（水声工程专业论文）矢量混响特性研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e v e r b e r a t i o ni sa l lb a c k - s c a t t e ra c o u s t i cs i g n 丑lf o rt h er a n d o mf i n c t u a n t s u r f a c ea n db o t t o m , t h ed i s a c c o r do fs e a w a t e rd u r i n ga c o u s t i cw a v et r a n s m i t i n g s o u n dr e v e r b e r a t i o ni sa u r o fi n f o r m a t i o no na c o u s t i ca n do c e a n o l c l 西c a l p r o p e r t i e so fu n d e r w a t e rw a v e g u i d ea n dh a sb e e nt h es u b j e c to fag r e a tm a n y t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o 衄r e v e r b e r a t i o nw h i c ho c c u r sa f t e r e m i s s i o n s i 乎1 a i ，i sp r i m a r yi n t e r f e r e n c ef o r t h ea c t i v es o n a r , c o n s u m e d l yl i m i t st h e o p e r a t i o nd i s t a n c ea n dp a r a m e t e re s t i m a t eo f t h ea c t i v es o n a r i ti sn e c e s s a r yt h a t t h ec h a r a c t e r so f r e v e r b e r a t i o na r es t u d i e dt oi m p r o v et h eo p 既a t i o n 簿 f o r m a n c e w i l i l el l pt on o w , a l lr e s e a r c h e so nr e v e r b e r a t i o ne x c e p t i o n a l l ym e a s u r e dt h e s o u n dp r e s s u r e t h ev e c t o rs e n s o rw h i c ha l t e r so n e n e s so ft h es o u r c ei n f o r m a t i o n m a ym e a s h r et h es o u n dp r e s s u r ep ( oa n dt h eo r t h o g o n a lc o m p o n e n t so ft h e p a r t i c l ev e l o c i t y , h 何，吩似v ：何，d a t as i m u l t a n e o u s l ya tag i v e np o i n ti nt h e a c o u s t i cf i e l d 1 1 蛇r e f o r e i th a sm o r ei n f o r m a t i o na n dm a ym o l ec o m p r e h e n s i v e l y d e s c r i b et h es o u n ds c a t t e r i n gt h a nt h eo n e f o l ds o u n dp r e s s u r e p ( t ) b a s e do nt h e o r i e so ft h es o u n ds c a t t e r i n ga n dt h ev e c t o ra c o u s t i c ，t h e v e e t o r - s e a s o rr e v e r b e r a t i o ni sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , b a s e do nt h ec e l l s c a t t e r i n gm o d e la n dt h ep o i n ts c a t t e r i n gm o d e l ，t h ev e c t o r - s e n s o rr e v e r b e r a t i o ni s r e s e a r c h e da n ds i m u l a t e d i ts h o w st h a tt h ev e c t o rs e n s o rm a yr e s t r a i n r e v e r b e r a t i o n s e c o n d i y ，t h el o w - f r e q u e n c yd a t ao f v e c t o rs e n s o rr e v e r b e r a t i o ni n s h a l l o ws e aa r ea n a l y z e d 矗o mt i l ef r e q u e n c y , t h ep r o b a b i l i t y , t h et i m e s p a c e c o r r e l a t i o no ft h es o u n dp r e s s u r ea n dt h ep a r t i c l ev e l o c i t y , i n t e r - p u l s ea n dc o p y c o r r e l a t i o n , i ts h o w st h a tt h es u r f a c es o u n ds c a t t e r i n gi sam a i nc o n t r i b u t o rt o r e v e r b e r a t i o ni ns h a l l o ws e a , t h er e v e r b e r a t i o ni sd i s t i n c t l ya n i s o t r o p i ea n dh a s o b v i o u sc e r t a i n t yc o m p o n e n t s , t h es o u n dp r e s s u r ea n dt h et h r e eo r t h o g o n a l c o m p o n e n t so ft h ep a r t i c l ev e l o c i t yh a s w e a kc o r r e l a t i o n , a n dt h ec o r r e l a t i o n b e t w e e nt h es o u n dp r e s s u r e p ( t ) a n dc o m p o n e n to f t h ep a r t i c l ev e l o c i t y1 k 缈o r 吩渺 a p p e a r st ob em u c h l e s st h a nt h ec o r r e l a t i o nb e t w c e n p 钐a n d 也渺t h i r d l y , b a s e d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o n e x p e r i m e n t a t i o nd a t aa n ds i m u l a t i o nm o d e l ，i t a l a w ad i s t a n c e a n dt h e t i m e - f r e q u e n c yp r o p e r t y ( s u c ha si n s t a n t a n e o u sf r e q u 删y , t h ew i g n e r - v d l e s p e c t r u m ) a r ec o m p u t e da n dr 魄a r e h e d , i ts h o w st h a tr e v e r b e r a t i o np r o c e s si sa l o c a ls t a b l es t o c h a s t i cp r o c e s s ，t h ew vs p e c t r u mo fv d t ) o r 哆i sm o r ed i s t i n c t t h a n l a x l y , v e c t o rc h a r a c t e r i s t i c s ( s u c ha st h es o u me n e r g yf l u xd e n s i t y ) , t h ec o h e r e n c e ，d i r e c t i o n a l i t yp r o p e r t i e sa n dt h ea n t i r e v e r b e r a t i o nc a p a b i l i t yo f t h e s i n g l ev e c t o rs e n s o ra n dt h ev e c t o rl i n ea r r a y sa r es t u d i e da n da n a l y z e d i ts h o w s t h a tt h ev e c t o rs e i x q o r m a ym o r er o u n d l y a n db e t t e ro b t a i nt h e s p a t i a l c h a r a c t e r i s t i c st h a nt h ec o n v e n t i o n a lh y d r o p h o n e , a n db ep r o p i t i o u st or e s e a r e h t h em e c h a n i s mo fr e v e r b e r a t i o na n dt h es c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ev e c t o r s e l l q o rm a ys u p p r e s st h er e v e r b e r a t i o nc o n t a m i n a t i o nb y6 - 8d b ，t h ef o u rd e m e n t l i n ea r r a y so fp r e s s u r e - g r a d i c o th y d r o p h o n e sh a v em o r ea b o u t8d 8s u p p r e s s i o n c a p a b i l i t yt h a nt h ec o n v e n t i o n a lh y d r o p h o n el i n ea r m y k e yw o r d s ：r e v e r b e r a t i o n ；v e c t o rs e n s o r ；a l e r g yf l u xd e n s i t y ；c o 盯e l a t i 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 体己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，均己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) ：扣为度枷 日 期：川年乡月，；日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 ，l 概述 对于主动声纳或者主动工作方式的系统面言，除了受海洋环境噪声、舰 船噪声等背景噪声和系统自噪声的干扰外，还受到海洋混响的干扰。混响信 号是声波传播过程中由于随机起伏的海面或不平整的海底或海水媒质内部的 随机不均匀性形成的反向散射在接收点所收到的声信号。混响是主动声纳系 统主要的背景干扰，限制了主动声纳系统的作用距离和参数估计性能。为了 提高信号处理增益，改善主动声纳的工作性能，须对海洋混响特性进行研究。 由于产生混响的海洋信道的复杂性和不确定性，使得对海洋混响的特性研究 及抗混响技术变得相当困难。 自从郎之万发明第一个压电石英水听器以来，在水声系统中，几乎全是 利用声压水听器拾取声压信息，是单纯的声压信息处理系统。对主动声纳系 统来说，也毫不例外。因此，国内外学者在海洋混响的产生机理、统计特性、 模型仿真以及抗混响技术等方面进行的大量研究都是针对声压这一物理量而 言的。如：r j u r i c k 在文献【1 】中详细论述了海洋混响的基本理论以及海底、 海面和体积散射特性；b b 奥里雪夫斯基在文献【2 】中从概率分布、自相关函 数和时空相关函数等统计特性对混晌进行了分析和研究：中科院声学所张仁 和提出了能够较好地解释及预报混响强度随时间的振荡现象的射线简正波相 干混响理论唧；哈尔滨工程大学和7 1 5 所在混响模型仿真和抗混响技术等方面 的研究”， 事实上，描述声场的物理量不仅有声压，还有质点振速、声压梯度、加 速度、位移等。声波是纵波，质点振速是矢量，质点振速方向与传播方向一 致，因此，质点振速这一同样携带信息的物理量应该受到重视。如果有一种 水听器能够获得声场的矢量信息，如振速、声压梯度等，对声场的认识将会 更加全面。入们把能够完成这种使命的水昕器称为矢量水昕器，第一个能测 量质点振速的电动换能器于1 9 4 2 年在美国海军实验室诞生。自该水听器诞生 以来，据不完全统计，从4 0 年代中期到7 0 年代中期，英、美、俄、法、目等 国，关于质点振速传感器的原理及应用专利达1 4 0 多项。但由于振速测量技术 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的复杂性制约了它的推广和应用。近十几年来，无论在空气声学，还是在水 声学，介质质点振逮测量的关键技术才基本得到解决，到上一世纪九十年代 声矢量传感器技术研究热潮才逐渐兴起m 。1 9 8 9 年俄国学者出版了世界上第 一部有关声矢量传感器技术的专著声学测量一相位方法，较全面地论述了 声矢量传感器技术的原理和应用。2 0 0 3 年俄罗斯远东研究所s h c h u r o vva 出 版的 v e c t o ra c o u s t i co f t h eo c n ，发展了海洋环境噪声的声压标量场特性 的研究，提出了基于矢量传感器的海上实验、数据处理以及理论分析等一整 套方法”明。在国内，哈尔滨工程大学率先加工制作了第一个矢量水昕器，并 发展了一套理论和应用体系，并用于水下目标低频辐射噪声测量；7 6 0 研究所 将矢量水听器应用到潜艇辐射噪声、噪声源识别以及低频声目标强度测试中 川；7 1 5 所和7 2 6 所也相继加工制作矢量水听器，并投入到水声研究中。总之， 近十几年来，在声学研究中采用矢量水听器测量已经是一种新的发展趋势， 其主要应用领域可以覆盖水声警戒声纳、拖曳线列阵声纳、舷侧阵共形阵声 纳、水雷声引信、鱼雷探测声纳、多基地声纳、水下潜器的导航定位、分布 式传感器网络等；在空气声学中，声矢量传感器可以用于战场警戒探测直升 机和臆形飞机，噪声源识别和声强、声功率测量等删。 矢量水听器自问世以来，给水声界带来了实质性的变革，渗透于水声的 各个领域，其主要在于矢量水听器具有以下特点：1 ) 尺寸小，重量轻，振速 在较低频段依然具有较好的c o s ( 0 1 形式的指向性；2 ) 可以同时、共点测量声 场中的声压p 和质点振速v 这两个物理量。 随着潜艇隐身性能的提高和信号处理技术的发展，潜艇的辐射噪声和目 标强度逐渐降低，向传统的声纳技术提出了挑战。对主动声纳来说，为了增 加声纳的作用距离，发射信号的频率逐渐向低频发展，常规的声压水听器难 以完成使命。矢量水听器具有尺寸小，重量轻，在较低频段有较好的方向性 等这些优点，有利于应用到主动声纳系统中。因此，矢量水听器的应用将降 低主动声纳的工作频率，增加作用距离，同时也将大大减轻接收基阵的重量。 混响作为主动声纳的主要干扰，经典的混响理论对矢量水昕器混晌的研 究都是适用的。矢量水听器的引入带来了新的声场信息，对海洋混响和海面 海底散射特性的研究以及抗混响技术的研究将有很大帮助。从特性研究来说， 混响场是一种散射场，混响场的振速分量y 。，v ，和n 比单纯的声压p 含有更 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ _ - 目_ _ 宣_ 目瞄_ i 昌i i e j i i i 宣誊j i 崔_ i _ i i i j i i 薯_ 日盈皇置_ _ _ _ _ - _ 一i i i 多的信息，这无疑更充分、更全面地描述混响这一散射场。从信号处理的角 度来说，这些新的参量将有利于提高信号处理的灵活性和多样性，通过声压 振速联合信息处理，可在多种相空间如 p ) ， p 2 ) ， v ) ， v 2 ， p v ) ， p ，p _ l ， v 嬲中进行处理，有助于混响机理和散射特性的研究，也有利于抗混响技 术的发展。 利用矢量水昕器测量混响进行混响场的特性研究是主动声纳系统抗混响 的基础。早在9 0 年代初，俄罗斯远东研究所s h c h u r o vva 在南中国海就已经 采用矢量水听器对深海混响进行了测量，并对混响场的矢量特性以及海面海 底散射特性进行了分析，并从衍射栅定律和海面空间相关函数解释了风浪对 海面散射的影响，在其著作 v e c t o ra c o u s t i co f t h eo c e a n ) 的第七章详细描述 了海上实验，数据处理以及理论分析等整套方法嘲。在国内关于这方面的研 究甚少，可见的报道只有哈尔滨工程大学的惠俊英、郭龙祥的矢量水听器混 响的仿真和研究嗍“1 ，以及7 6 0 研究所的单矢量水听器抗混响技术研究”2 抑1 。 因此，关于矢量混响的研究在国内还属起步阶段。随着矢量水听器在主动声 纳系统中的应用，必须对矢量水听器混响的特性以及矢量水听器抗混响技术 进行研究。 本论文研究的目标就是通过矢量水听器的海洋混响场的测量数据，对矢 量水听器混响的特性及矢量水听器对混响的抑制能力进行分析和研究，为矢 量水听器混响提供数据分析处理方法，为矢量水听器研究海面海底散射特性 提供思路，为矢量水听器在主动声纳系统中的应用提供参考。 1 2 论文的主要内容安排 本论文主要研究矢量水听器混响信号的概率分布特性，时空相关特性， 脉问相关特性，局部谱( i t a k u r a 距离和w v 谱) 特性和混响场的空间特性以 及矢量水听器和矢量水听器阵对混响的抑制能力，并给出相应的分析和处理 结果。 论文首先在第一章概述了论文的工作。第二章从混魄的基本概念出发， 详细总结了海洋混响基础理论以及与海洋混响密切相关的海面、海底和体积 散射特性。第三章以海洋混响理论和矢量声学理论为基础，依据经典的单元 散射模型和点散射模型，分别采用信道网络模型和统计模型对c w 和l f m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 信号的界面混响和体积混响进行了仿真。第四章从频率特性、概率分布特性、 时空相关特性、脉问相关特性和拷贝相关特性等方面对第三章的仿真模型和 矢量水听器的海上实测数据进行了分析，并给出了相应的处理结果。第五章 以i t a k u r a 距离和时频分析理论为基础，对仿真和实测混响信号的i t a l o u a 距 离，瞬时频率偏移分布，w v 谱以及混响场各分量信号间的互w v 谱进行了 分析。第六章从混响信号的瞬时声能流，瞬时相位差出发，对混响场的瞬时 特性、空间特性、相干特性以及矢量水听器和矢量水听器阵的混响抑制能力 进行了研究和分析，并给出了相应的分析方法和处理结果。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章海洋混晌理论 混响信号是声波传播过程中由于随机起伏的海面或不平整的海底或海水 介质内部的随机不均匀性形成的反向散射在接收点所收到的声信号。混响是 是伴随声纳发射信号产生的，是主动声纳系统主要的背景干扰，其许多性质 与入射声信号本身的特性有着密切的关系。除此之外，它还和传播信道的特 性有关。由于海洋混响产生的复杂性及不确定性，对海洋混响的特性研究及 抗混响技术变得相当困难。抑制混响，在混响背景中检测信号是主动声纳检 测技术的重要研究课题。混响既是一种重要的干扰，同时又是一种有用的信 号，取决于不同的应用场合。比如利用它可以来测绘海底地貌、预报渔汛、 测速等嘲n 4 。 2 1 海洋混响基本概念 2 1 1 混晌的分类 当发射的声信号传播时，由于介质的不均匀性和界面的不平整性，这些 信号会发生部分散射，这种散射是由气泡、海洋生物( 鱼、甲壳动物、微生 物) 、温度的不均匀性、海面的不平整性、海底的不平整性及海底底质的不均 匀性等引起的。按海洋中产生混响的散射体的不周，可以把混响分为体积混 响、海面混响、海底混响。其中后两种混响，由于散射体的分布是二维的， 所以又统称为界面混响。 2 1 2 散射强度 散射强度是表征混响的一个基本比值，它定义为离散射微分单元声学中 心1 米处被单位面积或单位体积所散射的声强度与入射平面波强度的比值。 以分贝表示，即： 岛，：1 0 i g 1 s c a t( 2 1 ) i 嗽 式中：，一单位面积或单位体积的散射强度； k 一入射平面波声强； 五。一单位体积或单位面积的散射声强度。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 它们是在远场条件下测量后再按球面波规律归算到单位距离后得到的”“1 。 2 1 3 基本假定 混响是一个很复杂的过程，受到多种因素的影响，当对混响理论进行讨 论时，一般作如下假设4 “： 直线传播，除球面衰减外，其它衰减的原因都可不计； 任一瞬间，位于某一面积或体积内的散射体分布是统计均匀的； 散射体的密度甚大，以致在一体元和面元上都有散射体； 脉冲时间足够短，以致可忽略体元或面元尺度范围内的传播效应； 忽略多次散射而只考虑一次散射，即所谓b o r n 近似。 2 2 混响理论基础 2 2 1 界面混晌理论 界面混响是指散射体不分布在体积中，而分布在几乎很平的界面上时所 产生的混响，最显著的散射界面是海面和海底。其中海面混响是由于海面的 不平整性和波浪产生的气泡对声波的散射造成的；而海底混响是由于海底的 起伏不平和存在于海底附近的各种散射体的散射造成的”。 界面混响的等效平面波级的表达式为： ， j 退= 1 0 l g e 墨f 6 够妒) 6 ( 只伊) 烈) ( 2 - 2 ) ， 式中：6 ( 只f o ) ，b ( 只妒) 一发射、接收指向性函数； 厶单位距离处轴向声强，w m 2 ； ，一作用距离，m ； 墨一散射界面的散射强度，l o l g s , = 墨； 彩一散射界面单元面积。 若从散射平面内的一个圆环( 如图2 1 所示) 上取一小段羽，则有： 以= 一g f l - r d q o ( 2 - 3 ) 2 式中：c - - - 声波在海水介质中的传播速度，m s ； f 发射信号脉宽，s ； 咖一幽对环心所张的平面角。 6 则混响级为： r t = 1 0 i g ( 二了0 。彳i ，j b ( o ，力6 ( 只咖d 妒) ( 2 - 4 ) 根据实际情况，( 2 - 4 ) 式可简化为： 心= 1 0 l 砖& 詈，r 。b ( o ，艄o ，力却) ( 2 - 5 ) 所以等价的理想指向性图的平面角为： r 。6 ( 0 ，力6 ( o ，咖却- = f l x l 却= 中( 2 - 6 ) 因而有：皿j ：l o l g 岛毛等，嘞( 2 - 7 ) 或者： 地= 8 l 一4 0 1 9 r + $ , + 1 0 1 9 a ( 2 - 8 ) 其中： 彳= 詈矗 ( 2 - 9 ) 界面散射示意图如下： 图2 1 界面混响的散射元示意图 在图2 1 中，图示了一个向下的换能器接收混响面积为a 的海底混响， 换能器下方的p 点是圆环的中心，在任一时刻只有宽度为o r 、长度为c t 2 的那部分4 产生混晌回波。 2 2 2 界面散射特性 海面和海底的声散射特性对于水声研究是非常重要的，尤其对浅海来说， 海面和海底对声传播的影响更是明显，因此，界面声散射特性一直受到水声 界的关注。在此，不对海底和海面的声散射机理作深入的研究，仅参考有关 文献的实验和理论研究结果，对海底和海面的声散射特性进行结论性的综述。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 1 海面散射强度s 的特性 1 s 与角度和风速的关系 海上测量结果表明，散射强度s 随声掠射角的增大而增大。其中，在掠 射角小时，最随风速的增大而增大，但在接近正投射时的大角度下，母随风 速的增大而减小。“转换角”约为8 0 0 ，这种奇异的特性被认为是在不同的 角度范围内产生反向散射的机理不同而造成的。理论和实验研究结果表明： 对于高风速，海面散射主要由气泡散射决定；对于低风速，界面散射起主要 作用。在小掠射角( 小于3 0 。) 时，气泡散射是主要原因；掠射角在3 0 0 7 0 0 时，海表面的反向散射是主要过程；大掠射角7 0 0 9 0 。时，尤其是在接近正 投射时，海面破碎程度严重，镜反射的贡献变小”1 1 。图2 2 表示鼠值随掠射 角、工作频率和海面上风速的关系。测量是u r i e k & h o o v e r 在佛罗里达州基威 斯特海面上用6 0k h z 频率测量得到的。 掠射角( 度) 图2 2 海面散射强度与掠射角和风速的关系 2 s 。与频率的关系 测量结果表明：s 。在低频及小掠射角时随频率变化大，在高频及大掠射 角时随频率变化小，在高频( 1 0 2 0 k h z ) 和小掠射角上，稍微依赖于掠射 角。 c h a p m a n 和h a r r i s ( 1 9 6 2 年) 把在0 ，4 6 4 k h z 之间以倍频程所测得的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一系列结果作了分析，其结果满足经验公式”1 ： 鼠= 3 3 f l l o g o 一4 2 4 l o g + 2 6 ( 2 - 1 0 ) l p = 3 5 8 ( v f 。) 棚 ( 2 - 1 1 ) 式中：v 一风速，k n o t ； 0 - 掠射角，度； ，一频率， k 。 运动着的海面会对恒定频率信号产生频率模糊和频率效应。海底与海面 一个截然不同的特性是：对于时间来说，海底特性可以认为是一个常数；而 对于海面结构来说，当风速变化时，它处于一种统计的变化状态“1 。 2 2 2 2 海底散射强度文的特性 1 & 与海底底质和角度的关系 海底的不平整性与底质物理和几何结构决定了海底混响强度的大小。测 量结果表明：散射强度瓯与海底沉积物中粒子大小有一定关系，对于沉积海 底，海底的粗糙度对反向散射起决定作用，海底底质越坚硬、越粗糙，则散 射强度最越强。 鼠随角度的增加而增强，小掠射角海底可以忽略海底不平整性。在多种 深水海底，当掠射角约小于4 5 0 时，散射强度与角度之间的l a m b e r t 定律关系 式较符合观测的数据“”。即 墨= 1 0 l o g + l o l o g s i n 2 口 ( 2 - 1 2 ) 即散射强度随掠射角正弦平方而变化，在很宽的频率范围内，测得 1 0 1 0 9 z = - 2 7 d b 。 2 瓯与频率的关系 粗糙度比波长大的海底，反向散射系数与频率无关；而粗糙度谱中有相 当一部分粗糙度小于波长时，散射强度随频率而增大。对于较平整的泥沙海 底，& 约以3 d b 倍频程增强；对于岩石海底，以与频率无关或关系很小。理 论和实验研究结果表明：对于海底散射，它主要由体积散射和界面散射组成。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上述对海面混响散射强度最特性与海底混响散射强度是的特性的描述 只是一般性结论，对于具体的海域应作具体的分析。 2 2 3 体积混响理论 体积混响是由分布在海水本身或体积之中的非均匀体的声散射引起的， 这些非均匀体包括盐度、密度、温度等局部不均匀水团，以及海水中的流砂 粒子、海洋生物、气泡、鱼群等” 体积混响的等效平面波级的表达式为： ， 盈毛= 1 0 l g ( 二 瓯j 6 ( 秽，妒) 扩( 8 ，p ) d v ) ( 2 1 3 ) r 式中：墨一体积混响的散射强度，l o l g s ，= s ，； d v 散射体体积。 d v = r 2 譬如 ( 2 1 4 ) 岁多 f 1 妙f 一7 图2 4 求体积混响时体元的选法 1 0 y 塞。、p 讶 哈尔滨工程大学硕士学位论文 则混响级为： 舡，= l o l g 肖! 莩，2 f 6 妒，咖6 ，妒，彩d 渤 ( 2 1 5 ) r二 如同界面混响，( 2 - 1 5 ) 式可简化为： r l ，= 1 0 l g ( 了i o 了c 7 ，2f b ( 0 ，咖6 7 ( o ，力( 2 - 1 6 ) 等价的理想指向性图的平面角为； f 7 6 ( o ，力6 ( o ，力m = f l l d t p = ( 2 - 1 7 ) 因而有；魁，= 观- 4 0 1 9 r + s ，+ 1 0 1 9 v ( 2 - 1 8 ) 其中：矿= 娑厂2 ( 2 一1 9 ) z v 称作为混响体积，即在任一时刻产生混响的散射体所占的体积。 实验已经表明：体积混响的散射强度鼠一般为7 0 , - - , - 1 0 0 d b ，产生体积混 响的主要来源是海洋生物和海水温度微结构，不同的海洋生物体影响着主动 声纳的工作频段。f 2 0 k h z ，散射体是浮游动物；在2 1 0 k h z 较低频率上， 散射体是各种鳔鱼。当f 2 0 k h z 时，鼠随厂的变化很小或没有。在1 0 k h z 以上频率，鼠有3 5 d b 倍频程的增长率。 海洋混响基础理论和实际结果表明：海底散射强度鼠远大于海水中的体 积散射强度s ，也大于海面散射强度s 。海底混响和海面混响与距离的三次 方成反比，体积混响与距离的二次方成反比，即界面混响在近距离上较强， 随距离增加比体积混响衰减快。海洋混响在不同时刻以不同混响类型为主， 近程以海面混响为主，极近程以体积混晌为主，中远程多以海底混响或海面 海底多次散射混响为主。在远距离上，体积混响成为主要干扰。对浅海来说， 海底混响占主要地位，和海面混响成为主要背景干扰。 2 3 本章小结 本章主要对海洋混响的基本概念、基础理论以及界面和体积散射强度特 性进行了综述和理论分析，为后续的研究工作做好铺垫。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章矢量水昕器混晌的理论建模 长期以来，国内外学者对海洋混响进行的研究都是针对声压这一物理量 而言的。混响场是一种散射场，描述声场的物理量不仅有声压，还有质点振 速、声压梯度、加速度、位移等，如果可以获得混响场中的矢量信号，如振 速、声压梯度等，将会获得更详细的声场信息，从而可以更全面地描述声场。 矢量水听器的问世，改变了这种源信息的单一性，可以同时测量声场中 的声压p 和质点振速v 这两个物理量。一方面，海洋混响场振速的三个正交 分量v 。，v ，和屹比单纯的声压p 含有更多的信息，可以更充分、更全面地描 述混响这一散射场。另一方面，这些新的参量将有利于提高信号处理的灵活 性和多样性，通过声压振速联合信息处理，可在多种相空间如 p ) ， p 2 ， 嵋， v 2 ， p v ， p ，p v ) ， v , p v 中进行处理，得到混响场更多的特性。 显然，这些对混响场散射机理和抗混响技术的研究都是非常有帮助的。 研究混响场声压和振速信号的特性，一方面可以通过试验进行研究，即 从试验数据中提取特性；另一方面可以通过模型仿真进行分析研究。本章着 重研究矢量水听器混响的仿真模型。 3 1 矢量声学基础 众所周知，描述声场一般需要五个物理量：除了声压p ( r ， ) 之外，还有 质点振速的三个正交分量 屹( ，d ，v y ( r ，众v z ( r ，t ) ) 和介质密度p ( r ，t ) 。它们由 理想的流体介质的质量守恒方程、动量守恒方程和状态方程相互联系”： o p j ( r , 一t ) + v p ( ，f ) v ( ，f ) 】_ 0 ( 3 1 ) 四 p ( r ，f ) 墨掣+ v p ( r , t ) ：0 ( 3 - 2 ) o l 印( ，f ) = c 2 d p ( r ，力( 3 - 3 ) 公式( 3 1 ) 为质量守恒方程，也称为连续性方程；公式( 3 - 2 ) 为动量守恒 方程，也称为运动方程或e u l e r t y 程；公式( 3 3 ) 为状态方程。 在各向同性均匀无限大的理想流体介质中，对于单频声波，矢量水听器 测量的声压p ( r ，) 和质点振速y ( ，t ) 的三个正交分量叱( ，f ) 、v y ( r ，r ) 和v z ( r ，t ) 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分别可表不- - 月“ 2 0 j 2 。1 ： p ( r ，f ) = 4 ( ，) c ) 叩 一面研一烈，) 】 ( 3 - 4 ) 附 f ) = 志脚一号p ( r , 0 刮( ，f ) 馏 ( 3 - 5 ) ju ( ，f ) = v ( ，0 c o s s m e v ，( ，0 = v ( r ，) 血妒如口 ( 3 6 ) k ( ，) = 帕。，o c o s o 式中：一入射声波的水平方位角，与x 轴的夹角，e 【o ，2 力； 口一入射声波与z 轴的夹角，口【o ，万) ； 舻相位； 玎一单位矢量，n = f c o s s l n o + j s i n s i n 口+ j c o s 8 。 图3 1 坐标系示意图 对于单频谐和平面入射声波而言，流体介质的声阻抗= f p ( ，0 1 p ( ，f ) 。 3 2 矢量水听器混响仿真 关于海洋混响的理论模型有很多，如：射线模型嗍、筒正波混响模型鲫州、 射线简正波模型嘲、滤波器模型嘲、基于自相关函数估计的时变混响线性预 测模型唧、混响自回归模型踟刎、离散散射模型和点散射模型等。单独从散射 机理来看，主要有两种不同的研究方法：单元散射模型和点散射模型。海洋 混响是一个复杂的散射过程，真实模拟海洋混响是一个艰巨的任务，几乎所 有混响都是将海面和海底的散射特性进行抽象并结合其统计特性，对海洋混 晌迸行仿真和研究。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 。l 单元散射模型 3 2 1 1 概述 单元散射模型是假设在海洋中散射体均匀分布。海洋可以分为若干单元， 每个单元包含大量散射体。概括说，每个单元的作用是产生发射后随时问变 化的平均混响级。常用的是单位面积或单位体积的散射强度。 混响信道是随机信道，在时间上是不平稳的，同时散射强度具有频率特 性，即混响在频率域上也不是平稳的“”。因此，在模型仿真过程中，一般假 定在信号带宽内，散射体的散射特性、介质吸收系数均不随频率变化。 大多数单元散射模型都是把海洋混响信道看作一个网络滤波器，按照混 响理论计算混响强度对其进行仿真。文献 3 1 1 综合考虑环境参数、声速分布 和收发装置的动态特性对界面混响进行了研究；文献【4 】 5 】【2 2 】在混响服从高 斯分布和瑞利分布的假定条件下，将界面划分成等时间间隔的散射单元在等 声速海洋环境条件下对混响进行了仿真和研究。其共同特点是：物理意义和 物理概念比较明确，便于分析和理解。在此，忽略收发装置的运动，借鉴上 述两种模型，结合射线声学对某深度温度分布的海洋环境的界面海洋混响进 行仿真和研究。 3 2 1 2 仿真模型分析 混响信号的信道一网络模型是基于射线理论的海洋信道和滤波器模型， 在本质上可以由混响信号的定义来理解为元散射信号在接收点的迭加。海洋 信道可以看作一个网络滤波器，完成由声源到接收水听器信号的信息和能量 的变换。基于2 1 3 的基本假定和混响基础理论，可以得到混响信号的信道一 网络模型。其仿真流程图如图3 2 所示。 环境参数包括风速、海底底质、海深、发射和接收水听器位置、声速分 布，发射换能器的波束开角等；海面散射系数选择2 2 2 1 的海面散射模型； 海底散射系数选择2 2 2 2 的l a m b e r t 定律关系式作为海底散射模型；海洋信 道软件根据声速分布利用分层介质声学理论计算每条声线到达海面和海底的 时间、声程以及到达界面的掠射角和接收点的入射角。海面和海底散射模型 根据环境和模型参数以及界面掠射角计算每条声线的界面散射系数，散射环 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ i i 带宽度可以由相邻两条海面或海底反射点的声线来决定，从而可以获得该声 线对应的散射面积。为了体现出界面散射强度的非均匀性，我们将每一声线 对应的散射面积划分成无数小的散射单元，而这些小的散射单元的界面散射 强度服从高斯分布，其均值由海面和海底散射模型计算的散射强度决定，方 差或标准差视具体情况而定( 事实上这种假定是合理的，实际测量的某掠射 角的散射强度也是大量平均的结果) 。散射单元的水平方位角假定在波束角度 内服从均匀分布。按照上述思想，遍历每一组声线，就可以得到所有界面散 射的散射面积、界面散射强度、传播时间、声程( 或传播路径) 和接收点的 入射角，按照界面散射理论即可求出混响声压和振速分量的散射序列h ( 0 。 图3 2 混响序列仿真流程图 混响的产生过程，可以理解为海洋混响信道散射序列与发射信号抽样序 列之间的卷积。其混响信号序列数字化实现可以描述为( 见图3 3 ) ： 图3 3 混响仿真信道网络模型的实现 且= w h ( 3 7 ) 其中权函数取w = s ，即信号的抽样序列，日为海洋信道散射序列，矗( f ) 则表示第f 个环带的散射强度。 对谐和律平面波而言，声强可以表示为： t ( 0 ：v ( 驴旦塑 ( 3 8 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i | | ；i i i i i ；j i i i i i i ；i i i i i i i i j _ j i l l l 由3 1 矢量声学基础理论可知，声强序列的三个分量可以表示为； l ( o = p ( d o ( dj ，= p ( i ) v y ( i ) ( 3 - 9 ) j ：回= p ( o v ；【 ) j 由上述关系式即可解算出混响声压和振速分量的散射序列，进而对混响 的声压信号和振速分量进行模拟研究。 3 2 1 3 仿真结果分析 在3 2 1 1 中论述了计算海洋混响散射序列的流程，下面对计算过程进行 详细分析( 假定声信号的传播损失按照球面波规律衰减) 。 图3 4 收发装置示意图 假设散射体在散射环内服从均匀分 布，发射换能器位于水下处，水平开角 为2 a o ，即卜岛，岛】，垂直开角为2 q 7 0 ，即 卜甄，】，波束角度内发射信号是均匀的， 收发合置，海深为h ，接收无指向性，海 面指向海底为z 正方向，水平方位角记为 口，俯仰角记为矽，其如图3 4 所示。 由2 2 1 可知海面混响散射强度： 1 k = 陪曲始渺 删( 3 - 1 0 ) r s 是海面散射强度，与风速，掠射角及频 率有关，b ( o ，伊) 和b ( 只力分别是发射换能 器和接收水听器的波束图，剃为散射元面 积，则散射环“处的混响强度可表示为( m 为散射宽度，仍为散射半径 f 处散射环的掠射角) ： l = 厶，专，扣始妙畎) 印m 砌 ( 3 1 1 ) 对于单频谐和入射平面波来说，矢量水听器声压与振速三个分量之间存 在下列关系： 1 6 兰三=p，,茹eos妒,eosopls m u , p 函切 2 c o s 竹 ，“7 d2i s m 中t1 则散射环“处的声强的三个分量可表示为： k = 厶。专，f 屯6 ( 只仍) p ，仍) 川c o s 仍c o s 伽 岛= 厶专l 6 以识) 够，仍) m c o s 仍血伽 k 2 小1 一，f 屯。6 竹) 6 ( 曰，仍) 嵋咖仍硼 由发射换能器的指向性及图3 4 所示的关系图可知： 最小距离( 散射单元到接收水听器的距离) 为： o = 2 0 s i n 够o ( 3 1 3 ) 存在海面混响时的 即当散射元与接收水听器之间的距离大于时开始存在海面混响。 同理可得海底混响处的声强及其三个分量序列为： 毛= 厶1 一+ f 。6 ( 占，仍) 6 ( 只仍) 棚 = 厶，专1 6 仍) ( 口，孵) m c o s 仍c o s 鲥伊 = 厶，专，e 和( 晚妙畎只仍) w , c o s 咿, s i n 伽 = 厶专l s - b ( e , 仍) 6 p ，仍) m 如仍枷 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 存在海底混响时的最小距离为： o - - ( h 一知) s i n f o ( 3 1 6 ) 实际上，也可用上述方法计算出体积混响处的声强及其三个分量序列 l ，k ，k 和乇。则总的混响强度及三个分