（水声工程专业论文）水下沉底目标和掩埋目标的回波特性研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文揍要 个方法，结合底质的地声模型和回声计算的板块元方法能够计算任意 形状掩埋物的回声特性。分析表明，掩埋物的圈声增加了两项损失， 项是声波从分界面两次穿透时因反射、散射引起的损失，另项是 声波在沉积物中的传播衰减。本文计算了不同沉积层情况下掩埋目标 的西标强度和回声信混比，给毖掩埋条件对于回波特性的影响。结果 表明，应用常规方法探测掩埋目标是极其困难的。 关键词：沉底目标，掩埋目标，目标强度，信混比，回波结构， 板块元方法 上海交通大学硕士学位论文 摘要 s t u d yo n e c h oc h a r a c t e r i s t i c so f b o t t o 囊缰董a r g e t sa n db u r 重e dt a r g e t s a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fd e t e c t i n gb o s o mt a r g e t sa n db u r i e dt a r g e t si ss t i l l d i 蕊c u l ti nt h ef i e l do f u n d e r w a t e ra c o u s t i c s i ti sq u i t ed i f f i c u l tt od e t e c t t h o s et a r g e t sb e c a u s eo f 盘eb o r o mr e v e r b e r a t i o na n d 掇es e v e r e a t t e n u a t i o ni nt h es e d i m e n t 。i tr e l a t e st oe c h oc h a r a c t e r i s t i c so ft a r g e t s ， s e a b e dr e v e r b e r a t i o n 。s c a t t e r i n go fs e a b e da n ds oo n i nt h i st h e s i s ，t h e e c h oc h a r a c t e r i s t i c so fb o t t o mt a r g e t sa n db u r i e dt a r g e t sa r es t u d i e da n d 也er e s u l t sh a v eab r i g h tp i c t u r eo f 谢d e - r a n g eu s e s o 也i nm i l i t a r y e q u i p m e n ta n di nc i v i lf a c i l i t i e s t h e ya r ea v a i l a b l ef o rd e t e c t i o na n d r e c o g n i t i o no fs e a b e dm i n e s ，w r e c k i n ga n df i s h i n g 。 f i r s t l y , t h et a r g e t sw i t ha r b i t r a r ys h a p e sa r em o d e l e db yt h eg e o m e t r i c d r a w i n gs o r w a r e 。b a s e do nt h em o d i f l e dk i r c h h o f fa p p r o x i m a t i o nf o ra b o r o mt a r g e ta n d 斑ep l a n a re l e m e n tm e t h o d 。t h et a r g e ts t r e n g t ha n d e c h o - t o - r e v e r b e r a t i o nr a t i oo fb o s o mt a r g e t sa r ec a l c u l a t e d ac e r t a i n b o a o mm i n ei st a k e na st h ee x a m p l e 翻妇t a r g e ts t r e n g t h so ft h eb o t t o m t a r g e to nt l l e s i l ta n dc l a ys e d i m e n t sa r ec o m p a r e dw i t ht h o s ei nf l e e s p a c e t h ei n f l u e n c eo ft h es e n d - r e c e i v eb e a mw i d t ho nt h et a r g e t s t r e n g t ho ft h eb o t t o mm i n ei sd i s c u s s e da n d 也ee c h o - t o m r e v e r b e r a t i o n r a t i oo ft h eb o t t o mm i n ea td i f f e r e n tg r a z i n ga n g l e sa n dp o s i t i o na n g l e s a r ec o n 托a s t e d 弧em e t h o dd e v e l o p e di nt h i st h e s i sc a np r e d i c tt h e e c h o t o 。r e v e r b e r a t i o nr a t i oo fab o t t o mt a r g e tw i t ha na r b i t r a r ys h a p e w h e nat a r g e ti sn e a r 壤eb o t t o m 。也ee c h os t r u c t t 珏eo fb o t t o mt a r g e t s t u r n sc o m p l e xb e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo ft h es e a b e da n do n er e f l e c t i n g h i g h l i g h tc a l lt u r ni n t ot h r e eh i 曲l i 曲t sa n db o t ha d d i f i o n a lh i g h l i g h t sa r e r e l a t e dt ot h eb o t t o mr e f l e c t i o n 。b a s e do nt h em o d i f i e dk i r c h h o f f a p p r o x i m a t i o n 。t h ep l a n a r e l e m e n tm e t h o da n dt h ei n d i r e c t f r e q u e n c y d o m a i nm e t h o d 。t h ee c h oc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o t t o mt a r g e t a r et h e o r e t i c a l l yp r e d i c t e d t h em o d e le x p e r i m e n to fb o t t o mt a r g e t si sc a r r i e do na f t e rt h em o d e l c o n s t r u c t i o na n dt h ee n o u g hp r e p a r a t i o no f 氆e o r e t i c a ls t u d i e so nt h ee c h o c h a r a c t e r i s t i e so fb o s o mt a r g e t s 。i ti s 饿e 蠡r s tt i m et oo b t a i nt a r g e t s t r e n g t ho fb o t t o mt a r g 砹si n l a n d 。t h er e s u l t si nt h ee x p e r i m e n ta b o u t 也e e c h oc h a r a c t e r i s t i e so ft h et a r g e t si nf r e es p a c ea n dn e a rm eb o s o ma r e a v a i l a b l ef o rd e t e c t i n ga n dr e c o g n i z i n gb o t t o mt a r g e t sa n dt h e s er e s u l t s s q u a r ew i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t s 。 i i i 上海交通大学硕士学位论文 摘要 t h em e t h o d sf o rc a l c u l a t i n gt h ee c h oc h a r a c t e r i s t i c so fb u r i e dt a r g e t s h a v eb e e nw o r k e da tf o ral o n gp e r i o d b u tt h e r ea r en om e t h o d st h a tc a n b eu s e dt os i m p l ye s t i m a t et h ee c h oc h a r a c t e r i s t i c so fb u r i e dt a r g e t sw i m a r b i t r a r ys h a p e s i nt h i st h e s i s an e wm e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h ee c h o c h a r a c t e r is t i c so fb u r i e dt a r g e t si sp r e s e n t e da n dt h i sm e t h o di sb a s e do n t h em o d i f l e dk i r c h h o f fa p p r o x i m a t i o no ft h es c a t t e r i n gi nt w ol a y e rl i q u i d m e d i u m s b yt h em o d e lo fg e o a c o u s t i c s t h ep l a n a re l e m e n tm e t h o da n d t h em e t h o dp r e s e n t e di nt h i st h e s i s ，t h ee c h oc h a r a c t e r i s t i c so fb u r i e d t a r g e t sw i t ha r b i t r a r ys h a p e sc a nb ec a l c u l a t e d b ya n a l y z i n gt h er e s u l t s ， t w ok i n d so fa d d i t i o n a le c h oa t t e n t i o n so fb u r i e dt a r g e t sa r ef o u n d o n ei s c a u s e db yr e f l e c t i n ga n ds c a t t e r i n gp r o c e s s e sw h e ns o u n dr a yp e n e t r a t e s t h ei n t e r f a c e a n dt h eo t h e ri sc a u s e db yt h ep r o p a g a t i o nl o s sw h e ns o u n d r a yg o e st h r o u g ht h es e d i m e n t s a tl a s t t h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t so n e c h oc h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e db yc a l c u l a t i n ga n dc o m p a r i n gt h et a r g e t s t r e n g t h sa n de c h o t o r e v e r b e r a t i o nr a t i oo fb u r i e dt a r g e t si nd e f e r e n t e n v i r o n m e n t s t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ed e t e c t i o no fb u r i e dt a r g e t si s q u i t ed i f f i c u l tb yc o n v e n t i o n a lm e t h o d s k e yw o r d s ：b o t t o m t a r g e t s ，b u r i e dt a r g e t s ，t a r g e ts t r e n g t h ， e c h o - t o - r e v e r b e r a t i o nr a t i o ，e c h os t r u c t u r e ，p l a n a r e l e m e n tm e t h o d i v 上海交通犬攀硕士学位论文 部分适用符号说明 部分适用符号说明 分翼 千赫兹 入射波势遴数 散射波势函数 入射声场声压 敖射声场声压 速度势函数 格林函数 反射系数 透射系数 波长 声速 频率 密度 露爝频率 波数 营标强度 亮点传递瑟数 声源级 回声级 混响级 隧声的传播损失 混响的传播损失 爱辩散射强度 混晌面积 德仰角 v 珏 m绉l|垂苁露b洲书哟荆蠢c厂尹毋乏髓配轧趾啦m风a e 上海交通大学硕士学位论文 部分适用符号说明 方位角 脉冲宽度 入射信号 回波信号 入射信号的频谱函数 回波信号的频谱函数 粒径 孔隙度 v 力”0 妒 t 啪埘w w 以 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ， 保密囱，在三年解密后适用本授权书。 本学位论文满于 不保密口。 ( 请在戬上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：丐状 墨期：诗奄年兰月? 冒 指导教师签名：多摄 尽期：捌了年f 雳s 日 上海交通大学上懑父遗大字 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取褥的成果幸除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含饪何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做如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。 学位论文作者签名：百善漱 园期：2 0 - o3 年s 月3 0 日 主海交通大学硬学袋论文第一蘩穿富 第一章序言 1 1 水中目标回声特性研究的意义 二十一世纪是海洋的世纪，随着人类科学帮技术的发展，对于海洋的认识、 开发也进入了一个新的纪元。由于人类自身和经济的发展，全球性的人口、资 源和环境之闻的矛盾变褥越来越尖锐，追使人类将对大自然进行探索的星光转 向占地球面积7 0 的海洋。海洋正被冠以“第六大洲而成为人类生存和发展最 重要的能源基地。与此同时，随着有争议岛屿周围油气资源的发现和开采，随 着有关圜家海域划界的逐渐展开，海上斗争的热点还将继续增加和激纯。为了 争夺制海权和加强海防力量，各圜海军也竟相发展。海军的武器装备在未来的 海战中将发挥更重要的作耀。现代武器的发展方向：信息化、精确化和隐身化 同样反映在海军武器中。 声波是水中唯一能有效地远距离传递信息的物理场。水中的其它物理场， 诸如电磁场( 光波场) 、水压场、尾流场、温度场等等都不能远距离传递信息。 在水中只有声波能够传播几海里到上千海里。声波被用来在水中进行探测、定 位、识别、导航、通讯、遥感和遥控。声波在水中的作用是其它物理场无法替 代的。水中目标特性是水声探测的基础，其中目标的回声特性是主动声纳探测 和识别的基础。回声特性的研究具有极高的军事意义和民用价值。 本论文主要研究沉底和掩埋水雷豹回声特性。水雷是一种吉老又廉价的水中 兵器，它在历次海战中都发挥过巨大的作用。它不仅是封锁港口、防御敌方水面 舰艇和潜艇进攻的有效武器，两且还可以在精神和心理上对敌方造成极大的威 慑，使敌人不敢超越“雷池 ，追使敌方动用大量的兵力和物力从事反水雷斗争。 随着科技的发展水雷这种古老的武器又具有了新的活力，出现了智能化水雷，水 雷的战技性能有了明显的提高。微机控制的餐毵化求黉已i 成为新一代水雷昀重要 标志，此种水雷采用模块式结构、预置各种功能参数、提高信号处理精度，一改 水雷被动等待的局面，显蕊地提高了水雷的打击效能，使水雷增强了识别能力、 对哥标的选择打击能力以及自我保护能力，增加了反水雷，特别是扫雷的难度。 这些水雷在现代化海战中同样具有不可低估的作用，在1 9 9 1 年海湾战争中，水 雷成为能够伤及多国部队舰船的唯一武器，击伤大型硫磺岛级“特例 鑫里捧号两 栖突击舰、提康罗加级“普林斯顿号导弹巡洋舰和猎扫雷舰各一艘，在2 0 0 3 年伊拉克战争中，布置在鸟姆盖茨尔的伊拉克水雷也减缓了美军的进攻，这充分 显示了水雷的作用。永雷在海战中的战绩，受到国外离层军事首脑的注舀，重视 水雷战和水雷的发展已成为当今世界的热门话题，水雷战也成为国外军事刊物报 道的主题之一。发达藿家承认求雷威胁的现实，面发展中国家则认为水雷是保卫 本国的优选兵器，因此，9 0 年代初，意大利海军装备了肿一8 0 水雷和“塞皮亚 上海交通大学硬学搜论文第一章序言 水雷；瑞典推出了“邦尼 水雷；法国使用了f g 2 9 型水雷；两班牙、巴西、智 利、丹麦、南毒 也相继完成秘0 9 0 、m c f 一1 、蘩s l 、m t p 一1 9 和“矩阵 系列水 雷的研究工作；美、英、德、日也研制和正在研制更为先进的水雷，如“郎头” 水雷、“十字军”水雷、g 3 型水雷以及i ( ) ( 水雷。另外，有的国家正在研制以攻 击猎雷艇和灭雷其为主的专用抗猎水雷，以向有效的猎雷手段挑战和抗衡。 由于水雷具有易布难扫、耐淘汰、服务期长、威胁大、造价低等特点，在未 来海战中仍能发挥举足轻重的作爝。对于水蓄的探测各冒都很重视，研制了许多 探雷和灭雷的设备。水雷的几何尺度较小，网标强度小而且是种“寂静”目标， 主动探测是唯一的探测方式，在复杂的海洋环境中，探测和识别较困难。特别是 沉底雷和掩埋雷，严重的海底混晌和沉积层中的衰减使得探浏极其困难。这就特 别需要对沉底和掩埋水雷的回声特性进行深入的研究，为新一代探雷声纳的研制 提供基础。 1 。2 国内外目标回声的研究现状 水雷作为一种重要的水下目标，其回声特性的研究本质上属于声散射研究范 畴。可以说，声散射研究的最主要的王程应用就是鹭标回声特性。因此，跟踪国 内外声散射的研究状况就是探讨国内外目标回声的研究现状。嗣前，对目标回声 特性的研究主要集中在声散射机理、声散射场的计算和目标回声的实验研究等方 瑟。 1 2 。l 网标回声机理的认识翔研究 目标回声机理的研究是一项关予目标声散射的产生原因、声波成份等基础性 的研究，其主要的鳗豹是给如基标回声所对应的耳标物理概念和物理意义。这一 类研究往往是围绕声散射问题的严格理论解而展开的。 声散射问题的严格理论解法主要有： 1 ) 积分方程方法玎j 1 。从理论上来说，积分方程方法是一种严格的方法，因 为它是以h e i m h o i t z 和k i r c h h o 仟对h u y g e n s 原理的数学解释为基础的。 对于散射闻题，受声波 乍用的散射目标表面就象次级声源一样发出教射 波，利用h e l m h o l t z - k l r c h h o f f 积分公式严格得到散射波的积分方程， 可以应用于任意复杂形状目标。但在具体实现的过程中，积分方程要用 数值方法求解，又变成一种近似方法。 ( 2 ) 分离变量法导出的r a y l e i g h 简正级数解睁。1 。这种方法的本质在子将散 射波表示成基本波函数的r a y l e i g h 简正级数，再根据边界条件和入射 波求出级数的展开系数得到散射波的解。r a y l e i g h 简正级数解的缺点 是：第一、只能对球、椭球、无限长圆柱等”种能够用正交曲线坐标 表示的量标形状求解疆3 ；第二、解的形式是一个无穷级数，收敛性较差， 频率越高需要计算的项越多。另外，解的物理图象不清晰，不能直接阐 2 上海交通大学硕士学位论文 第一章序言 明回声的形成机理。 ( 3 ) 以r a y l e i g h 简正级数解为基础发展起来的蠕波分析法d ，玑1 0 1 ( w s t l a t s o n s o m m e r f e l d 变换方法) 、共振散射理论( r s t - - r e s o n a n c e s c a t t e r i n gt h e o r y ) 和奇异点展开理论n 2 1 ( s e m ) 。它们从时域和频域 两方面深入地阐述了声散射机理和回声成分及其特性。其中，蠕波分析 法是从回路积分中分离出镜反射回波和一系列环绕波，从而得到散射回 波的清晰物理解释：而共振散射理论和奇异点展开理论钉把水下目标散 射的频域特征与目标的固有振动相联系，从结构与声的角度对目标回波 赋予了物理本质。 1 2 2 目标回声的近似计算方法 严格理论解可以深入研究目标声散射机理，但只能对一些简单形状目标进行 计算。实际工程中目标一般都较为复杂，很难直接应用严格理论求解散射声场和 分析回声特性。这就相应出现了许多近似解法和数值解法。因此，可以这样说， 目标回声近似计算的研究对象就是目标声散射的工程应用算法实现。 ( 1 ) 物理声学( 物理光学) 方法 物理声学方法即k i r c h h o f f 近似方法是工程中最常用的方法。k i r c h h o f f 近似 方法的实质是如果目标的尺寸比声波波长大很多，并且这个面的曲率半径也比波 长大很多，则可以认为在目标表面上声压和振动速度的比值近似象平面波一样。 这样h e l m h o l t z k i r e h h o f f 积分方程被简化为一个面积分，得到极大的简化。可见 k i r c l l l l o f f 近似是一种高频平面波近似。对于简单凸光滑表面目标，可以利用稳 相积分方法( 鞍点法) 得到散射声场的解析解【2 l 钏；对于复杂形状目标，可以利 用数值积分方法得到散射声场解副。以此为基础，演绎出了很多的快速计算方 法。 ( 2 ) t 矩阵方法( t r a n s i tm a t r i x ) t 矩阵方法是一种建立在半解析基础上的数值计算方法，基本思想是用一组 正交完备的基本函数族的组合来表示矢量( 或标量) 形式的h e l m h o l t z k i r c h h o f f 积分方程中的各量，利用该方程和目标表面边界条件，从而得到入射波和散射波 的展开系数的t 矩阵表达式，最终求得散射声场【l6 j 。由于t 矩阵本身与入射波 无关，只与目标本身的材料、外形等量有关，在计算中可以自动检查正确性和调 节精度，因此t 矩阵方法的适应性较强，可以计算复杂形状目标的散射问题， 得到了较为广泛的应用。t 矩阵方法的主要缺点是，目标形状与所选用的正交曲 线坐标面相差越大误差也越大。另外，t 矩阵方法的计算量非常巨大，对计算机 的要求很高。国外在八十年代已成功开发了t 矩阵计算软件，可以用来计算包 括界面附近的目标。 ( 3 ) 时域有限差分方法( f d t d ) 时域有限差分方法( f d t d ) 是一种直接解时域波动方程的方法。此方法常用 来解电磁散射中一些复杂形状目标的散射声场。声散射问题同样也可以用f d t d 太海交逶大学矮学使论文 第一章痔言 方法求解，王朔审秘蛩基于运动方程和连续性方程得到f d t d 豹表达式，并给出了 应用于承声散射的f d t d 的数值算法，该算法模拟时域的声波传播，随着时间步 长的递进，鱼然满足边界条件。f d t d 适用予复杂霉标( 棱焦等) 的声散射计算。 癞于其计算区域不仅在露标表面，还必须包括内部和慰够的外部空闻，以便有效 地满足辐射条件，这样求解远场问题就必须划分很多网格，计算量非常大。目前 f d 阳方法已被推广到弹性鬻标豹声教射，在解决三维弹性爱标静散射问题对主 要的困难是计算桃豹容量和速度。 ( 垂) 有限露边界元方法 东：一磐毋歹 ( 2 5 ) z n - r o z ：瞄2 k t s r e o s a d s ( 2 。6 ) j 如 其孛，磊= 兰沙是器标所在处的入射波势遗数，是声波照亮的表面，缸是蓄 元至参考点的距离。口是表露法线和声线的夹角。 在远场的情况下，入射波声线雨戬看成是平行声线。取声波入射方向为z 方向，c o s a d s 是面元在z 方向上的投影面积姒( z ) 。因此，可以变成： j ：知：赶缆 ( 2 - 7 ) ： 出 么( z ) 是黧标沿声波教射方向的截面积。对于大多数譬标这个式子不难计算。面 积分( 2 6 ) 简化成为计算a ( z ) 的导数和一个一维积分。 需要说明的是，物理声学也存在着缺点： 矗对回波产生的祝理描述的不严格。如无法反映绕行波的贡献，有时会得出 虚假的亮点。 8 。如果形状复杂不褥不进行数值积分时就无法提取亮点参数中的时延和相位 跳变因子。 9 上海交通大学硕士学位论文 第二章研究水下霸标回声的物理声学方法 2 2 回声的亮煮模型和亮点参数计算 当我嬲观察物体在光照射下麓教射或反射时可以看到个或几个特象亮的 点或线，这就是光散射的亮点( h i g h l i g h t ) 。实际上，这些亮点或亮区对散射起主 要作用。因此，萄戳用所骞这些亮点的贡献的叠加来描述整令滔标的反射。这就 是亮点模型的物理基础。在数学上，亮点概念魇来描述凸光滑表面的反射波主要 取决予第一个菲涅尔区的事实【3 霹。在高频( 大k a ) 情况下，经何一个复杂量撼 的回波都是壶若干个子回波迭加形成酶，每个子回波哥戬看成从某个散射中心发 出的波。这个散射中心即为亮点，可以是某个真实的点，也可以是某个等效点。 这样任僻一个复杂誉标都可以等效成若干个散射亮点的组合，每一个散射亮点产 生一个亮点回波，总的回波是这些亮点回波相干迭加的结果。对予水中露标，根 据亮点形成规理，可以分为几何亮点和弹性毙点。 凡何类亮点：主要是蠢霉标的几何形状和材料表蕊的声学性质来决定，最重 要的是镜反射亮点。其亮点的位置期强度能够用物理声学方法来计算。在收发合 置条件下，亮点的位置麓入射波波鞯面与霹标表面楣甥的点。述有棱焦边缘的反 射亮点，它是由于西标表面法线方向不连续引起的。最简单的棱角亮点是直尖劈 的棱焦亮点。大多数棱惫巍点也可以用物理黟学方法计算，但受广泛使朋的方法 是几何衍射理论。 弹性类亮点；它们是表面绕行波或弹性散射波对应的亮点。此类亮点涉及到 弹性波的传播和辐射，处理起来要眈几何亮点复杂和豳难。英特点是只有在特定 部位才栽出现，且具有频散现象。 根据目标散射的基础研究结果，单个亮点麴传递溺数力： h ( y ，c o ) 嚣a ( y ，搿溆e 印 ( 2 。8 ) a ( 魏c o ) 是幅度反射豳子，通常是频率的函数，对窄带信号取中心频率处值。 r 是相对时延，融等效散射中心相对于某个参考点的声程差掌决定，f 一2 善e ， c 是声速。爹是回波形成时的相位跳交。 各类亮点的传递函数都有( 2 8 ) 豹形式。对于复杂霹标可以分解成若干个 简单几褥形状的予冒标，每一个子爨标又可能包含若干个亮点。因此复杂露标罐 以模型化为多个亮点迭加，按线性迭加原理得到总的传递函数： 卫 h ( r ，c o ) = ! a 。( 尹，c o ) e 。峨g ( 2 。9 ) _ m = l 因此把亮点模型运焉到工程中分析一个笈杂曩标如潜艇或翥承雷，也就是提 供一组不同方位土的a 嘏尹，国) ，f 。，撒= l n 的值。考虑到弹性类亮点只在一 些特定角度上起傣用，且实际潜艇和永雷上难以形成爨周环绕波或螺旋环绕波这 些弹性表面波，佟为初级近似，忽略弹性类亮点的作用。几何类亮点的传递丞数 彳矗 可以用物理声学方法导出。嚣( 尹，国) 燃一善歹，其中i 燃| 8 2 豫酗c o s , a d s 2 露 1 0 上海交通犬学弼 士学位论文籀：章研究水下麓标喇声的物理声学方法 2 。3 板块元算法 物理声学方法裟亮点攒燮最终始结戈获分 z 的计算。对予些篱单几何形状鹃表瑟，积 分l 能够誊接得到解析表达斌。对于复杂形状 的表面只挠采取数值积分。最壹接的计冀方法 是将表面分成足够小的面觉进行数值积分。这 种方法存在缺陷，娄嚣标较大，波长较夺时， 覆元数辫缀大，计冀速度缀慢。扳块元法是 种计算速度快而且精度又满足要求的方法。在 雷达孛聚s c 酶计算中已经采孀这辩方法。霰设 积分曲霹定义为x o y 平瑟内的平蕊多边形渊， 为了与凡簿銎形软佟所给感浆三是形拓芥信感 f i g u r e2 2p l a n a sp o l y g o n 楣黠应，本章定义隽x o y 平面蠹翦平蔼三受影，懿嚣2 。2 所示。 曲薅的法线为筇= 云，露端狂 + 谚+ 赢，”p = x i + + y ”j ，并且裁焉= 丢，这时： 批。e 2 l t 踟 c o s 艘雀p 蝴姗= 善n s o矿溉蝴蚺石乏警衰鲁丽( 2 - o )暑o 一霉i 、，押舢l ，、一r 丹， 其中魏= - y n + | y n 毛+ 1 一 这受寇义粼燕垒。式孛瓣是多边澎璜点数，瓴，咒) 楚多边形琐点酶坐 鹚一而 拣，可见揆分顼哥禽代数求鞴式绘凄，霞便帮多逑形静顶点坐标辩数砉垂方爨青关， 从丽可计算出传递函数。 利用以上结论可以把瑟蘸划分势诲多小懿懑，然感孬用某种方法构造感小鲶 平面多迭澎来近戳小蓝面。求窭这些夺平瑟多边影懿传递函数觞秘，来遥戳整个 曲面的传递函数，这种方法具有较快的计算速度。 嚣2 。3 羰格划分零意匿 f i g u r e2 3t h eg r i dp a r t i t i o n 上海交通大学硕士学位论文 第二章 研究水下目标回声的物理声学方法 例如图2 3 的网格划分为m 个网格，i ，j 代表任意个曲面网格，可 构造一系列平面多边形网格层，来近似i ，j 。则： 如 e 2 i k 缸c o s 蠡= 。善，! 矿妇c o s 声幽= ，赢，鼬s 肚( 2 _ ” 2 3 1 平面板元屈，的构造 以三点的面元为例，该面有三个顶点1 ，2 ，3 设三点的坐标为：( 而。，y l 。，毛。) ， ( 燕：，y ，：，气：) ，( 鼍3 ，强；，z ；。) 。取中心点的坐标为： 虿= ；( 墨+ 弓+ 弓) 拦魂+ 藏+ 毛 茬= 等= 魂+ 鹚+ 砒 h 吩l l 其中曩l 兰乏- v , ，曩l 端莠- i 一1 1 以尊为中心，疗为法向构成平颇的点法式方程： 口3 一而) + 屈( y 一) + 乃乜一) = - - 0 但应该注意公式( 2 。1 0 ) 只在积分区域是= 维平瑟时成立。如果构造的平面 是三维的，就要经过坐标变换，把三维平面变为二维的。 2 3 。2 具体算法过程 上顽已经构造了小平面届，下面将进行坐标变换，以法线方向厅为z 轴， 以鲁为x 轴，鲁= i i + 歹孱+ 后门，亏。= 亏一焉以鲁艿= 于吃+ 歹屈+ 露鲍为y | o | ，i o ll o | 轴建立局部坐标系。得到x i ，j ，t ，z 相对于x ，y ，z 的方向余弦如下： 这样可以得到原坐标系下一点( ，y ，z ) ，变化到局部坐标系( ，y ，z ) 下的公式： 上海交通大学硕士学位论文 第二章研究水下目标回声的物壤声学方法 x y 2 l囊 携= 一岱l 秘一属y 。- t l z r 2 = 一痿2 x o 一层y o y 2 z 珞= 9 3 茗一层y o y 3 z o 又因为p = 磊+ 磊，其中磊是中心点的矢径。则： i = p 2c o s 触茹弘2 蛳为何焉) 西= 露2 甄弘2 鼢为何焉) 凼= p 2 哦，p 2 酾稳( 焉焉) 出咖 s o轴s o ) 嚣 磊是焉在局部坐标系中的矢量形式，焉| - 兹专弦融，磊= & 匆，磊= 君。 账 i 攀f 2 岍毛w f - ( 蝌 ，) d x d y ( 封一2 剐v = 2 k v ) 岁工 这样就可以利用( 2 1 1 ) 式来计算。 解析公式所用计算时间最短，板块元法其次，数值积分所用计算时间最长。 板块元方法是较为实用的种阐，这种方法把目标划分为若干小的板块元，能够 对目标外形精确的逼近，计算又具有较快的速度和较高精度，对于复杂目标的计 算较为实糯。 2 3 3 算法验证 算例一：用3 d s 嬲在自由空闻中创建一个半径为0 2 6 6 m 的标准球体，提 取数据后用板块元方法计算其目标强度。球面划分了7 0 9 2 个板块，具有3 5 4 8 个项点，图2 。4 为霾标强度随k a 变化趣线，实线是板块元计算结果，三角点是 解析结果，可见两者吻合很好。图2 5 为知s 阴z 时目标强度随入射角的变化， e 1 1 于球的均匀性，目标强度是与入射角无关的一条直线。 耘a 图2 4 球目标强度随k a 变化 f i g u r e2 4t so fas p h e r ew h e nk ai sc h a n g e d 1 3 苁儿以o层履忽o壤吃啄o 上海交通大学硕士学位论文辫= 章研究水下目标阐声的物理声学方法 1 6 露- 1 7 c 摩 - - 1 8 o2 04 0 6 0 8 01 0 01 2 01 4 01 1 8 0 焦度 图2 5 球胬标强度随角度变化 f i g u r e2 5t so fas p h e r ew h e ng r a z i n ga n g l ei sc h a n g e d 算例二：计算柱形目标的目标强度，用3 d sm a x 建模后目标形状如图2 6 所示。 柱半径0 2 6 6 m ，拄长1 5 9 9 m 。，计算频率力5 0 0 0 h z ，入射角为秽，建模后共有2 5 5 2 个顶点和5 1 0 0 个板块。计算结果如图2 7 。 图2 6 柱形目标建模结果 f i g u r e2 6t h em o d e lo f c y l i n d e rt a r g e t 0 整2 。7 柱形罄标的器标强度随煮度交他 f i g u r e2 7t so fac y l i n d e rw h e ng r a z i n ga n g l ei sc h a n g e d 1 4 上海交通大学硕士学位论文第二章研究水下目标回声的物理声学方法 对结果分析如下：在0 度一0 度、1 4 0 度- - 1 8 0 度范围主要是目标平面端面 散射起主要作用，目标强度变化较大；在4 0 度一1 4 0 度范围端蕊和柱面的散射 共同起作用，目标强度的波动比较明显，在9 0 度嚣标强度达到最大值。这些结 果和用亮点模型分析的结果是吻合的。 2 4 界面附近形态函数或目标强度的积分表达式 存在界面时散射问题的k ir c h h o f f 公式是泖1 慈( 乃等去建慈两未嘶两一掣嘶两卜 ( 2 _ 2 ) 其中，绣( ；) 是半无限空间巾矢径为；的点0 的散射势溺数，织( 天) 是表面上天点 的多值，嚣是努法线，g ( r ，灵) 是半无限空闻的g r e e n 涵数： 。一p | 静 q g ( r ，r ) = _ + y ( 口) _( 2 。1 3 ) ， 誓 其中，矿p ) 是界面的反射系数，吒是发射接受点0 相对于平面的镜象点d l 的矢径。瓣于刚性界面v = i ，对于软界匿v _ 1 ，对于两种流体介质界面，( 2 。1 3 ) 式只是近似形式，其严格形式由杨士莪给出。 如果目标是刚硬的，k ir c h h o f f 近似假设在目标被照射的表面满足 煎= 苁 塑型：0( 2 1 4 ) 其中，识是入射到目标的波，它包括直达波和界面反射波。在收一发合置的情况 下它与( 2 。1 3 ) 式表示的g r e e n 函数具有相隧的形式，即 一 p 瓣p 蛔 谚( 月) = 三一+ 矿( 印三一 ( 2 1 5 ) r 在远场条件下有近似式 要：娑：一玻l 生c o s 口+ 幽) 鱼c 。s qi ( 2 1 6 ) 翻翻 | ，式1 其中，c o s 口= _ o r ，c o s a l 嚣晏。将( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 两式代入( 2 1 2 ) 式得到 嬲溯 扣蓦恪c o s 等c o s 等c o s q 卜 上海交遵大学硕士学位论文籀二章研究水下疑赫回声的物理声学方法 积分巾，第一顼是蜜由空闻中的回渡：第二顼是毫达渡经过目标反射以震沿 界面反射途径圈到源点，或者界面反射波经过囤标反射矮沿直达途径返圈源点的 散射波，这两种波等价予发射一接受分置的双站散射波，它的蘸个站位是源点及 其相对于界面的镜象；第三项是入射和反射波都沿界面反射途径传播的波，等价 于虚源产生的单始回波，盾蕊项都与界面反射有关，因此含有界瑟反射系数。按 照嚣i r c h h o f f 近似的缓设，几何影区对教秀| 波的贡熬可以忽碚，因此三颈的有效 积分区域是不同的。第一、三顼应分别取从。点或岛点看去处在亮区的那郝分表 藤s 或墨，孬第二项应取从0 点或o l 点看去都处在亮区酶那部分表面s ，。 便于霸标强度的计算，将( 2 1 7 ) 式在远场咚迸一步简优。令避标上艉公 共参考点q 到赛蔼的垂奁躐离为l a 。 豳2 。8 所示，有，。强+ 如，r t 慧韵+ 拟， 箕孛r o 雾r t 。分尉是源点0 和虚象0 ，到 公共参考点q 豹眶离，甜和缸随表谣 位置丽变。当0 耪0 ；点趋予无限遴时 五o = r o + 2 h s i n o ，0 是入射声线与嚣藤 豹夹兔，即撩射角。予是得到： 尹= 珀十a r ； 矗= r o 越+ 2 h s i n 0 ( 2 1 8 ) 蚕2 ，8 界面辫遂酶委捺0 1 f i g u r e2 8t h eo b j e e tn e a rt h eb o t t o m 将要代入( 2 。 7 ) 式蒡忽骚分母上蹿菱剿，霹阻将总乒场爱零为 蛰，：一萼篓g 慨 五+ 8 ，：赫嘲一矿( d 乏+ 咖稃矿：( 护) 毛 ( 2 1 9 ) 五虿鹣 。 冀中，穆? ：生是入射波， 穗 五= 量g 抢枷c 郴搿d s曩= 至：2 蚴s 哟拶 五= 蠹扩鲫c o s 懒s a , ) d s ( 2 ，2 0 ) 按照定义褥到存在赛面露的影态函数 氕( 勋) = 一兰 + 2 1 t m a o v ( o ) x 2 + 9 4 赫触挣矿2 徊) 毛1 ( 2 。2 1 ) 石口o 1 1 耪誉标强度 搿瑚l g 酷陋+ e i 2 疑s i n o 五酗缈1 2 眨2 2 由此珂以看如：界面的存在使回波结构鞠鼹标强度发生很犬变化。遐标在囊 凼场中的豳渡被界面雩l 入的附加圃波所干扰。这两个附鸯噩回波都至少经过界面鳃 1 6 上海交通大学硕士学位论文第二章研究水下目标回声的物理声学方法 一次反射，因此自由场中的回波所发生的“畸变”与界面特性关系很大，在实际 问题中，界面( 例如海面和海底) 的特性都有随机性，所以附加回波也有随机性。 从亮点模型的角度看，界面的存在产生附加亮点。在理想情况下自由场中的一个 固有亮点会变成三个亮点，其中固有亮点是稳定的，两个附加亮点是不稳定的， 因此整个回波结构被大大地复杂化了。上述公式提供了一个有力的工具，用以计 算界面附近已知形状目标的几何回波。 2 5 本章小结 本章介绍了本文的理论基础，对物理声学方法( k i r c h h o f f 近似) 、声纳目标 的亮点模型、板块元算法、界面附近形态函数或目标强度的积分表达式作了一定 的介绍。物理声学方法通过局部平面波近似将描述声波散射的积分方程变为普通 的面积分，极大地简化了分析。把亮点模型运用到工程中分析一个复杂目标如潜 艇或者水雷，复杂目标可以模型化为多个亮点迭加，按线性迭加原理得到总的传 递函数。物理声学方法和亮点模型最终归结为积分的计算，板块元法是一种计算 速度快而且精度又满足要求的计算方法。界面附近形态函数或目标强度的积分表 达式提供了一个有力的工具，用以计算界面附近已知形状目标的几何回波。本章 内容为接下来几章的工作做了理论上的准备。 上海交通大学硕士学位论文 第三章水下沉底目标的目标强度和回波信混比 第三章水下沉底目标的目标强度和回波信混比 目前，国内对水下目标在无界空间中的回波特性研究较多；而有界面存在时， 目标回波特性的研究还较少。本章研究沉底目标的回波特性，着重讨论有界面时 的目标强度和发射一接收波束角、俯仰角和方位角等参数对回声信混比的影响。 文献【