜率-体积模型在整个角度范围内较为准确,并且与APL-UW模型的预报结果吻合程度较高,两者散射强度差值小于2 dB。

海底声散射特性研究进展

海底是水下声场的重要边界,其声散射特性对水下声场空间结构及分布规律具有至关重要的影响。对目前国际上海底声散射特性研究方面的进展进行了系统的分析和总结,从海底声散射测量技术、海底声散射特性及机理、海底声散射预测模型3个方面进行了论述,并提出了未来研究的方向、研究重点与难点。该工作对于充分了解和认识海底声散射研究的目前现状和未来发展趋势具有很好的借鉴和指导意义。

高速运动声呐海底宽带混响建模与仿真

海底混响是鱼雷在声速近似满足负梯度分布的浅海水域进行目标探测时的主要干扰源。为了准确、便捷、可复现地获得混响信号,并研究其统计特性,文中提出一种基于Bellhop模型的高速运动声呐海底宽带混响仿真方法。该方法先将对混响有贡献的海底区域划分为若干个不均匀的散射单元,计算每个单元的散射特征函数,其中传播损失通过Bellhop模型计算;再基于网络模型仿真得到包含幅值、相位与多普勒频移等主要影响因子的海底混响模拟信号。最后,对仿真信号与实航信号进行时频域分析及相似性比较。结果表明,以仿真信号与实测数据瞬时值的概率密度分布的点积比为评价标准,文中的方法与实航数据相似度明显提高,验证了模型的有效性。

海底掩埋物的目标强度和回声信混比

基于两种流体介质中声散射的修正的Kirchhoff近似,导出计算掩埋物回声的近似公式。应用回声计算的板块元方法和底质的地声模型,能够计算任意形状刚性掩埋物的回声特性。海底沉积层的影响主要反映在声波在底质中传播的衰减。界面的作用主要表现在声波经过两次折射或透射产生的损失。计算结果表明,用常规方式探测掩埋物时回声信混比总是很小, 探测是十分困难的。

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。

多孔介质海底上波浪伴流传播的数值模拟

根据最近建立的多孔介质海底上波-流相互作用的综合水波模型方程,针对两种典型的海 底地形进行了数值模拟.计算结果表明:水流和多孔介质特性,对近岸Bragg共振散射效应的反 射、透射系数极值及其作用位置产生了不同程度的影响.

基于时-空离散化的海底混响时间序列仿真方法

以海底混响为研究对象,提出了一种混响仿真时通过时空离散化处理降低计算量的方法。以混响的点散射模型为基础,海底混响认为是海底散射体对发射信号的响应,用线性网络对其进行描述,得到冲击响应函数。通过对冲击响应函数时间离散射化处理,相应的对海底进行空间区域划分,进而把散射体散射信号叠加时的叠加总数转化为时间域离散化之后的时间段总数,降低了混响仿真时的计算量。通过计算机仿真结果,表明所提方法可以有效降低计算量,并且其相关特性与文献研究结果相符。

利用测深侧扫数据和明暗恢复形状方法实现地形修正

一般的测深侧扫声纳应用中,单独利用回波数据的幅度信息或相位信息获取侧扫图或测深图以展示海底细节特征。为提取侧扫数据中的微地貌信息,实现更高精度的海底地形探测,提出了两步循环迭代算法:首先利用原始测深侧扫结果数据对散射模型进行最优拟合,其次,引入亮度误差修正因子,改进从明暗恢复形状算法并迭代地形,保证其快速稳定的收敛,最终通过循环迭代获取了海底底质参数和精度更高、与真实地形起伏相关性更强的地形深度值。同时,利用Jackson海底散射模型,模拟测深侧扫声纳信号的发射接收过程,并利用其回波数据,验证本迭代算法的正确性和有效性。结果表明:该方法可以有效地修正地形,且接收信噪比越高,地形修正效果越好;在信噪比为20 d B时,相比于原始测深结果,修正后地形起伏相关系数提升52. 4%,地形误差绝对值降低37%。最后,将该算法应用于测深侧扫声纳数据,通过修正前后地形图的对比分析,验证了本算法的可行性和有效性。

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。

负梯度浅海混响条件下吊放声纳主动探测深度研究

负梯度浅海条件下,吊放声纳主动工作时混响呈现"峰"现象,且随吊放声纳深度变化。为此,建立浅海混响模型,采用Bellhop模型计算吊放声纳与海底散射元之间的传播,并依据Jackson模型推导海底反向散射强度的计算方法。结合海底散射面积的估算与吊放声纳主动工作满足小掠射角的特点,对浅海混响进行了仿真和分析。

浅海混响背景下吊放声呐主动方式探潜研究

浅海混响估算是研究吊放声呐主动方式搜潜作战使用的关键环节。首先分析声能声呐方程各项的定义,研究最大允许传播损失的计算方法;然后采用Bellhop模型计算吊放声呐与海底散射元之间的传播问题,依据Jackson模型推导海底反向散射强度的计算方法。结合海底散射面积的估算与吊放声呐主动工作满足小掠射角的特点,对负梯度和负跃层声速梯度下的浅海混响进行仿真和分析;结合信号余量的估算,研究2种典型声场条件下工作深度对浅海混响和吊放声呐探潜的影响,并提出相应的吊放声呐工作深度的选择方法。

非完全深海声道环境下混响强度建模与分析

为研究非完全深海声道环境下海面和海底近距离大掠射角散射以及远距离小掠射角散射对混响的贡献,本文采用小斜率近似考虑全掠射角范围粗糙界面散射作用,结合射线理论声场算法,建立了海面和海底混响强度模型。利用南海实测混响数据对模型进行了验证,通过数值计算比较了海面和海底混响强度衰减特性差异,揭示了不同时间段的混响信号多途属性。结果表明:在表面声速为负梯度的非完全深海声道环境中,对于通常的海面附近发射和接收情形,海面混响强度衰减较快,海底散射起主导作用。

含天然气水合物介质地震空白带成因研究

基于弹性波动方程,结合随机介质理论,以渗透型天然气水合物地震空白带的研究为背景,建立了含天然气水合物的非均匀双相孔隙介质模型。利用高阶交错网格有限差分方法,正演计算了地层孔隙度一定时天然气水合物饱和度分别为2%,10%,15%,20%,25%,30%,40%,50%,60%,70%,80%等11种模型的地震响应。通过对正演偏移剖面作定性分析以及相对能量、频率衰减梯度的定量分析可知:当天然气水合物在地层中的赋存状态为不均匀分布时,水合物对反射波的散射效应使反射波能量减弱,形成地震空白带。当赋存的天然气水合物饱和度达到一定值时,由于水合物不均匀体产生的散射波能量增大,在地震空白带内出现"亮点"。同时,地层中非均匀分布的天然气水合物会影响地震剖面中似海底反射(BSR)的形成,这也可以用于解释为什么会在一些勘探实例中存在天然气水合物而无似海底反射的现象。