不同底质混响空间相关函数仿真分析

1引言海底底质测量与识别是海洋相关领域研究的重要内容之一,使用声学方法遥测海底并进行参量统计、底质分类是目前研究的重点[1]。本文以海底混响仿真为基础,研究不同底质混响空间相关函数的波形变化规律,并通过海试数据进行验证。     

基于射线理论的海底混响建模研究

以海底混响为研究对象,在深入剖析混响形成机理的基础上,以射线理论作为研究方法,从网络模型的角度出发,建立起一种具有直观物理意义的海底混响模型。结合“互易性”提出了收发合置情况下的非相干海底混响信号模型,进一步简化后用于混响信号的预报以及混响平均强度的计算。仿真结果显示了该方法的有效性。     

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。     

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...     

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。     

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.     

浅海混响实验数据垂直指向性简正波建模分析

混响是限制主动声纳性能的主要因素之一。人们利用接收阵的指向性来提高信号／混响比。垂直指向性可用于抑制边界混响。本文利用浅海简正波混响模型进行建模分析,通过仿真计算,研究了海底类型、海深、声速梯度对海底混响的影响。仿真结果表明：海底类型对混响影响最为严重;利用实测的平均声速建模的Pekeris信道的预测海底混响与利用实测SSP的预测海底混响相差很小;海深越深,海底混响越小,海深对海底混响的影响介于上述两种因素之间。在仿真分析的基础上,论文主要进行了浅海混响实验数据垂直指向性的建模分析。对东中国海60元垂直阵采集的混响数据进行了波束形成,并对单个水听器和部分波束的混响曲线与浅海混响模型预测数据进行了比较。经初步分析表明,实验数据与模型吻合得较好。     

基于物理散射的单基地海底混响建模与仿真分析

分析了海底混响包络非瑞利化的原因,将基于物理过程的K分布混响模型和Jackson海底散射模型相结合,建立了基于物理散射的单基地海底混响仿真模型。将海底混响统计特性与声呐波束宽度、带宽、频率、掠射角等系统参数和散射体尺寸、散射强度、分布密度等环境参数联系起来,同时兼顾了海底混响的统计特性和物理形成机制,仿真结果验证了模型的有效性。     

浅海声学和信号处理

在过去几年中,DREA研究了水下声信道的统计性质。对于在声纳和水下通讯中使用的有效的信号处理系统,这些性质对它的结构和性能有很大的影响。对这些水下信道的描述,主要是考虑信号传播和混响特性。前者影响到所接收的信号或回波的形状,而表面、海水和海底产生的混响或不希望有的反向散射是检测回波时的背景干扰。     

南海深海体积混响及散射特性试验研究

深海中存在着众多的不均匀"水团"、分层、深海生物圈以及海底逸出气泡等,这些散射体对入射声信号的散射构成了深海体积混响。通过测量获取深海水体散射目标的散射强度,研究不同海区不同时间的体积混响,对进一步认识深海声学特性具有重要的作用,也有助于主动声呐系统的性能预报。从深海中的主要散射体的组成、分类及其特征出发,介绍了一种深海体积混响及散射特性的研究方法。通过垂直向下发射窄波束测量各个深度层上的散射强度,用直观的声学图像显示强度值。构建试验系统在南海进行了深海试验,通过处理和分析测量数据发现,深度100 m以内的鱼类和处于深海散射层的海洋生物是深海体积混响的主要贡献者。     

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。     

基于自组织神经网络的声学底质分类研究

研究利用多波束测深系统获取的反向散射强度数据,应用自组织(Self Organizing Map,简称SOM)神经网络分类方法实现了对海底泥、砂、砾石和基岩等底质类型的快速、有效识别。通过实验示例,将SOM神经网络的分类结果与传统海底地质取样获取的真实底质类型进行分析比较,表明该方法是可行和有效的。     

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。     

一种用于多载波水声通信系统的频域均衡算法

自适应均衡器是水声通信克服信道多径衰退、消除码间干扰(ISI)的主要手段。为了在不减少数据传输速率的情况下,有效提高系统的抗多径能力,提出了一种用于水声多载波通信系统的多通道频域自适应均衡算法。利用频域LMS算法,按照最小化频域均方误差的准则调节均衡器,从而获得最优的频域权系数。该算法一方面解决了在频域求得估计误差的问题,另一方面,和采用信道编码的方式相比,在不降低数据传输速率的情况下,有效提高了系统的性能,通过仿真试验和湖试对其性能进行了验证。     

海底沉积物样品声衰减与温度关系的实验研究

不同海区海水温度不同,导致不同海区沉积物温度不同;实验室环境温度变化造成沉积物温度的变化。模拟沉积物的温度变化来研究沉积物声衰减的变化,分别从声衰减系数和本文提出的温变衰减系数描述声衰减。以原状样品和人工样品为例说明了在一定厚度的海底沉积物中,声波的传播能力受到沉积物本身分布的均匀度的影响,会出现不同的衰减趋势;通过定义温变衰减系数得到了海底沉积物对能量的传播能力随温度的升高而降低。     

用声学三参数判别海底沉积物性质

通过用声速-波形-振幅三参数识别技术获得海底沉积物的声速和频谱分析结果,根据声速、波形、振幅认识海底沉积物物理状态和结构特征,结合沉积层的其他地质信息,综合来判别海底沉积物性质。实验结果表明:利用声速高低、波形包络、振幅形状大小与沉积物结构、微结构、层理、颗粒成分、矿物组成、物理力学参数之间的关系,可以判别实验海区浅表层海底沉积物基本性质和划分海底沉积物钻孔岩心中古海水进退事件痕迹的埋藏深度。为声遥感遥测海底沉积物的实践作出尝试和贡献。     

Ultrashort laser pulse beam shaping

We calculated the temporal and spatial characteristics of an ultrashort laser pulse propagating through a diffractive beam-shaping system that converts a Gaussian beam into a beam with a uniform irradiance profile that was originally designed for continuous waves [Proc. SPIE 2863, 237(1996)]. The pulse front is found to be considerably curved for a 10-fs pulse, resulting in a temporal broadening of the pulse that increases with increasing radius. The spatial intensity distribution deviates significantly from a top-hat profile, whereas the fluence shows a homogeneous radial distribution.