海底聲散射強(qiáng)度測(cè)量方法及不規(guī)則海域混響特性研究

海底聲散射強(qiáng)度測(cè)量方法及不規(guī)則海域混響特性研究海洋中存在大量的散射體,入射聲波投射到這些散射體上會(huì)產(chǎn)生散射,而這些散射聲波在接收點(diǎn)的迭加就形成了混響。在水平有界海域,海洋混響受水平邊界的影響嚴(yán)重；同時(shí),近岸淺海的漸深海底也影響海洋混響的規(guī)律,本文題目所指的“不規(guī)則海域”,就是此類水平邊界和海底邊界形狀不規(guī)則并且邊界條件復(fù)雜的海域,不規(guī)則海域中的混響有其特殊的規(guī)律。混響是主動(dòng)聲探測(cè)的重要干擾背景,研究在不規(guī)則海域中的主動(dòng)聲納探測(cè)問題,要求對(duì)不規(guī)則海域中混響場(chǎng)的特性有充分了解,才能針對(duì)該類海域聲場(chǎng)及聲干擾場(chǎng)特點(diǎn),開發(fā)有效的水聲探測(cè)技術(shù)。在淺海,海底混響是海洋混響的重要組成部分,而海底散射強(qiáng)度又是影響海底混響的重要因素,隨著多基地聲納系統(tǒng)的研究和應(yīng)用,就需要研究海底散射強(qiáng)度與入射掠射角、散射掠射角和散射方位角的關(guān)系,即海底三維散射強(qiáng)度?；诖?本文主要研究海底三維聲散射強(qiáng)度的測(cè)量方法以及不規(guī)則海域的混響特性。本文給出了一種測(cè)量海底三維散射強(qiáng)度的方法,該方法由水平指向性窄垂直指向性寬的聲源發(fā)射信號(hào),在接收位置由水平、垂直指向性窄的T型接收陣接收散射區(qū)域中的某散射元的海底散射信號(hào),根據(jù)入射聲程和散射聲程計(jì)算的傳播損失、聲源的聲源級(jí)和接收到散射信號(hào)聲強(qiáng),計(jì)算可得距此散射元單位距離處的入射聲強(qiáng)和散射聲強(qiáng),再根據(jù)散射強(qiáng)度定義可求得此散射元的三維散射強(qiáng)度。用時(shí)延波束形成技術(shù)改變T型接收陣的聲軸指向方向,使聲軸指向散射區(qū)域的其它散射元,用相同的方法可求得該散射點(diǎn)的三維散射強(qiáng)度,進(jìn)而能測(cè)得整個(gè)散射區(qū)域中各散射元的三維散射強(qiáng)度。文中還引入一計(jì)算海底三維散射強(qiáng)度的理論模型,該模型是在海底散射是各向同性這一假設(shè)條件下建立的。湖上測(cè)量得到的湖底三維散射強(qiáng)度同理論模型計(jì)算得到的結(jié)果相吻合,但在海試中,相同的入射掠射角、散射掠射角和散射方位角條件下海底同一散射元在不同入射方向上測(cè)量得到的前向散射強(qiáng)度有近20dB的差別,表明實(shí)驗(yàn)海域海底散射強(qiáng)度各向異性。以射線聲學(xué)理論為基礎(chǔ),在收發(fā)合置情況下,用Lambert散射定律計(jì)算海底散射強(qiáng)度,只需考慮海底的一次散射對(duì)混響強(qiáng)度的貢獻(xiàn),對(duì)傾斜海底混響強(qiáng)度進(jìn)行建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；在收發(fā)分置情況下,用三維散射模型計(jì)算海底散射強(qiáng)度,同樣只需考慮海底的一次散射對(duì)混響強(qiáng)度的貢獻(xiàn),對(duì)傾斜海底收發(fā)分置混響強(qiáng)度進(jìn)行建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,通過幾何變換關(guān)系,可用傾斜海底混響強(qiáng)度模型計(jì)算不規(guī)則海域側(cè)面壁的混響強(qiáng)度,再將左側(cè)壁面、右側(cè)壁面和海底這三個(gè)粗糙面的混響強(qiáng)度迭加起來即得不規(guī)則海域總混響強(qiáng)度,并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性。通過理論計(jì)算,在收發(fā)合置的情況下,由于有兩側(cè)面壁的影響,不規(guī)則海域的混響強(qiáng)度在近程要略大于水平海底和傾斜海底的混響強(qiáng)度,隨時(shí)間的衰減也快。對(duì)于不規(guī)則海域混響強(qiáng)度,發(fā)射聲源的發(fā)射脈寬對(duì)混響強(qiáng)度的影響較大,脈寬越寬,混響強(qiáng)度越大；海底傾角和兩側(cè)面壁開角對(duì)遠(yuǎn)程混響有較大影響,海底傾角越大,混響強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減越快,兩側(cè)壁開角越大,混響強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減越慢；兩側(cè)面壁傾角越小,不規(guī)則海域近程混響強(qiáng)度越大,遠(yuǎn)程混響強(qiáng)度越小。以海底散射系數(shù)的空間相關(guān)半徑設(shè)定散射單元面積,根據(jù)混響產(chǎn)生的物理過程,建立海底多途混響信號(hào)模型,通過對(duì)仿真得到的混響信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,其瞬時(shí)幅值服從高斯分布,瞬時(shí)相位服從(0,2π)間的均勻分布,符合混響的一般統(tǒng)計(jì)規(guī)律。通過對(duì)仿真得到的不規(guī)則海域收發(fā)分置多途混響信號(hào)和實(shí)驗(yàn)得到的不規(guī)則海域混響信號(hào)的處理知,不規(guī)則海域混響垂直方向上的空間相關(guān)性比水平方向上的空間相關(guān)性強(qiáng)；而在水平方向上,垂直于兩側(cè)面壁方向上的空間相關(guān)性比平