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。     

三维浅海简正波混响模型

推导了浅海简正波混响模型,模型计算了从声源到浅海水底散射域声波能量的传播及其反射过程。在散射域,考虑了复本征值,有效的简正波对入射波和混响强度的影响。并且将简正波分解为上行波和下行波,利用下行波和Lambert散射定律,计算海底散射后接收的混响强度,其结果与收发同置的水听器接收数据一致。所得出的混响强度模型,物理意义清楚,形式简单,具有较强的普遍适用性。     

浅海负跃层平均混响强度的垂直结构

本文对浅海负跃层条件下平均远程海底混响强度进行了计算,并与实验结果进行了比较,计算公式与实验结果符合较好。实验与计算说明,在海面比较平静的情况下,浅海混响强度主要决定于海底的散射强度。当收、发合置于负跃层之上时,远程平均混响强度按t-5(t表示发射后的时间)变化:当收、发合置于负跃层之下层时,平均远程混响强度按t-2.5至t-3变化;当收、发铅直分置于负跃层之上、下时,混响强度是互易的。根据浅海负跃层混响的特点,提取了小掠射角海底反向散射强度。 一、引言 众所周知,混响级是声纳方程的一个重要参数,它对声纳性能预报具有重要意…     

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.     

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。     

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。     

双基地海底散射模型及仿真

介绍了基于Kirrchhoff近似理论和扰动近似理论建立的双基地海底散射模型,给出了散射强度与双基地声呐各角度之间的明确关系式。仿真实验结果表明,双基地海底散射与角度配置关系复杂,通过合理配置双基地各角度,可以减少海底混响对双基地声呐的影响。     

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。     

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。     

倾斜海底反射时声线水平偏转问题研究

三维浅海环境下,声线在倾斜海底反射时,会在水平方向上发生偏转。在远距离传播问题中,由于累积效应,接收声线的方位角与发射声线产生较大的偏差。若忽略不计,将会给声源定向等工作带来较大的误差。因此,研究声线在倾斜海底反射时的水平偏转问题,并总结其规律具有重要意义。采用射线声学的方法系统地研究了不同参数情况下倾斜海底声线水平偏转的问题,得到了在海底变化较缓时的近似公式,并进行了数值仿真分析。结果表明,声线的水平偏转的大小和方向由海底深度梯度和入射声线方位角与掠射角共同决定。     

收发分置式声纳系统混响仿真方法

给出了收发分置式声纳系统混响的一种仿真方法,首先推导出收发分置式声纳系统的体积混响、海面混响、海底混响的等效平面波混响级公式,并由等效平面波混响级公式计算出平均声强度衰减规律,与由声线法计算平均声强度衰减规律相比,仿真实现时计算更简单。并对仿真结果进行了平均混响强度衰减规律分析和统计特性与时间相关特性检验,与理论值相比较具有一致性,为收发分置式声纳系统的目标检测、信息传输技术研究提供理论依据。     

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。     

圆柱阵主动声纳空时混响仿真及空时特性分析

经典的单元散射模型混响仿真方法无法应用于主动声纳空时自适应处理（space-time adaptive processing,STAP）算法研究。提出了一种基于单元散射模型的适合主动声纳STAP算法研究的圆柱阵混响仿真方法。根据声纳发射信号的距离和多普勒分辨力将海洋空间划分成若干个散射单元,将每个散射单元对各个通道混响的贡献在时域分别进行求和,得到各个通道的混响时间序列。仿真综合考虑了多种影响混响的因素,包括发射信号的参数、声呐平台的运动、海洋环境等。对仿真结果的空时特性进行了分析,结果表明仿真数据能够满足STAP算法研究的需要。     

宽带声学多普勒流速剖面仪回波信号模型分析

宽带声学多普勒流速剖面仪（Broadband Acoustic Doppler Current Profile,BBADCP）通过接收海洋体积混响信号进行频偏估计,体积散射模型的准确性决定了理论仿真的正确性。针对BBADCP的信号模型特点,建立了散射体单元散射叠加效应的海洋体积回波时空特性及散射模型,推导了叠加噪声后散射回波的具体表达式。通过散射回波的离散化,把各参数（幅度、频率、调制）分离开来,单独考虑各参数对测速精度的影响。利用复协方差算法对水流流速进行估计,分析了信噪比、水流流速、紊流效应等因素对BBADCP流速估计的影响,验证了体积散射模型的正确性。