（水声工程专业论文）基于t型乘积阵的海底散射系数测量方法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t o c e a n i cr e v e r b e r a t i o nh a sa t t r a c t e dag r e a ta t t e n t i o ni nt h eo c e a nr e s e a r c h s h a l l o wr e v e r b e r a t i o ni sm a i n l yc a u s e db yt h eb o t t o ms c a t t e r i n g t h es e ab o t t o m s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n ti so n eo ft h eb a s i cp h y s i c a lq u a n t i t i e sf o rc h a r a c t e r i z i n gt h e b o t t o ms c a t t e r i n g ，s ot h es t u d yo nh o wt og e tt h es e ab o t t o ms c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t h a sa l li m p o r t a n tm e a n i n g f i r s to fa l l ，a3 ds c a t t e r i n gm o d e li si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt o t h i sm o d e l ，t h er e l a t i o n s h i pc u r v e so ft h e s c a t t e r i n gs t r e n g t ha n dt h ei n c i d e n t g r a z i n ga n g l et h es c a t t e r i n gg r a z i n ga n g l et h es c a t t e r i n ga z i m u t ha n g l eo rt h e f r e q u e n c y a r e c o m p u t e d t h eo c e a nb o t t o ms c a t t e r i n g c o e f f i c i e n tw i l lb e m e a s u r e db yt - t y p ea r r a y , s ot h er e l a t i o n a le x p r e s s i o n so fo u t p u tv o l t a g eo ft - t y p e m u l t i p l i c a t i v e a r r a y sa n das i n g l ea r r a ye l e m e n ta n dt h eb o t t o ms c a t t e r i n g c o e f f i c i e n ta r ed e r i v e d n e x tas e a f l o o rr e v e r b e l a t i o ns i m u l a t i o nm e t h o dw h e nt h e b o t t o ms c a t t e r i n gc o e f f i c i e n ti sa s s u m e dt ob ek n o w ni si n t r o d u c e d , a n dt h es e a b o t t o ms c a t t e r i n gc o e f f i c i e n tc a l lb ei n v e r s ec a l c u l a t e d t h e naw a t e rt a n k e x p e r i m e n t i s i n t r o d u c e d , i n c l u d i n ge x p e r i m e n te n v i r o n m e n t ，e x p e r i m e n t i n s t r u m e n t s ，e x p e r i m e n ts e t t i n g , m e t h o d o f g e t t i n g a n d p r o c e s s i n g t h e e x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l t s o fp r o c e s s i n gt h es i m u l a t i n ga n de x p e r i m e n t a l s i g n a l si n d i c a t et h i sm e t h o di sf e a s i b l e c o m p a r et h er e s u l to fp r o c e s s i n gt ot h a to f c o m p u t i n gb a s e do nt h es c a t t e r i n gm o d e l h n a l l y , t h ep r o g r a m m e so fm e a s u r i n ga n dc o m p u t i n g a le d e s i g n e db yg u i k e yw o r d s ：o c e a nb o t t o ms c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t ；s c a t t e r i n gm o d e ；r e v e r b e r a t i o n s i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：协年弓月f 矿日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 前言 海洋混响是影响主动声纳工作的主要因素之一。研究海洋的混响规律是 一种需要，其中海底混响是研究重点。混响主要是由于海底、海面和海洋介质 的不均匀性对声波的散射引起的。对于较平静的海面，浅海混响主要是海底 散射引起的。 海底声散射系数是表征海底散射的一个重要物理量，是混响预报的重要 参数，因此研究海底声散射系数对于声纳设计、声纳工作特性分析和声纳作 用距离等的研究具有重要意义。同时，它还是海底声成像、海底地貌测绘工 程中的重要信息载体。在远离被测物的所在地用声学方法测定其位置、形状、 状况和性质的声遥感技术和侧扫声纳、条带测深仪等海底测量设备的工作中， 海底散射系数一直是一个重要特征量。研究海底声散射系数具有重要的意义。 多年来，国内外研究机构和学者做了大量研究，目前出版的文献以国外 的著作居多。国外对该领域的研究起步较早，也比较全面。像美国的海军海 洋系统中心( n o s c ) 对海底声学特性进行了大量的基础性研究和海底数据采 集工作，为美国建成了大型的海洋海底数据库。北欧一些国家也联合开展了 一些工作如e s m a c ( e n v i r o n m e n t a ls e a f l o o rm a p p i n ga n dc h a r a c t e r i z a t i o n ) 、 i s a c s ( i n t e g r a t e ds y s t e mf o ra n a l y s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no ft h es e a f l o o r ) ，国内 近年来也有不少部门进行理论研究工作。但是迄今为止，国内外研究大多是 针对二维海底声散射系数进行的研究。随着双基地及多基地声纳的研究和广 泛应用，研究三维海底声散射系数将成为更迫切的要求。 1 2 国内外研究现状 目前国内外所采用的海底声散射系数的获得方法主要有： 1 采用合理的散射模型结合具体的海底物理参数来计算声散射系数。 在混响计算中人们常常使用最简单的散射模型一l a m b e n ( 兰伯特) 定律 n l 。其数学表达式为： s 一* s i n o is i n 吼( 1 1 ) 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中，p 是比例常数，只是入射掠射角，晚是散射掠射角。 l a m b e r t 公式是半经验公式。在光学中，虽然许多材料上的散射满足兰 伯特定律，但没有一种是严格满足的，但它对于能吸收光、辐射光的材料上 的辐射问题特别适用。对于声波，我们可以认为它对粗糙界面上的反向散射 问题是个良好的描述。 后来人们提出了针对几种散射理论模型的二维后向散射系数 m ( 岛，色) ( 岛，吼分别为入射掠射角和散射掠射角) 的表达式懈。 ( 1 ) 假设散射由界面不平整性引起，在基尔霍夫近似下，各向同性的不 平整表面的散射系数可表示为： m 0 加专一专劫( 1 - 2 ) e x p m o 。劳一旁印】 式中圪是反射系数，2 是不平整的均方斜率。 k ，k ( c o s b + c o s 0 2 ) ，k ：一k ( s i n 0 1 + s i n 吼)( 1 3 ) ( 2 ) 假设散射由界面不平整性引起，在基尔霍夫近似下各向同性的小不 平整表面的散射系数可表示成： m , 0 2 m 黔g ( k ，) ( 1 - 4 ) 式中i k1 2 - 七；+ 七；，g 是不平整表面的空间谱。 ( 3 ) 假设散射由海底沉积层内的不均匀性引起，则二元散射系数的表达 式为： m ( 0 1 , 0 2 ，- 糟嚣盖 c m ， 式中卢是沉积层吸收系数，、岛分别为不均匀性的垂直和水平尺度， 弘2 是折射率起伏的均方值。 ( 4 ) 还有一种分离型散射模型：假设散射系数可以表示为入射角的函数 与散射角的函数之乘积，即m ( 岛，0 ：) 一，l ( 岛) m ( o ：) 。 以上提出的表达式仅适用于二维后向散射系数。 为了适应双基地声纳设备的要求，逐渐出现了一些改进的三维散射系数 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的理论模型，来研究入射掠射角、散射掠射角、入射方位角、散射方位角的 不同组合时的海底声散射系数。 美国海军研究试验室曾提出b i s s m ( b i s t a t i cs c a t t e r i n gs t r e n g t hm o d e l ) 模 型唧，把海底散射分为连续的和不连续的两部分，此模型来描述界面的双基 地前向散射特性。 e l l i s 于1 9 9 1 年提出了一种改进的三维散射系数计算模型，他把散射强 度分为漫散射强度和前向散射强度两部分h 。 其表达式如下： s ( b ，0 2 ，谚一x s i n 0 1x s i n 0 2 + t ，( 1 + a n ) 2 e x p ( 一厶q 勿2 ) ( 1 6 ) q - ( c o s 2 色+ c o s 20 2 2 c o s 岛c o s 0 2c o s 妒) ( s i no , + s i n0 2 ) 。 ( 1 - 7 ) 式中第一项是漫散射项，服从l a m b e r t 散射律p ，第二项是前向散射主瓣， o l 、幺分别为入射掠射角和散射掠射角，9 是散射的水平方位角，它表示散 射声线对入射平面的偏离，q 表示散射声线对镜反射方向的偏离。等同 于l a m b e r t 定律中的声散射常数，t ，是表征界面刚硬度的一个量，通常取作 界面的瑞利反射系数，仃表示海底平面起伏程度的均方差值，在用该模型计 算时t ，、仃常取作常数。 此模型反映出的某一固定角度发生瑞利反射时的散射系数最大，与实际 情况相符。但该模型仅考虑了海底的界面散射忽略了海底沉积物的体积散射。 美国j a c k s o n 等人也对海底混响进行了大量的研究，提出了海底混响模 型n ，是假设发射机和接收机放置在海水中，或把接收机放置在海底沉积物 中来研究的。另外还有很多学者对界面散射和海底沉积物的体积散射分别进 行研究。 用散射模型计算散射强度这种传统方法的优点在于便于操作，并且散射 强度是一个大的空间区域的平均值，缺点是散射强度的估计屈从于很大程度 的假设。 2 利用测量的混响数据反演得到海底声散射系数m 埘。 海底参数的反演问题直是水声研究的重要内容。一般情况下，海底的 声学参数非常多，如声速、密度、吸收系数以及散射系数等等，并且由于海 底是非均匀的，可能还要分为很多层，这样每一层又有不同的声学参数。现 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 场直接测量大量的海底声参数比较困难，费时费力，用声场反演的方法获得 海底声参数就较为简便了。 常用的声场反演方法是由正向声传播反演。刖海底声参数，但这种方法在 实际应用时，要求发射设备与接收设备有一定距离，实验条件一般比较复杂， 而利用浅海混响反演海底声学特性的方法可以简化实验。 关于由浅海混响反演海底声参数的方法，正式发表的文献不是很多。文 献阴报道在已知海底反射损失的情况下由浅海混响反演海底散射系数的研 究。文献弘1 提出了利用随机反演理论和多次迭代的方法，由一条混响强度曲 线反演海底反射和散射系数，进行了数值模拟，并讨论了反演的精度及迭代 的收敛性。文献q 用该方法对一次实验进行了反演计算。文献1 1 7 1 利用角度谱 方法在p e k e r i s 模型的浅海对此问题做了深入的探讨，提出可以用混响强度首 先得到海底散射系数，再由垂直相关反演海底反射系数，并给出了实例。文 献川由一条混响垂直相关曲线和一条混响衰减曲线同时反演了海底反射系数 和海底散射强度。文献p 川应用浅海混响的射线简正波理论，在已知海底等效 声参数的情况下，不考虑海底散射模型的具体形式，由混响衰减数据利用 随机反演方法2 1 倒得到了海底散射系数。结合a s i a e x 2 0 0 1 浅海声学实验中 的混响实验数据，对本地混响和异地混响的理论与实验进行了研究。 在浅海低频小掠角时直接测量海底散射系数比较困难，可以利用容易测 量的混响数据进行反演。这些方法一般都有实验简便、反演速度比较快及反 演结果比较稳定等特点。因此，利用混响数据反演也是获得海底声散射系数 比较常用的方法。 3 采用直接测量的方法获得海底声散射系数删。 根据海底散射系数的定义：在参考距离1 米处被单位面积的海底所散射 的声强与入射平面波声强之比。采用实验的方法获得散射声强和入射声强， 取其比值得到海底声散射系数也是一个可行的方法。 c h a r l e sw h o l l a n d l 卿、k e v i nlw i l l i a m s 嗍、金国亮洲、王忠康闭等人都 曾对海底散射的直接测量方法进行研究，但大多研究的是二维反向散射，即 将声收发装置放置于同一位置，通过测得入射和散射声强来计算海底的散射 系数。宋磊在2 0 0 7 年提出了一种新的海底散射系数的实验测量方法嘲。依据 该方法能够测得随不同入射掠射角、入射方位角、散射掠射角、散射方位角 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m 以及入射声波频率变化的海底散射系数。但在此方法中，由于声源阵的指向 性特点使得声波只入射到海底的。一点 ，所以在一个测量站点，只能得到一 个散射掠射角和散射方位角组合下的海底散射系数。因此，在本论文中，将 对他的方法进行扩展，即调整声源阵的指向性，使声波“照亮 的海底成一 “带状 ，用具有空间指向性的t 型乘积阵来接收数据，这样通过形成不同 指向的波束，在同一站点就可以得到多组散射掠射角和散射方位角组合下的 海底散射系数。 在浅海中用直接测量的方法的缺点是存在多途，这使关心的特殊路径的 分离很困难。另外一个缺点是测量仅仅采集了一个非常小的区域，这可能在 大区域的混响预测中没有直接的用途。但是，直接测量技术的主要优点是排 除了很多对混响数据进行繁杂解释的假设，所以可以对频率和角度与海底散 射的依赖关系进行详细的研究。 1 3 论文的研究重点及主要内容 由上文可知目前国内外对海底散射系数的研究主要围绕反向散射开展。 尤其是散射系数的实地测量，由于其技术复杂、实施困难目前只测得了很少 的反向散射数据。鉴于上述诸方法的不足，并结合水声工程应用对海底散射 系数的新需求提出本文的研究目标和任务。 1 引入一种三维散射模型理论，给出了计算海底散射强度和散射系数的 表达式，并对其中的参数进行了详细的介绍。最后通过仿真得到海底散射强 度和入射掠射角、散射掠射角、散射方位角以及频率的关系曲线。 2 利用混响仿真的相关知识，假定海底散射系数已知，仿真得到混响信 号，并可以仿真输出接收阵的阵元输出和基阵输出信号；对仿真的信号进行 处理，得到海底散射系数，与假定的散射系数对比；推导出了t 型乘积阵阵 输出和阵元输出的关系，进而导出了获得散射系数的表达式。 3 介绍水池实验，包括水池环境、测量系统布放、仪器性能等，并介绍 了数据处理中用到的计算模型及处理方法，给出了处理结果。 4 根据混响信号仿真和处理以及实验数据的处理内容，在m a t l a b 提 供的图形界面开发环境g u i d e 下做出了混响仿真和实验数据处理的人机对话 界面，输入一些基本参量，按要求可以输出混响信号、阵元信号、基阵信号， 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 也可以输出预定测点的散射系数。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章理论模型 海底的声散射是产生浅海混响的主要原因之一。为了预报混响或从已测 量的混响数据中分析海底的声学特性，采用合理的模型来计算平面内收发分 置的海底散射非常关键。海底散射是由海水与海底之间的粗糙界面和海底的 沉积层内的非均匀介质引起的。多年来，人们对海底散射作了大量的研究， 其中绝大部分的工作致力于研究海底界面粗糙引起的散射。在k i r c h h o f f 近似 和r a y l e i g h r i c e 近似的基础上发展了一些的相对较完善的收发分置的界面散 射模型。然而这些模型不能预报由海底非均匀介质引起的体积散射。体积散 射常常是小掠射角和界面比较光滑时的海底散射的主要贡献。鉴于小掠射角 散射是远距离混响预报的关键，因此建立收发分置的体积散射的模型是非常 必要的。 本文采用的是k c v i nl w i u i a m s 和d a r r e l lr j a c k s o n 提出的异地散射模型 网，此模型不仅预测了海底粗糙界面引起的散射，同时还预测了有海底沉积 层非均匀介质引起的体积散射。 下面就此模型进行详细的介绍。 2 1 基本参量介绍 假定海底为各向同性、二维的高斯随机界面，海底沉积物为流体，不考 虑其弹性和粘滞性的影响，并且沉积物性质均匀，无分层；沉积物性质可以 用以下参数来描述：密度、声速、声吸收系数。 此模型是海底高频异地散射模型，把声源和接收器都放置在海水中，相 隔一定的距离，其异地角度配置情况如图2 1 所示。 在下图所示的笛卡儿坐标系中，入射波的掠射角为续，散射波的掠射角 为见，异地角度钇，定义为散射波方位角。大体上说，异地散射需要四个角 度来描述，两个掠射角，两个水平方位角：但是，这里只需要用到散射方位 角，因为海底被假定为是各向同性的。 各角度的取值范围为：0 0 倪s 9 0 0 ，0 0 见s 1 8 0 0 ，一1 8 0 0 s 驴s 1 8 0 0 。 钇一0 0 表示前向散射方向；倪；位表示镜面反射方向；织1 8 0 0 表示后向 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 散射方向；钇一= 1 8 0 。且b - 1 8 0 。一吃，表示反向散射方向。 | 影t l - 7叭 图2 1 异地角度配置关系 海底的混响主要是由海底界面的不平整性散射和沉积物颗粒的不均匀性 散射引起的，所以异地收发分置海底散射强度可写为： 瓦( 包，钇，q ) 一1 0 l o g 【( 见，仍，q ) + ( 吃，够，佛) 】( 2 1 ) 式中1 0 9 是以1 0 为底的，( 吃，纯，佛) 和 ，以，b ) 分别为海底界面不 平整性散射系数和沉积物不均匀性散射系数，角度吃，仍，b 在图2 1 中进 行了定义。 散射系数的表达式会用到以下的几何参量： r - 三【( c o s 佛) 2 - 2 c o s o ic o s 8 , c o s , + ( c 0 s 以) 2 】1 佗 ( 2 2 ) 二 1 ：一丢( s i l l b + s i n e , ) ( 2 - 3 ) 二 一2 + 缱 ( 2 4 ) 为方便模型的研究，先对模型中即将出现的一些参数和符号进行说明，p 。 表示海底沉积物密度和海水密度之比( 简称密度比) ，表示沉积物中声速和海 水中声速之比( 简称声速比) ，6 为损失参数，描述沉积物中虚波数和实波数 的比率。密度比、声速比、损失参数等都使用标准的海底声学参数；借助这 些参数来定义下面的复向量： r 。业 ( 2 5 ) r 一一 i z ) l 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p ( o ) 一k 2 一( c o s o ) 2 即) 端 i 为虚数单位，r ( o ) 为r a y l e i g h 反射系数。 6 可以借助定义的沉积物声吸收系数来获得： 6 。a b v c i n l 0 4 0 4 假定海底界面的起伏分布为各向同性的二维高斯随机过程， 为单一物质并且不存在分层。 弓l a - 维高度谱嗍的概念对界面的不平整性进行描述。 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 海底沉积物 职目2 批e x p ( i k r ) b ( 彬2 r ( 2 - 9 ) 式中，w ( k ) 即为界面的二维高度谱，b ( ，) 为高度随机分布函数j i l ( r ) 的 自相关函数。 b ( 厂) 1 伽( ，+ f o ) h ( f o ) )c - 1 0 ) 在高度分布为各向同性高斯随机过程的假设前提下可求得二维谱形式 为： 缈僻) 。丽w 2 ( 2 - 1 1 ) 式中k 是二维矢量波数，w 2 和 ，：分别为二维海底界面的谱强度和谱指 数，谱指数的取值范围为：2sy ：s4 ，h o 是参考长度，取j l o - l c m 。另外设 定以下两个参量t 口一等- 1 ( 2 1 2 ) c 一2 - 嚣尚篙 仁埘 描述海底沉积物不均匀引起的散射需要用n - - 个参量： 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ) 。而w 3 ( 2 - 1 4 ) 一肛2 w p p( 2 1 5 ) - l 比w p p( 2 - 1 6 ) 这里k 是水中的声波数，为沉积物中密度的扰动压缩比。 2 2 界面的不平整散射 对不平整的海底界面来说，其散射分为镜面反射和非镜面反射两个部分， 为求解散射系数，在镜面反射方向附近上利用k i r c h h o f f 近似理论，在非镜面 反射方向上利用微扰近似理论，则不平整海底界面的散射系数可表示为： ( 见，晚，仍) 【醒( 见，晚，只) + 仃：( 见，九，或) 】u 叶 ( 2 1 7 ) 其中( 色，唬，b ) ，盯p ，( g ，九，包) 分别为k i r c h h o f f 散射系数和微扰散射系 数，取r - 一2 。 2 2 1k i r c h h o f f 近似 类比j a c k s o n 提出本地散射系数模型阳，异地k i r c h h o f f 散射系数可表示 为： 呲删- 掣唔) p 2 。啪弦幽( 2 - 1 8 ) 其中 q 一2 k2 芷c ；( 放，) 勘( 2 - 1 9 ) ，。o ) 是第一类零阶贝赛尔函数，k 是水中的声波数。 2 2 2 扰动近似 参考m o e 等在1 9 9 5 年提出的微扰模型嗍，并对模型简化，微扰近似散 射系数表示为： 他，丸，包) s 1 4 k 4 i + 尺( 幺) 1 2 阻+ r ( 色) 1 2 i g l 2 w ( e k a ，) ( 2 - 2 0 ) 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中 g 。0 1 ) 【c o s 硗c o s 见c 0 s 丸一掣】+ 1 - ( 2 - 2 1 ) 将式( 2 - 1 8 ) 和式( 2 2 0 ) 代入式( 2 1 7 ) ，即可得出界面的不平整散射系数。 2 3 沉积层体积散射 m 和j a c k s o n 在模型中用的体积散射的表达式与s t o c k h a u s e n 用的类似网： p 瞑) 皇! 罂业坐型立( 2 - 2 2 ) 蛾，丸。蠢赢黹 其中： q 詈七4 k r 2 + c o s o , c o s o c o s 九一p ( b ) p ( 色) 1 2 陟名( 放) ( 2 2 3 ) a k 七1 4 。2 + 【r e 【p ( 佛) 尸( b ) 】) z1 1 胆 ( 2 2 4 ) i l l l 和r e 分别为取复数的虚部和实部。 在式( 2 1 7 ) 和式( 2 - 2 2 ) 中分别求出了由海底界面的不平整性引起的散射系 数和海底沉积物粒子的不均匀性引起的散射系数，将两式代入式( 2 1 ) ，即可 得出此散射模型下散射强度的确定表达式。 2 4 数值计算 由模型可知，影响海底散射强度和散射系数的因素众多，异地配置时各 角度、频率、声速、沉积物类型等的变化都有可能引起散射强度和散射系数 的变化，下面将通过仿真进一步研究它们之间的关系。 针对上面介绍的海底散射模型，仿真选用参数为：，：4 0l 【h z ， c o 一1 5 0 0 m s ，环境参数的取值为：，：1 1 3 0 ，p ：1 9 4 0 ，6 ：0 0 1 1 5 ，3 ：3 0 ， ：o 0 0 0 1 2 7 c m 3 ，：一1 0 ，) ，2 ：3 6 7 ，：o 0 0 4 2 2 c m 4 。这里的仿真所用到 参数的取值参考了国外的一些试验数据习，实际海洋不同位置的参数取值一 般是不同的，并且在仿真中，考虑散射强度与某一参数变化之间的关系时， 是假定其它参数值保持不变的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 1 与角度的关系 针对散射强度和异地各角度配置的关系，研究散射强度随某一个角度变 化的情况。 1 与散射方位角的关系 入射掠射角和散射掠射角分别选取为岛- 见- 5 。，2 0 。，3 0 。，6 0 。，8 0 。，计算得 图2 2 。 图2 2e - 见时散射强度和散射方位角的关系曲线 由图可知，当岛包，钇 0 。时，散射强度随散 射方位角的增大而减小；图形是关于仍一o 。轴对称的。 0 ) 只一4 5 0( 6 ) 色一3 0 。 图2 3 散射强度和散射方位角的关系曲线 入射角和散射角分别固定选取为谚一4 5 。，见a 2 0 。，6 0 。，8 0 。和见= 3 0 。， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 佛a2 0 0 ，6 0 0 ，8 0 0 ，仿真得图2 3 。 由图可知，当入射掠射角和散射掠射角固定且不相同时，散射强度随散 射方位角的变化曲线关于钇一o o 轴对称的，极值也出现在钇一o o 方向上。 2 与入射掠射角的关系 散射掠射角取以一2 0 。，4 5 。, 8 0 。，散射方位角分别取钇- 0 。，一8 0 。， 识一1 2 0 0 ，仿真得图2 4 。 0 ) 仍一0 0p ) 识一8 0 0 ( c ) 仍一1 2 0 0 图2 4 散射强度和入射掠射角的关系曲线 由图可知，当钇一0 0 时，在镜面反射方向附近，散射强度出现极值；当 钇0 0 时，散射强度基本上随入射掠射角的增大而增大。 3 与散射掠射角的关系 入射掠射角分别取佛一2 0 。，4 5 。，8 0 。，散射方位角分别取钇一0 。，一6 0 。， 1 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 讫一9 0 。，钇= 1 2 0 。，仿真得图2 5 。 ( 口) 仍- 0 。p ) 仍6 0 0 t 射掉舯( 直t 舯奠射一( 度) ( c ) 钇9 0 0 ( o r ) 一1 2 0 0 图2 5 散射强度和散射掠射角的关系曲线 由图可知，当i l l 0 。时，散射强度的极值出现在镜面反射方向( bi 吃) 附近，图形钇关于1 8 0 。一钇的图形是关于见- 0 。轴对称的。 2 4 2 与频率的关系 假设频率在2 0 k h z 枷l 【h z 范围内变动，取岛一见一5 0 3 0 。，6 0 0 ，8 0 。， 仍一6 0 0 和亿一1 2 0 0 ，取包15 。，3 0 。，6 0 。，8 0 。，吃一1 0 0 ，3 5 。，8 0 。, 1 4 0 。， 钇0 0 , 1 2 0 , 9 0 0 ，1 6 0 0 ，仿真得图2 6 。 由图可知，在此频率范围内，散射强度随频率的变化不明显，在入射掠 射角和散射掠射角较小时，散射强度随频率的变化变动稍大。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 口) 纺6 0 0 瓤率( m i d - ，_ ( 6 ) 钇l i b l 2 0 0 ( c ) 见一0 。p ) 钇n 1 2 0 0 图2 6 散射强度和频率的关系曲线 2 5 本章小结 本章主要引入了一种理论计算海底散射系数的模型，给出了其数学表达 式，并在给定入射掠射角散射掠射角散射方位角频率其中三个值的前提下， 计算了散射强度随另外某个量的变化情况。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章混晌信号的仿真和处理 海洋混响是水声学中的基本物理现象之一，是一种特殊形式的干扰，它 是伴随着声纳发射信号而产生的，所以它和发射信号本身的特性有着密切的 关系，还和传输信道的特性有关。混响是一个随机过程，主要是存在于海洋 中的大量的无规则散射体和散射面对入射声信号产生的散射波信号在接收点 迭加而形成的。 近年来，海洋混响成为一个受重视的研究课题。 3 1 混响的基本理论 3 1 1 混响的基本概念“习 海洋中存在着大量的散射体，诸如大大小小的泥沙粒子、气泡等，另外， 不平整的海面和海底，也是声波的散射体。海洋中的所有的散射体，构成了 实际海洋中的不均匀性，当声波投射到这种不均匀性介质上时，就会产生散 射过程，一部分入射声按照原来的方向传播，而另一部分声则向四周散射， 形成散射声场，这些散射波在接收点上的总和构成混响。 混响的强弱可以通过散射强度或散射系数来表征。 散射系数定义为在参考距离1 米处被单位面积或体积散射的声强与入射 平面波声强的比，可表示为： l， o1 1 蚴，l 1 蛔 ( 3 1 ) 而散射系数的分贝表示即为散射强度： 1， s l o l 0 9 1 ( 3 2 ) j - _ c 其中，缸、，删分别为入射声强和距离海底等效散射声中心1 米处被单 位面积或体积散射的声强。 等效平面波混响级：若接收器接收来自声轴方向的入射平面波，该平面 波的强度为，接收器输出端的电压为矿，如将此接收器放置在混响声场中， 声轴对着目标，若在混响场中该接收器输出端的电压也为矿，则此混响场的 等效平面波混响级碰为： 1 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 r l 一1 0 1 9 ( 3 3 ) o 式中的l 是参考声强，它是声压有效值，为1 微帕的平面波的声强。 混响是一个复杂的随机过程，受到很多因素的影响，在讨论过程中，为 了问题的简化，作如下假定： 1 假设声波直线传播，只考虑球面衰减，忽略其他衰减因素。 2 任一瞬间位于某一面积上或体积内的散射体分布是随机均匀的，且每 个散射体有相同的贡献。 3 散射体的数量极多，以至在任一体元或任一面元上都有大量的散射体。 4 只考虑一次散射情况，不考虑多次散射。 5 脉冲时间足够短，以至可以忽略面元或体元尺度范围内的传播效应。 3 1 2 混晌的分类 海洋中各式各样的散射体对声信号的散射各不相同，所产生的混响场的 特性也不一样，根据混响场的不同特性，大体可以将混响分为三类。 海水中的泥砂粒子、海洋生物、海水本身的不均匀性、气泡、鱼群等散 射体，存在于海水本身或体积之中，它们引起的混响称为体积混响。 海面不平整性散射和其附近气泡层对声波散射所形成的混响称为海面混 响。 器 图3 1 多种混响的叠加示意图 海底不平整性散射和海底沉积物颗粒不均匀性散射所形成的混响称为海 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 底混响。 由于海洋中水声传播存在多途径以及不同散射体的二次散射作用叫，伴 随主动声纳产生的海洋混响并非单纯上述某一种而往往是多种混响共同作用 的结果( 如图3 1 ) 。这是在海底散射系数的测量过程中必须考虑的因素。 对于工作在浅海的主动声纳系统来说，海底混响将成为其主要背景干扰， 所以仅对海底混响进行进一步的介绍。 海底是一种具有复杂声学特性的界面，既是声波的反射体，也是声波的 散射体。海底混响的存在严重限制了声纳系统性能的发挥，特别是对于应用 于浅海的声纳系统，海底混响的影响要比海面混响和体积混响的影响大的多。 海底混响是一种界面混响p 习，假设收发合置的换能器置于海水中，距离 海底的高度为日，发射换能器的发射指向性为b ( 8 ，9 ) ，设距离发射换能器单 位距离处的轴向声强为l ，则它的空间p ，驴) 方向上的声强就是舻p ，9 ) ，考 虑p ，9 ) 方向上的，处的海底有一面积为幽的散射体，则幽处的入射声强为 印( p ，妒) ，2 。又根据散射强度的定义，可以得到在返回声源的方向上离幽单 位距离处的散射声强度为【舻( 口，妒) ，2 】爱幽，这里的& 是距离产生散射的单 位面积1 米处的反向散射声强度j 一，和入射声强度j 妇之比： s bi l 啄。( 3 - 4 ) 根据散射强度s 的定义，有& = 1 0 1 9 $ ：。显然，在入射声作用下，由枷 产生的返回声源处的散射声强度应为：舻p ，缈) 爱幽厂4 ，而因为是收发合置 的换能器，所以接收换能器的指向性也为b ( 8 ，9 ) ，则对接收器输出端有贡献 的声强度绝对值就为舻2 ( p ，妒) 爰幽厂4 。因为散射体分布在整个散射区中， 所以作用于接收器的总散射声强度为每个面元别的贡献之和。把面元幽取 的足够小，以至可以用积分替代求和，则总的散射声强为 j 二tc 二 又( 口，9 弘2 ( 口，驴) 洲( 3 5 ) 根据实际情况常可认为h ，所以这就使得反向散射过程与换能器的 垂直指向性基本无关，且只与水平方向性有关，故b ( a ，9 ) 和瓦( 日，9 ) 近似为 b ( o ，驴) 和文( o ，妒) 。另外，面元d a r d r d 驴，将其代入式( 3 5 ) ，就有 k f + 了j 产。生r * 4 ( o 妒涉2 ( o 9 ) 捌伊 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ii i r o l li,e 暑暑宣宣宣i 暑i ；i 宣 一笋砥箭b 2 ( o 删妒 ( 3 - 6 ) 设想一个等效的理想指向性图案，此图案在开角西内有均匀的单位响 应，在此开角外响应为零，即 f 6 2 ( o ，谢妒- r 埘妒- ( 3 - 7 ) 用理想指向性图替代收一发组合指向性后，最终得到散射声强为 k 一 一詈m ( 3 8 ) 由式( 3 8 ) 可见，散射声强与入射声强l 、脉冲宽度f 、收一发组合指向 性束宽m 等量成正比，而与距离的四次方成反比。 由式( 3 8 ) 可以得到海底混响的等效平面波混响级魁的表达式 r l - s l - 4 0 1 9 r + 墨+ l o l g ( - - 若- ，) ( 3 9 ) 海底混响强度受到众多因素的影响，其中主要影响因素包括海底底质、 掠射角和声波频率等。 1 与海底底质的关系 海底混响与海底底质关系密切，不同的海底底质由于其结构、密度、孔 隙度、粘度、粗糙度等的不同，造成声学特性有很大的差异。不能单纯根据 海底底质类型来判断混响的强弱，两者之间没有必然的关系，要综合考虑各 方面的因素，在通常状况下，粗糙、坚硬的海底要比柔软、平滑的海底产生 的混响级大。 2 与声波频率的关系 比较平滑的海底( 泥浆或砂底) ，在很宽的频率范围内，散射强度随频率 的一次方增长：对于岩石、砂和岩石及淤泥和贝壳海底，散射强度基本上不 随频率而变。可见，海底粗糙度影响着海底声散射过程，对于有不大起伏的 深海海底平原，表面粗糙度大体上可以和入射波的波长相比拟，其散射强度 随频率而增长，且变化曲线有陡的斜率；而对于有水下山脉且坎坷不平的海 底，在1 - 3 0 k h z 频率范围内，散射强度对频率无明显的依赖关系，这种强粗 糙面上的散射问题可用l a m b e r t 散射定律描述。 3 与掠射角的关系 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 散射强度在粗糙界面上随掠角变化关系可以用l a m b e r t 定律来描述，声 强为l 的入射波以掠射角口投射到粗糙表面面元幽上，这一入射功率将散射 到空间各个方位上，各个方向上散射声的声强正比于该方向角的正弦，即 i s - 弘i j s i n o s i n 础lq 一1 0 ) 式中，为比例常数，s i n o d a 为入射声强( w m 2 ) ，妒为散射掠射角 ( r a d ) 。 按照散射强度的定义，取d a 一1 ，则得 瓯一1 0 l g u + 1 0 l g ( s i n o s i n 妒) ( 3 1 1 ) 对于反向散射，妒- 石- 8 ，则s b 1 0 1 9 比+ 1 0 l g ( s i n 2 p ) 对于收发分置系统，推导过程与收发合置系统类似，得到 皿1 1 0 l 。g 哮乎6 a x ) - s l 一7 乙一z k + 咒+ l o l o g a ( 3 1 2 ) 即 s b - r l 一钇+ 7 z ，+ t l 且- 1 0 l o g a ( 3 - 1 3 ) 式中，t o g a 射声强，、r 分别为入射和散射声程，b 、6 分别为发射 和接收换能器的指向性图表达式，血为散射体或散射面的散射元，s 为对应 散射体或散射面的散射系数，乩为声源级，玛为入射声波传播损失，为 散射声波传播损失，瓦为海底散射强度，a 为有效散射面积。 这里要介绍一下有效散射面积旧： 下图中，q 、d 2 分别是收发声基阵的中心位置，收发基阵布放在相同的 水深；叫、破是它们在海底的投影。图中阴影是以d l 、d 2 为焦点的两椭球 被海底平面所截得的两椭圆之间的平面，两椭球可用式( 3 1 4 ) 和( 3 1 5 ) 表示。 1 4 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 毒皇| 置昌鼍m i i i i 譬暑鲁i 置宣暑置置昌宣昌宣宣i ；昌昌宣昌宣i 一 3 1 3 海洋声信道中的多途 当声源和接收器之间存在不止一条传播途径时，就是多途传播1 。多途 传播一般出现在波导传播中，例如表面声道和浅海声道，也常出现在反波导 的情况下，例如海底、海面的多次反射路径( 如图3 3 ) 。信号通过多途传播会 在单个接收器上产生信号的振幅和相位起伏，还会使空间不同位置水听器的 输出信号的振幅、相位去相关从而使接收基阵的增益下降。而多途传播对于 海底散射系数测量有着直接影响。声源发射的声信号若通过多途径传播到达 接收点，海底的散射信号就有可能被多途到达的信号所湮没。因此，必须采 取合理措施消除多途影响。在近距离上，多途效应可以通过适当调节收发声 基阵的指向性来消除。 图3 3 声波多途传播示意图 3 2 混晌信号的仿真嘲 海底混响仿真是声纳仿真技术中的一个重要研究领域，涉及研究内容十 分广泛，水声设备在研制过程中由于受到各方面条件的制约不可能经常进行 海上试验，可以利用模拟的仿真混响信号来代替，由于海底混响是浅海探测 目标的主要背景干扰，又因为近年来，对主动声纳进行浅海目标探测的需求 越来越多，所以也对海底混响仿真技术提出了更高的要求。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 3 2 1 海底混晌信号的模型 本文采用的混响模拟的理论模型是单元散射模型，假设：不考虑海底各 散射单元间的散射；海底的散射单元的大小取决于海底散射系数的相关半径 r 及声波波长；海水均匀、无吸收、等声速；入射声波以发射声中心为球心 按球面波扩展，每一散射单元的散射声波以该散射单元为球心按球面波扩展。 图3 4 混响的场点源点和海底散射单元几何示意图 海底混响信号模型的关键是海底散射单元尺度的确定。本文取海底散射 单元的最大限度小于海底散射系数的相关半径尺，这样，在同一散射单元上 的海底散射系数可近似取同一值；同时，海底散射单元的最大尺度要使入射 声波的相位包括幅值在散射单元上可近似取同一值。 综上，若声源辐射的声信号为窄带c w 脉冲，则场点膨处接收的混响信 号可表示为： c “，f ) ；篁生二一胁一丝丝) 一“( ( f f ) 一型且) 】 贫仫 c c r 丛；二p ( 3 1 8 ) 式中，k ，为海底第f 个散射单元分别到源点和场点的距离( m ) ，昂为 沿方向距声源等效声中心1 米处的入射声压幅值( p 口) ，材( ) 为单位阶跃函 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数，f 为脉冲宽度( s ) ，c 为海水中声速( 研s ) ，f l i t 为声速角频率( r a d s ) ，a s j 为海底第i 个散射单元的面积( 扰2 ) ，足为海底第i 个散射单元的散射系数。 其中，海底第f 个散射单元的声压散射系数r 是复随机变量；即其幅度 和其相位均为随机变量。因而，混响信号是大量具有随机幅值和随机相位信 号的迭加。 3 2 2 收发分置混晌信号仿真模拟方法 一 h 、 、 7 、 、 ， 、 、 ， l ，7 图3 5 声源s 和接收器膨位置图